Synchrotronstrahlung

Als Synchrotron-Strahlung bezeichnet man die elektromagnetischen Wellen, die tangential zur Bewegungsrichtung von leichten, geladenen, relativistischen Teilchen (Elektronen oder Positronen) austreten, wenn sie durch ein Magnetfeld abgelenkt werden. Da die Ablenkung im physikalischen Sinne eine Beschleunigung (Änderung des Geschwindigkeitsvektors) darstellt, handelt es sich um eine besondere Form der Bremsstrahlung.

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Erzeugung

Will man Synchrotronstrahlung künstlich erzeugen, benutzt man streng genommen nicht Synchrotrone, sondern Speicherringe. Während in Synchrotronen die geladenen Teilchen weiter beschleunigt werden, wird bei einem Speicherring nur der Energieverlust stets ausgeglichen, um die Energie des Teilchenstrahls und somit das Energiespektrum der Synchrotronstrahlung konstant zu halten.

Für die Erzeugung von Synchrotronstrahlung existieren weltweit etwa 30 Laboratorien. In Deutschland sind das unter anderem BESSY in Berlin, das DESY in Hamburg, die ELSA an der Universität Bonn, DELTA an der Technischen Universität Dortmund und ANKA in Karlsruhe. Eine natürliche Quelle für Synchrotronstrahlung im All ist z. B. der Jupiter, der seine Monde mit dieser Art der Strahlung beschießt.

Eigenschaften

Synchrotronstrahlung hat eine Reihe interessanter Eigenschaften für die Anwendung in Wissenschaft und Technik:

• sehr breites, kontinuierliches Spektrum vom infraroten über den sichtbaren Spektralbereich, ins ultraviolett bis tief in den Bereich der Röntgenstrahlung
• hohe Strahlungsintensität im Vergleich zu anderen Strahlungsquellen außer Lasern
• die Strahlung tritt gebündelt aus
• abhängig von der Qualität des Elektronenstrahls eine sehr hohe Brillanz
• die Strahlung ist polarisiert, in der Ebene des Synchrotrons linear, darunter und darüber mehr oder weniger stark elliptisch
• sie ist gepulst, die Pulsfrequenz und -dauer sind (in engen Grenzen) einstellbar
• exakte Berechenbarkeit des abgegebenen Spektrums, daher geeignet als Strahlungsnormal zur Eichung von Strahlungsquellen oder -detektoren

Brillanzunterschiede

Man unterscheidet Quellen der ersten, zweiten, dritten und vierten Generation. Diese unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Brillanz der emittierten Strahlung.

• Bei der ersten Generation wurden Teilchenbeschleuniger der Teilchenphysik (Synchrotrons) „parasitär“ verwendet.
• In der zweiten Generation werden Synchrotronstrahlungsquellen allein zur Erzeugung der Strahlung gebaut, dabei speichert man die beschleunigten Teilchen für mehrere Stunden in Speicherringen und erreicht damit konstante Arbeitsbedingungen. Die Erzeugung der Strahlung erfolgt in speziellen Magnetstrukturen, den Dipolmagneten und Wigglern.
• Die dritte Generation bilden Synchrotrone mit Undulatoren im Speicherring. Mit Undulatoren kann eine brillantere Strahlung als mit Wigglern erzeugt werden.
• Freie-Elektronen-Laser (FEL) stellen die vierte Generation dar. Erste Anlagen sind FELICITA am DELTA an der TU Dortmund und der FLASH am DESY in Hamburg.

In der Astronomie tritt Synchrotronstrahlung immer dann auf, wenn sich ein heißes Plasma in einem Magnetfeld befindet. Beispiele für kosmische Synchrotronquellen sind Pulsare, Radiogalaxien und Quasare.

Verwendung

Die Synchrotronstrahlung kann genutzt werden für die

• Oberflächenphysik
• Materialwissenschaften
• Kristallstrukturanalyse
• Chemie
• Röntgentiefenlithographie
• Metrologie
• Mineralogie
• Molekularbiologie
• Biophysik und
• Medizin