Eine neue Quelle für Synchrotronstrahlung

Ein internationales Forschungsteam entwickelte nun ein Funktionsprinzip für eine neue Quelle für Synchrotron­strahlung. Durch Steady-State-Microbunching (SSMB) sollen in Zukunft effiziente und leistungs­starke Strahlungs­quellen für kohärente UV-Strahlung möglich werden. Das ist zum Beispiel für Anwendungen in der Grundlagen­forschung, aber auch der Halbleiter­industrie sehr interessant.

Wenn extrem schnelle Elektronen um die Kurve fliegen, senden sie Licht aus – Synchrotron­strahlung. Das wird in Speicher­ringen genutzt, in denen Magnete die Elektronen auf eine geschlossene Bahn zwingen. Dieses Licht ist longitudinal inkohärent und besteht aus einem breiten Spektrum an Wellenlängen. Durch seine hohe Brillanz ist es ein vortreff­liches Werkzeug für die Material­forschung. Durch Mono­chromatoren lassen sich zwar auch einzelne Wellenlängen aus dem Spektrum herauspicken aber dies reduziert die Strahlungs­leistung um viele Größenordnungen auf Werte von wenigen Watt.

Doch was wäre, wenn ein Speicherring stattdessen von sich aus mono­chromatisches, kohärentes Licht mit Leistungen von einigen Kilowatt, analog einem Hochleistungs­laser, liefern würde? Auf diese Frage fanden der Physiker Alexander Chao und sein Doktorand Daniel Ratner 2010 eine Antwort: Werden die in einem Speicherring kreisenden Elektronen­pakete kürzer als die Wellenlänge des von ihnen ausgesendeten Lichts, dann wird die emittierte Strahlung kohärent und dadurch millionenfach leistungs­stärker. „Dazu muss man wissen, dass die Elektronen in einem Speicherring nicht homogen verteilt kreisen“, erklärt Arnold Kruschinski. „Sie bewegen sich in Paketen mit einer typischen Länge von etwa einem Zentimeter und einem Abstand von etwa sechzig Zentimetern. Das ist sechs Größenordnungen mehr als die von Alexander Chao vorge­schlagenen Mikro-Bunche.“ 

Der chinesische Theoretiker Xiujie Deng hat für das Steady-State-Micro-Bunching-Projekt (SSMB) einen Satz von Einstellungen für einen bestimmten Typ von Kreis­beschleunigern definiert, die Isochrone oder „low-alpha“-Ringe. Mit diesen entstehen nach Wechselwirkung mit einem Laser viele kurze Teilchen­pakete, deren Länge und Abstand nur einen Mikrometer beträgt. Dass dies funktioniert, hat das Forschungsteam vom HZB, der Tsinghua University und der PTB bereits 2021 in einem Proof-of-Principle-Experiment nachgewiesen. Dafür nutzte es die Metrology Light Source (MLS) in Adlershof – den ersten für low-alpha Betrieb konzi­pierten Speicherring überhaupt. Das Team konnte nun in umfang­reichen Experimenten die Theorie von Deng zur Generierung von Mikro-Bunchen vollständig verifizieren. „Für uns ist das ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einer neuartigen SSMB-Strahlenquelle“, sagt Arnold Kruschinski.

Bis dahin wird es allerdings noch dauern, ist sich Projekt­leiter Jörg Feikes sicher. Er sieht beim SSMB viele Parallelen zur Entwicklung der Freie-Elektronen-Laser. „Nach ersten Experimenten und Jahrzehnten Entwicklungs­arbeit sind aus dieser Idee dann kilometer­lange, supra­leitende Beschleuniger geworden“, sagt er. „Solche Entwicklungen sind sehr langfristig. Am Anfang steht eine Idee, dann eine Theorie, und dann kommen Experimen­tatoren, die das nach und nach umsetzen und ich denke, dass sich SSMB genauso entwickeln wird.“

HZB / JOL