PETRA III – die brillanteste Röntgenlichtquelle der Welt

Hamburg, DeutschlandDie führende Quelle für harte Röntgenstrahlung steht am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg: PETRA III liefert seit 2010 extrem intensive und gebündelte Röntgenstrahlen, mit denen sich Strukturen und Vorgänge in Materialien aufklären lassen – bis hinunter zu einzelnen Atomen. Von der hohen Qualität der Röntgenstrahlung profitiert eine ganze Bandbreite wissenschaftlicher Disziplinen.

Ringförmige Teilchenbeschleuniger – sogenannte Synchrotrone – wurden ursprünglich gebaut, um Elementarteilchen zu erforschen. So entstand auch PETRA am Deutschen Elektronen-Synchrotron DESY in Hamburg: Die Positron-Elektron-Tandem-Ring-Anlage ging 1978 als seinerzeit größter Ringbeschleuniger mit einem Umfang von 2,3 Kilometer in Betrieb. In PETRA stießen Elektronen und deren positiv geladene Antiteilchen, die Positronen, mit hohen Energien aufeinander. Forscher konnten dadurch erstmals das Gluon beobachten, das Elementarteilchen, welches die starke Bindung zwischen den Bausteinen der Atomkerne – den Quarks – vermittelt. Dann baute das DESY mit HERA einen noch größeren Teilchenbeschleuniger, für den PETRA II als Vorbeschleuniger diente.

Luftbild des Forschungszentrums DESY in Hamburg mit dem 2,3 Kilometer langen Speicherring PETRA III, den Freie-Elektronen-Lasern FLASH und FLASH II sowie einem Teil des im Bau befindlichen Röntgenlasers European XFEL.
Luftbild des Forschungszentrums DESY in Hamburg

Vom Ringbeschleuniger zur brillanten Röntgenlichtquelle

Werden geladene Teilchen wie in PETRA auf eine Kreisbahn gezwungen, geben sie elektromagnetische Strahlung ab – ein unerwünschter Nebeneffekt für die Teilchenphysik, denn dadurch verlieren sie Energie und müssen laufend nachbeschleunigt werden. Diese sogenannte Synchrotronstrahlung bietet aber zugleich einzigartige Eigenschaften, denn mit dem Licht, das ein breites Wellenlängenspektrum besitzt, lassen sich verschieden große Strukturen in Materialproben untersuchen. Je kleiner dabei die Wellenlänge, desto feinere Strukturen können aufgelöst werden, bis hinunter zu einzelnen Atomen. So betrieben die Forscher am DESY den Speicherring DORIS III bis 2013 allein zu diesem Zweck; auch der Vorbeschleuniger PETRA II wurde nebenher für Experimente mit Synchrotronstrahlung genutzt.

Nach der Abschaltung von HERA im Jahr 2007 wurde PETRA binnen zwei Jahren umgebaut: aus PETRA II wurde PETRA III, die derzeit brillanteste Röntgenlichtquelle der Welt. Dazu wurden knapp 300 Meter des Ringbeschleunigers komplett neu gebaut und mit abwechselnd gepolten Magnetreihen, sogenannten Undulatoren und Wigglern, bestückt. Diese bündeln die Röntgenstrahlen und sorgen dafür, dass möglichst viele Lichtteilchen auf die zu untersuchende Probe treffen. Entlang des neuen Beschleunigerabschnitts entstand das Herzstück von PETRA III, die Experimentierhalle „Max von Laue“. Sie beherbergt 14 Strahlführungen mit insgesamt dreißig Messstationen, an denen Forscher hochpräzise Experimente mit Synchrotronstrahlung durchführen können. Auch die übrigen zwei Kilometer des PETRA-Tunnels wurden modernisiert: Sämtliche Magnete erhielten neue, leistungsfähige Spulen; ebenso wurde die gesamte Vakuum-, Mess- und Versorgungstechnik erneuert.

