Das HZB realisiert ein weltweit einmaliges Upgrade: BESSY II wird zum Variablen Pulslängenspeicherring BESSY VSR ausgebaut

Ein einzigartiges Ausbauprojekt für den Speicherring BESSY II steht an. Im Januar 2017 wurden die Weichen für die Finanzierung des Ausbaus gestellt. Andreas Jankowiak, Leiter des Instituts »Beschleunigerphysik« beschreibt die Herausforderungen auf dem Weg zu BESSY-VSR.

Zukunftspläne für den Speicherring: Andreas Jankowiak und viele weitere Kolleginnen und Kollegen arbeiten an den Herausforderungen zur Realisierung von BESSY-VSR.  Foto: HZB/A. Kubatzki


Herr Jankowiak, BESSY II ist jetzt fast 20 Jahre in Betrieb Was macht den Reiz aus, an so einer Maschine zu arbeiten und zu forschen, die in ihren mittleren Jahren ist?

Andreas Jankowiak: Nach der Zeit des Baus und der Inbetriebnahme ist das jetzt so ziemlich die spannendste Phase, die ich mir vorstellen kann. Zum einen ist unser Speicherring extrem zuverlässig und leistungsfähig. In der Community hat er sehr hohe Akzeptanz – hier wird von HZB-Forschern und von den externen Nutzern hervorragende Wissenschaft gemacht. Das andere und für mich persönlich vielleicht noch aufregendere ist die Weiterentwicklung von BESSY II: Durch unser VSR-Projekt wollen wir den Nutzern neue Möglichkeiten bieten, die sie ansonsten nirgendwo finden.

Bevor wir zu diesen Möglichkeiten kommen – was heißt »VSR« und was ist das zugrunde liegende Prinzip?

VSR heißt Variabler Pulslängen-Speicherring. Bisher ist es ja so, dass im BESSY II-Speicherring 400 Elektronenpakete zirkulieren, die alle gleich lang sind. Die Lichtpulse, die sie abgeben, haben eine hohe Photonendichte und eine Länge von etwa 20 Pikosekunden. Nur für zwei Wochen im Jahr schalten wir auf den Low-alpha-Betrieb um,  bei dem sich kürzere Elektronenpakete im Ring  befinden. Dieser Arbeitsmodus ist für Nutzer interessant, die sehr kurze Elektronenpulse von drei Pikosekunden für Messungen mit hoher Zeitauflösung oder zur Erzeugung von Terahertz-Strahlung  brauchen. Die Lichtstärke ist allerdings deutlich  niedriger als im Normalbetrieb.

Der VSR bedeutet eine Revolution: Damit können wir im Normalbetrieb sowohl lange als auch  kurze Elektronenpakete im Ring halten. An jeder Messstation stehen dann dauerhaft lange und kurze Lichtpulse zur Verfügung – alle mit gleich  hoher Lichtstärke. Die Nutzer können wählen,  was sie brauchen. Forscher, die insbesondere  auf kurze Pulse angewiesen sind, sind von unserem Konzept begeistert, weil es weltweit  einmalig ist.

Aber die Komponenten für BESSY VSR haben Sie ja wohl nicht in der Lagerhalle stehen und brauchen sie dann nur noch zusammenzuschrauben?

Nein, mit der Weichenstellung für die Finanzierung geht die Arbeit erst richtig los. Dann müssen wir die technischen Lösungen, die wir in der TDS skizziert haben, tatsächlich entwickeln, testen und zur Einsatzreife bringen. Dabei haben wir eine Menge Baustellen. Ganz zentral werden die supraleitenden Hochfrequenz-Kavitäten sein, mit denen die Elektronenpakete verkürzt werden. Davon brauchen wir zwei Paare, die jeweils mit unterschiedlichen Frequenzen arbeiten – zur Erzeugung der langen und kurzen Elektronenpakete. Als Erstes wird Jens Knobloch mit seinem Team das Kavitätenpaar für 1,5 Gigahertz entwickeln. Dafür ist viel Forschungsarbeit nötig, und wir werden eine Menge über Technologie und Beschleunigerphysik lernen. Sobald der erste Prototyp auf den Weg gebracht ist, beginnen wir mit der Entwicklung der 1,75 Gigahertz-Kavitäten. Die 1,5 Gigahertz-Kavitäten werden dann aber  zuerst in den Ring eingebaut. Wir müssen ihre Wirkung auf den Elektronenstrahl erproben. Erste zusätzliche Angebote für den Nutzerbetrieb sind denkbar. Ansonsten sind diese beiden Kavitäten stumm geschaltet – bis das zweite, das 1,75 Gigahertz-Paar einsatzbereit ist.

