Schlüsselkompetenzen BESSY III: Die Undulatoren

Undulatoren aus dem HZB kommen nicht nur im Elektronenspeicherring BESSY II zum Einsatz. Auch  an anderen Großforschungseinrichtungen erfreuen sie sich großer Beliebtheit.

Das HZB hat bereits an renommierte Zentren wie das Paul Scherrer Institut in der Schweiz, das DESY in Hamburg oder das MAX IV in Schweden Undulatoren geliefert. Undulatoren sind Schlüsselkomponenten beim Betrieb von Elektronenspeicherringen. Die Elektronen durchlaufen dabei komplexe Magnetstrukturen und werden zu einer wellenförmigen Flugbahn gezwungen. Dadurch wird Synchrotronstrahlung von großer Brillanz erzeugt.

Doch warum sind die Undulatoren aus dem HZB so beliebt? „Das HZB ist eine der wenigen Einrichtungen, die von an Anfang an Undulatoren entwickelt, gebaut und gleichzeitig betrieben haben. Seit der Planung von BESSY II sind wir am Start“, erzählt der Abteilungsleiter Johannes Bahrdt. „Durch unsere mehr als 25-jährige Erfahrung sind wir weltweit ganz vorne, was die theoretischen Berechnungen und die Konstruktion der Undulatoren anbelangt. Ein weiterer Pluspunkt: Wir pflegen den direkten Kontakt zu den Nutzerinnen und Nutzern, kennen deren Wünsche und entwickeln so neue Konzepte für Undulatoren, die genau den Bedarf erfüllen.“

"So war es auch beim Undulator CPMU17, der im September 2018 in den Speicherring BESSY II eingebaut wurde. Das Projektteam des EMIL-Labors kam bereits in der Planungsphase auf Bahrdts Abteilung zu. „Das Alleinstellungsmerkmal des EMIL-Labors ist, dass Forschende ihre Materialproben in einem sehr weiten Energiebereich untersuchen können“, sagt Abteilungsleiter Marcus Bär, der die Messplätze SISSY I und SISSY II im EMIL-Labor betreut. „Doch dafür benötigten wir zwei verschiedene Strahlrohre: eins für das weiche Röntgenlicht und eins für den etwas härteren Photonenbereich.“

Für Bahrdts Team bedeutete dies, zwei Undulatoren mit komplett unterschiedlichen Magnetstrukturen und Bauweisen zu entwickeln. Beim Undulator CPMU17 befinden sich die Magnetstrukturen in einer Vakuumkammer und werden mit flüssigem Stickstoff gekühlt (kryogener In-Vakuum-Undulator). Dadurch lassen sich deutlich stärkere Magnetfelder zum Ablenken der Elektronen erzeugen. „Mit diesem neuentwickelten Undulator bedienen wir erstmals BESSY II-Anwender im tender-X-Ray Bereich mit hochbrillanter Strahlung und holen das Maximale an Photonenenergie aus unserem Niedrigenergie-Speicherring heraus“, sagt Bahrdt.

BESSY II wird mit einer Elektronenenergie von 1,7 GeV betrieben, die optimal für Untersuchungen mit weichem Röntgenlicht ist. Weil die Elektronenenergie bei BESSY II vergleichsweise niedrig ist, entstehen viel stärkere unerwünschte Wechselwirkungen mit der Maschine als anderswo. „Für jeden Undulator müssen wir diese Effekte berechnen und aufwendig kompensieren“, sagt Bahrdt. „Hier verstehen wir Theorie und Handwerk jedoch mittlerweile so gut wie kaum ein anderer.“ Dieses Wissen ist auch für das angestrebte Nachfolgegerät BESSY III unentbehrlich, das ebenfalls wieder auf den weichen Röntgenbereich spezialisiert sein soll.

In der Zwischenzeit freut sich Johannes Bahrdt, die Grenzen des physikalisch Machbaren weiter auszureizen: Im neuesten Projekt will er mit seinem Team die Vorteile von zwei verschiedenen Undulator-Typen kombinieren und die APPLE-Undulatoren mit der in-Vakuum-Technologie verschmelzen. Der neu entwickelte Undulator soll den RIXS -Messplatz und die Röntgenmikroskopie an BESSY II mit variabel polarisiertem Licht versorgen. Das Projekt wird über das Helmholtz-Beschleunigerprojekt ATHENA gefördert und verleiht der Undulatorentwicklung am HZBHZ viel Sichtbarkeit.

Im nächsten Schritt ist ein kyrogener in-Vakuum-APPLE-Undulator geplant, der bei einem Laser-Plasma-Beschleuniger am DESY zum Einsatz kommen wird. „Wir beschäftigen uns hierbei mit Magnetstrukturen, die für runde Elektronenstrahlen geeignet sind, wie sie in FELs und beugungsbegrenzten Speicherringen erzeugt werden. Gleichzeitig entwickeln wir neue Technologien, unter anderem ein Lötverfahren, um Magnete vakuumtauglich zu verbinden. Bei diesen Projekten lernen wir ungemein viel für BESSY III“, ist sich Johannes Bahrdt sicher.