Exzellente Strahlqualität und Ausstattung

Seit 2010 liefert PETRA III besonders brillante – das heißt intensive und scharf gebündelte – Röntgenstrahlen, deren Wellenlängen in der Größenordnung einzelner Atome und Moleküle liegen. Mit ihrer Brillanz, einem wichtigen Gütefaktor für Lichtquellen, übertrifft die Anlage sogar die European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Frankreich, die als Flaggschiff der europäischen Forschung mit Synchrotronstrahlung gilt. Ebenso ist die sogenannte Emittanz besser als die vergleichbarer existierender Speicherringe: Der Teilchenstrahl von PETRA III ist stark fokussiert und besitzt einen kleinen Querschnitt. Das ermöglicht eine hohe Auflösung in den Synchrotronexperimenten.

Schematische Ansicht der 280 Meter langen Experimentierhalle „Max von Laue“.
Experimentierhalle „Max von Laue“

„PETRA III ist weltweit die beste Quelle für harte Röntgenstrahlung“, erklärt Oliver Seeck, der die Experimentierstationen an PETRA III koordiniert. „Bei hohem Photonenfluss liefert PETRA III einen sehr kleinen und kaum divergenten Röntgenstrahl mit exzellenten Kohärenzeigenschaften.“ Von dieser hohen Strahlqualität profitieren vor allem Forscher, die besonders kleine Proben untersuchen oder sehr tief in das Material vordringen wollen. Auch bei der Ausstattung genügt PETRA III hohen Standards: Jede der 14 Strahlführungen – im Fachjargon „Beamlines“ genannt – wird in der Regel von vier Wissenschaftlern und einem Ingenieur betreut. Direkt vor Ort stehen den Nutzern unterstützende Einrichtungen und Laboratorien zur Verfügung, etwa zur Vorbereitung biologischer und chemischer Proben. An einer Beamline können sogar extreme Umweltbedingungen – etwa hohe Temperatur und hoher Druck – hergestellt werden, wie sie im Inneren der Erde herrschen.

PETRA III befindet sich dabei in bester Gesellschaft: DESY verfügt mit FLASH I und II sowie seiner Beteiligung am European XFEL zusätzlich über Freie-Elektronen-Laser, die Röntgenstrahlung mit Lasereigenschaften erzeugen können. Während die Synchrotronlichtquelle PETRA III eine hohe räumliche Auflösung bietet, erlauben es die Freie-Elektronen-Laser zudem, zeitliche Abläufe in Materialproben in höchster Geschwindigkeit zu verfolgen.

Finanzierung und Bedeutung für Deutschland

Das DESY-Ausbauprojekt PETRA III kostete rund 225 Millionen Euro. Den größten Anteil dieser Summe übernahm das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit 90 Prozent, während die Stadt Hamburg sich mit 10 Prozent an dem Vorhaben beteiligte. Weitere neun Millionen Euro steuerte das Helmholtz-Zentrum Geesthacht für Material- und Küstenforschung bei, das zwei eigene Strahlführungen an PETRA III betreibt. Deutschland verfügt damit über eine eigene, leistungsfähige Synchrotronlichtquelle im harten Röntgenbereich, ergänzend zur deutschen Beteiligung an der ESRF in Frankreich. Zurzeit sind ESRF und PETRA III die einzigen Synchrotronlichtquellen für harte Röntgenstrahlung, die Nutzern in Europa zur Verfügung stehen.

Innenansicht der Experimentierhalle „Max von Laue“
Innenansicht der Experimentierhalle „Max von Laue“

Der laufende Betrieb von PETRA III wird aus dem Haushalt des Forschungszentrums DESY finanziert. Der Bund und die Stadt Hamburg teilen sich die Grundfinanzierung des DESY dabei im Verhältnis 90 zu 10 Prozent, wie bei Einrichtungen der Helmholtz-Gemeinschaft üblich. Ergänzend zum regulären Messbetrieb stellt das BMBF Fördermittel für Projekte bereit. Diese sogenannte Verbundforschung ermöglicht es Forschergruppen aus deutschen Universitäten, die Instrumente und Aufbauten an den Experimentierstationen weiterzuentwickeln und die Möglichkeiten von PETRA III optimal auszuschöpfen. So hat das BMBF die Verbundforschung an PETRA III im Zeitraum 2010 bis 2016 mit insgesamt rund 61 Millionen Euro gefördert.

