Die Perspektive von BERLinPro

Die Entwicklung von Linac basierten Lichtquellen bietet der Helmholtz-Gemeinschaft die einzigartige Chance, das komplette und komplementäre Spektrum an Synchrotronstrahlungsquellen (Freie-Elektronen Laser, Speicherringe und Energy Recovery Linacs) anzubieten und so ihre weltweit führende Position zu behaupten und weiter auszubauen. Derzeit stehen den Nutzern aus Universitäten, Forschungsinstituten und der Industrie in Deutschland Elektronenspeicherringe mit PETRA III und DORIS III (DESY, Hamburg) für den harten Röntgenbereich, ANKA (KIT, Karlsruhe) für den Infrarot/THz Bereich sowie komplementär BESSY II (HZB, Berlin) für den UV und weichen Röntgenbereich zur Verfügung. DORIS III wird voraussichtlich 2012 abgeschaltet werden. Die XFEL GmbH wird in Hamburg und Schleswig-Holstein im Jahr 2014 den weltweit brillantesten Freie-Elektronen-Laser mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,1 bis 6 Nanometern in Betrieb nehmen. Ebenfalls in Hamburg bei DESY existiert FLASH. Außerdem wird demnächst FLASH II gebaut, ein Freie-Elektronen- Laser, der den Nutzern komplementär zu XFEL kurzwellige ultraviolette Strahlung und weiches Röntgenlicht zur Verfügung stellen wird.

Mit BERLinPro am HZB in Berlin positioniert sich Deutschland an vorderster Front der Entwicklung zukünftiger Strahlungsquellen für eine große Zahl von Nutzern. Die mit BERLinPro gewonnenen Ergebnisse könnten später für die Realisierung einer großen ERL gestützten Lichtquelle genutzt werden und dann einer großen internationalen Forschergemeinde die nächsten Schritte zur Beantwortung der wichtigsten Fragen unserer Gesellschaft ermöglichen. Damit würde die deutsche Forschungslandschaft um ein einzigartiges Großgerät mit einmaligen Forschungsmöglichkeiten bereichert.

Nahaufnahme des an das Fab gebundenen
Farbstoffmoleküls Tetrasulfocyanine. Das Gitternetz
entspricht der experimentell bestimmten Elekronen-
dichteverteilung des Farbstoffmoleküls, auf dessen
Basis der Bindungsort am Fab bestimmt wurde.

Die ideale Kombination für die Forschung: ultimative Speicherringe, freie Elektronenlaser und ERL
Das Spektrum der Anwendung von Synchrotronstrahlung ist so breit gefächert wie die Aufgaben, die bewältigt werden müssen. Daher lässt sich das gesamte Spektrum der Messmöglichkeiten nicht in einer Anlage vereinen – auch nicht in einem ERL. Vielmehr muss das ganze Spektrum der Synchrotronstrahlungsquellen ausgebaut werden:

  • Mit den so genannten ultimativen Speicherring-Lichtquellen (Ultimate Storage Ring – USR) wird die Leistungsfähigkeit der Speicherringe auf die Spitze getrieben. In einem Ring von mehreren Kilometern Umfang wird noch intensivere und schärfer gebündelte Röntgenstrahlung erzeugt, als in konventionellen Speicherring-Lichtquellen. Mit diesen Maschinen lassen sich daher statische Strukturuntersuchungen an z. B. Proteinen mit höchster Auflösung durchführen. Allerdings ist die Länge der erzeugten Lichtpulse immer noch 1000mal größer als mit ERLs erreichbar: Experimente mit extremer Zeitauflösung sind nicht durchführbar.
  • Zur Untersuchung der Dynamik von Prozessen auf atomarer Ebene sind so genannte Freie-Elektronen-Laser (FEL) geeignet. Sie basieren auf einem Linearbeschleuniger, in dem ultrakurze Elektronenpakete mit hoher Energie beschleunigt werden, die dann in besonderen Magnetsystemen Lichtpulse erzeugen, die sich laserartig verstärken. Diese Lichtpulse sind so kurz und intensiv, dass sich Momentaufnahmen während der Entstehung von Molekülen bei chemischen Prozessen erstellen lassen. Es können auch kleinste Proben untersucht werden, die an anderen Lichtquellen unzureichende Signale liefern würden. Allerdings sind die Lichtpulse auch so intensiv, dass viele Experimente aufgrund der hohen Spitzenintensitäten der FEL Pulse nicht möglich sind. Zum Beispiel ist oft die zeitgleich auftretende Informationsmenge zu groß, um von der Datenerfassung bewältigt werden zu können. Im schlimmsten Fall wird sogar die Probe durch die Beleuchtung zerstört. Auch wird der große Bedarf an Nutzermesszeit sicherlich nicht von FELs gedeckt, da diese nur wenige Messstationen gleichzeitig bedienen können. FELs sind daher eher für Experimente unter extremen Bedingungen bei höchster Zeitauflösung das Großgerät der Wahl.
  • Der ERL vereinigt als einziger Beschleunigertyp die Vorteile der Speicherringe und Linearbeschleuniger: Er erlaubt sowohl statische Strukturuntersuchungen mit hoher Auflösung, als auch zeitaufgelöste Messungen der Dynamik der Struktur bei moderater Pulsintensität, die die Proben nicht zerstört. Da zwischen beiden Betriebsmodi schnell gewechselt werden kann, lassen sich diese Untersuchungen an der gleichen Probe innerhalb kurzer Zeit durchführen, ein ausschlaggebender Vorteil für viele Experimente. So können neue funktionale Materialien vollständig charakterisiert und für ihre speziellen Aufgaben, z. B. für den Einsatz in effizienten Energiespeichern, optimiert werden. Von entscheidendem Vorteil: ERL basierte Lichtquellen erlauben den gleichzeitigen Betrieb einer Vielzahl von Beamlines, so wie man es von Ringquellen kennt. Damit sind sie attraktiv für große Forschungsverbünde, die zur Bearbeitung ihrer wissenschaftlichen Fragestellungen mehrere Experimentierplätze gleichzeitig einsetzen, aber auch für kleinere universitäre Gruppen, die nur einzelne Messplätze nutzen.

Als Interessensvertretung der deutschen mit Synchrotronstrahlung experimentierenden Forscher erkennt das Komitee für Synchrotronstrahlung die Komplementarität von ultimativer Ringquelle, Freie-Elektronen-Laser und ERL an. Nur durch Nutzung aller verfügbarer Quellen und Technologien kann die gesamte Breite der Möglichkeiten des Experimentierens mit Synchrotronstrahlung abgedeckt werden. In der Studie „Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland, 2009“ empfiehlt es daher nachdrücklich die Weiterentwicklung von Ringquellen und Freie-Elektronen-Laser sowie der Durchführung einer Machbarkeitsstudie, um die ERL-Technologie zur Serienreife zu entwickeln. Diese Strategie wird auch in der Helmholtz Gemeinschaft verfolgt: Die großen Forschungszentren werden diese drei Linien der Beschleunigertechnologie erforschen.