Synchrotron für Anfänger

Im Grunde genommen ist der Berliner Elektronenspeicherring für Synchrotronstrahlung nichts anderes als eine riesige Lampe. Sein Licht unterscheidet sich allerdings deutlich von dem einer Glühbirne oder Leuchtstoffröhre. Für die Erzeugung von Synchrotronstrahlungen benötigt man zunächst frei fliegende Elektronen. Diese werden so stark beschleunigt, dass sie sich fast mit Lichtgeschwindigkeit bewegen. Das alles geschieht im Synchrotron. Haben die Elektronen die gewünschte Geschwindigkeit erreicht, werden sie aus dem Synchrotron entlassen. Über ein Verbindungsrohr gelangen sie in den Speicherring, einen Edelstahlring, der innen hohl ist und in dem Vakuum herrscht, wie im Synchrotron und im Verbindungsrohr. Haben die Elektronen den Ring erreicht, fliegen sie magnetisch gelenkt so lange im Kreis, bis sie schließlich doch mit einem verirrten Atom zusammenstoßen oder gegen die Wand prallen.

Doch woher kommt das Licht? Es entsteht immer dann, wenn die Elektronen schneller oder langsamer werden, oder wenn sie ihre Richtung ändern. Der Speicherring ist zwar nicht exakt kreisrund, aber er hat gekrümmte Stellen. An diesen müssen die Elektronen ihre Flugrichtung ändern, das heißt sie senden Licht aus. Das Gleiche geschieht an Magnetkombinationen, durch die die Elektronen dazu gezwungen werden, ein kleines Stück ihrer Bahn in ”Schlangenlinien" zurückzulegen. Die dabei erzeugte Strahlung liegt in einem Frequenzbereich, der weit unterhalb des sichtbaren Lichtes anfängt und erst viel später wieder aufhört und von keiner anderen Lichtquelle erzeugt werden kann. Im Vergleich zu vielen anderen Lampen hat das Synchrotronlicht noch eine besondere Eigenschaft: Es läuft in scharf gebündelten Strahlen tangential zum Speicherring. So, wie die Elektronen über ein Rohr in den Speicherring hineingekommen sind, können die Lichtstrahlen durch ein Rohr, das man Strahlrohr nennt, aus dem Speicherring ausgekoppelt werden. Am Ende des Strahlrohrs ist das Experiment aufgebaut. Man kann entweder das Licht direkt nutzen, zum Beispiel in einem Röntgenmikroskop, um mit viel höherer Vergrößerung als in einem Lichtmikroskop winzig kleine Strukturen zu erkennen. Oder man kann das Licht als Werkzeug nutzen, zum Beispiel in der Lithographie, um Materialien zu strukturieren, aus denen Zahnräder, Getriebe und andere Teile entstehen, deren Größe weit unter Haaresbreite liegt. Und man kann das Licht nutzen, um aus dem Material, das man untersuchen will, Elektronen herauszuschlagen. Diese so genannten Photoelektronen geben zum Beispiel Auskunft darüber, welche Atomsorten ein Material enthält oder wie ein Kristall aufgebaut ist. Diese Informationen zu entschlüsseln ist Aufgabe der Wissenschaftler.

urs