Das Interesse der Forscher ist groß: Etwa zweitausend Wissenschaftler nutzen PETRA III für ihre Experimente im Jahr, einige davon sogar mehrfach; etwa zwei Drittel der Nutzer kommen dabei aus Deutschland. Die Nutzer stammen größtenteils aus Universitäten – aber auch aus außeruniversitären Forschungseinrichtungen und der Industrie. Grundsätzlich darf jedes Institut und jedes Unternehmen an PETRA III forschen, solange das Vorhaben ausschließlich zivilen Zwecken dient.

Lebende Zellen im harten Röntgenlicht von PETRA III
Zellen im Röntgenlicht von PETRA III

Präzise Einblicke in Werkstoffe und biologische Proben Die Synchrotronstrahlung von PETRA III bietet vielfältige Experimentiermöglichkeiten für eine breite Nutzerschaft: von der Materialforschung, Festkörperphysik und Nanowissenschaft über Chemie, Molekular- und Strukturbiologie bis hin zu Geologie, Umweltwissenschaften und Energieforschung. Selbst Archäologen und Kulturwissenschaftler nutzen die feinen Röntgenstrahlen, um historische Kunstwerke und Gegenstände zerstörungsfrei zu durchleuchten.

Drei der Messplätze an PETRA III werden beispielsweise vom Europäischen Laboratorium für Molekularbiologie (EMBL) betrieben. Mit dem brillanten Röntgenlicht können die EMBL-Biologen den atomaren Aufbau von Proteinen entschlüsseln. Dadurch kommen sie den Mechanismen auf die Spur, die hinter der Entstehung von Krankheiten stecken. Ein Beispiel ist die Tuberkulose: Am DESY konnten bislang die Strukturen von etwa fünfzig Proteinen des Tuberkulose-Bakteriums aufgeklärt werden. Einige davon könnten mögliche Angriffspunkte für künftige Medikamente bieten.

An einer weiteren Beamline von PETRA III gelang es Forschern der Universität Göttingen erstmals, lebende Krebszellen mit der energiereichen Röntgenstrahlung zu untersuchen. Die Strukturen konnten dabei noch im Nanometerbereich in hoher Auflösung abgebildet werden. Im Jahr 2017 wird mit dem Zentrum für Struktur- und Systembiologie (CSSB) eine interdisziplinäre Forschungseinrichtung ihren Betrieb auf dem DESY-Campus aufnehmen, deren Schwerpunkt auf der Infektionsforschung liegen soll. Für ihre Untersuchungen an Krankheitserregern werden die Forscher am CSSB auch das Röntgenlicht von PETRA III nutzen.

Röntgenuntersuchung von Lithium-Ionen-Akkus
Röntgenuntersuchung von Lithium-Ionen-Akkus

PETRA III bietet außerdem vielseitige Möglichkeiten für die Materialwissenschaften, denn die Anlage kann sehr harte, kurzwellige Röntgenstrahlung erzeugen, die tiefer in Materie eindringt als weiches Röntgenlicht. Damit können Materialforscher unter anderem beobachten, was während der Bearbeitung in Werkstoffen passiert, etwa beim Schneiden oder Laserschweißen. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse helfen dabei, industrielle Produktionsprozesse zu optimieren.