Und mit den Kavitäten haben Sie es dann geschafft?

Da hängt noch eine Menge mehr dran. Wir brauchen weitere Komponenten für die Strahlerzeugung und -führung. Zum Beispiel neuartige Hochfrequenzsender. Sie sind erforderlich, um die elektromagnetischen Felder für die Beschleunigung der Elektronen aufzubauen. Wir müssen aber auch die Infrastruktur anpassen. So brauchen wir eine neue Kryoanlage, um die Kavitäten so weit abzukühlen, dass sie supraleitend werden. Oder eine neue Bunch-Diagnostik: Wir werden mit VSR ja unterschiedlich lange Elektronenpakete zeitgleich im Ring haben. Damit wir den Nutzern genau definiertes Licht liefern können, müssen wir die Parameter jedes einzelnen Bunches positionsabhängig exakt bestimmen können. Das erfordert einiges an Aufwand. Sie sehen – VSR ist ein komplexes Projekt. Die Grundidee ist vergleichsweise einfach, aber die Detailfragen haben es in sich.

Und die Nutzer stehen jetzt schon Schlange?

Wir stehen in engem Austausch mit den Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern, die BESSY II derzeit nutzen, und diskutieren mit ihnen, was sie von uns erwarten und was wir leisten können. Alexander Föhlisch, Leiter des Instituts »Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung«, hat bereits 2013 mit den Kollegen des HZB und den BESSY- Nutzern den Scientific Case für BESSY-VSR  erarbeitet. Da haben wir viele wertvolle Erfahrungen gewonnen, was für die Community bei der Konzeption von BESSY VSR wichtig ist. Alexander ist eine der treibenden Kräfte, die die Nutzerperspektive im Fokus des Projekts halten. Die Nutzerkoordination hat mehrere Foresight-Workshops für die Weiterentwicklung von BESSY II angeboten. Damit hat sie eine Diskussionsplattform geschaffen, auf der Nutzer und solche Wissenschaftler, die später mal Nutzer werden möchten, über zukünftige Projekte und Forschungsaktivitäten diskutieren. Ziel ist es, neue Forschungsfelder für BESSY-VSR zu identifizieren und die Anforderungen an ein zukünftiges BESSY III zu definieren. Eine Maschine lebt davon, dass sie die Erwartungen der Wissenschaft erfüllt. An all diesen Diskussionen besteht seitens der Nutzer großes Interesse.

Nun haben Sie ja noch ein weiteres Großprojekt zu verantworten – bERLinPro. Sind zwei  solcher ambitionierten Vorhaben nicht ein wenig viel?

Wir sind mehr als gut ausgelastet, das ist keine  Frage Aber zwischen den beiden Projekten gibt es viele Verknüpfungen. Bei bERLinPro entsteht der Prototyp eines Energy Recovery Linacs, also eines Linearbeschleunigers, der die Energie aus den hoch energetischen Elektronenpaketen nach ihrem Flug durch das Strahlführungssystem zurückgewinnt. Die Kavitäten müssen ähnlichen Anforderungen entsprechen wie beim VSR. Die Synergien zwischen bERLinPro und VSR sind groß und werden, wenn der Personalaufbau für VSR abgeschlossen ist, beiden Projekten zugutekommen.

Und was kommt nach dem BESSY-VSR-Projekt?

Die Frage zielt auf BESSY III und damit sehr weit in die Zukunft, mindestens zehn bis fünfzehn Jahre. Aber sie ist natürlich berechtigt, denn das sind die Vorlaufzeiten für solche großen Projekte wie eine neue Synchrotronstrahlungsquelle. Wir dürfen da im Augenblick völlig frei denken. Ziel ist es, für die Nutzerschaft die optimale Maschine bereitzustellen. Auch zukünftig werden wir uns im niederenergetischen Wellenlängenbereich bewegen: Weiche Röntgenstrahlung ist unsere spezifische Nische, die wir behalten wollen. Und wir wollen natürlich auch weiterhin viele Nutzer gleichzeitig mit Licht höchster Brillanz und flexibel einstellbaren Parametern versorgen können. Wie ein Konzept für BESSY III im Detail aussieht, das muss sich in den kommenden Jahren zeigen. Mit VSR und bERLinPro leisten wir auf jeden Fall wichtige Beiträge zu dieser Diskussion.

Das Gespräch führte Hannes Schlender (Aktualisierung Februar 2017)