Auch für Chemiker und Energieforscher ist PETRA III ein leistungsfähiges Werkzeug. So lassen sich mit den Röntgenstrahlen atomare Vorgänge auf den Oberflächen von Katalysatoren in Echtzeit verfolgen. Katalysatoren gibt es nicht nur in Autos, sondern sie sind wichtige Stoffe für die chemische Industrie, die Reaktionen beschleunigen und Reaktionsenergien absenken. Die Untersuchungen an PETRA III tragen dazu bei, dass bessere und kostengünstigere Katalysatoren für chemische Prozesse entwickelt werden können. Mithilfe von PETRA III konnten Forscher zudem erstmals Strukturschäden in den heute gängigen Lithium-Ionen-Akkus ablichten, die durch zu schnelles Laden entstehen. Solche Untersuchungen schaffen die Voraussetzungen für bessere Energiespeicher.

Erweiterung von PETRA III

Um der hohen Nachfrage zu begegnen und die hochenergetische Röntgenstrahlung von PETRA III einem noch größeren Nutzerkreis zugänglich zu machen, hat DESY zwei weitere Experimentierhallen nördlich und östlich der existierenden Max-von-Laue-Halle errichtet. Auf einer Fläche von insgesamt etwa 6000 Quadratmetern können bis zu zehn neue Strahlführungen für weitere Experimente mit dem hochintensiven Röntgenlicht Platz finden, von denen gegenwärtig acht aufgebaut werden.

Im Frühjahr 2016 gingen bereits zwei Messplätze für die sogenannte Röntgen-Absorptionsspektroskopie in Betrieb und werden seither von internationalen Forschergruppen für wissenschaftliche Experimente genutzt. Mit dieser Methode lassen sich physikalische und chemische Strukturinformationen auf atomarer Skala gewinnen, die beispielsweise für die angewandte Katalyseforschung von großer Bedeutung sind. Drei der derzeit noch im Aufbau befindlichen Anlagen werden in internationaler Kooperation realisiert. So finanziert Schweden eine Strahlführung für Materialforschung mit Röntgenmethoden bei hohen Energien, Indien beteiligt sich am Aufbau einer Experimentierstrecke für Elektronenspektroskopie mit Röntgenstrahlung und Russland kooperiert beim Aufbau eines Messplatzes für Röntgenbeugungsexperimente auf Gebieten der Nanotechnologie.

Die Erweiterung von PETRA III wird durch Ausbaumittel der Helmholtz-Gemeinschaft, DESY-Eigenbeiträge, BMBF Mittel sowie Beiträge in- und ausländische Partner finanziert. Zusätzlich steuert das BMBF in Rahmen der Verbundforschung Mittel für den Aufbau innovativer Instrumentierung an den neuen Messplätzen bei, die sukzessiv bis Ende 2018 in Betrieb genommen werden. Die Einweihung und Namensgebung der beiden neuen Hallen findet am 14. September 2016 statt.

Steckbrief PETRA III

Typ:

Synchrotronstrahlungsquelle

Technologie:

Speicherring der dritten Generation mit Undulatoren und Wigglern

Standort:

Hamburg

Betreiber: 

Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)

Baukosten:

234 Millionen Euro

Inbetriebnahme:

2009

Umfang des Speicherrings:

2,3 Kilometer

Strahlenergie:

6 Gigaelektronenvolt

Wellenlänge der Synchrotronstrahlung:

12,4 bis 124 Kiloelektronvolt

Wellenlänge der Röntgenstrahlung:

4 Nanometer bis 0,01 Nanometer (harter Röntgenbereich)

Brillanz der Röntgenstrahlung:

8⋅1021 Photonen pro Sekunde, Quadratmillimeter, Quadratmilliradians und 0,1 % Bandbreite

Horizontale Emittanz:

1 Nanometer-Radiant (gebräuchliche Einheit)

Strahlstrom:

100 Milliampere

Anzahl der umlaufenden Teilchenpakete:

40, 60, 480 oder 960

Messplätze:

14

Experimente:

30

Erweiterung von PETRA III:

zwei neue Hallen mit je fünf Strahlführungen, Einweihung im September 2016