Synchrotronstrahlung
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Als Synchrotron-Strahlung bezeichnet man die elektromagnetischen Wellen, die in Vorwärtsrichtung austreten, wenn leichte, geladene, relativistische Teilchen (Elektronen oder Positronen) durch ein Magnetfeld tangential zu ihrer Bewegungsrichtung abgelenkt werden.
Will man Synchrotronstrahlung künstlich erzeugen, so greift man, entgegen des Namens, nicht auf Synchrotrone zurück, sondern nimmt Speicherringe, da bei ihnen die Energie des Teilchenstrahls und somit die Intensität und das Spektrum der Synchrotronstrahlung konstant bleibt.
Es existiert eine Reihe von Laboratorien für die Erzeugung von Synchrotronstrahlung auf der Welt und in Deutschland beispielsweise BESSY in Berlin, das HASYLAB in Hamburg, ANKA in Karlsruhe und andere. Eine natürliche Quelle für Synchrotronstrahlung im All ist z.B. der Jupiter, der laufend seine Monde mit dieser Art der Strahlung beschiesst.
Synchrotronstrahlung hat eine Reihe interessanter Eigenschaften für die Anwendung in Wissenschaft und Technik:
- sehr breites, kontinuierliches Spektrum vom infraroten über den sichtbaren Spektralbereich, ins ultraviolett bis tief in den Bereich der Röntgenstrahlung
- hohe Strahlungsintensität im Vergleich zu anderen Strahlungsquellen außer Lasern
- die Strahlung tritt gebündelt aus
- abhängig von der Qualität des Elektronenstrahls eine sehr hohe Brillanz
- die Strahlung ist polarisiert, in der Ebene des Synchrotrons linear, darunter und darüber mehr oder weniger stark elliptisch
- sie ist gepulst, die Pulsfrequenz und -dauer sind (in engen Grenzen) einstellbar
- exakte Berechenbarkeit des abgegebenen Spektrums, daher geeignet als Strahlungsnormal zur Eichung von Strahlungsquellen oder -detektoren
Man unterscheidet Quellen der ersten, zweiten, dritten und vierten Generation. Diese unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Brillanz der emittierten Strahlung.
- Bei der ersten Generation wurden Teilchenbeschleuniger der Teilchenphysik (Synchrotrons) "parasitär" verwendet.
- In der zweiten Generation werden Synchrotronstrahlungsquellen allein zur Erzeugung der Strahlung gebaut, dabei speichert man die beschleunigten Teilchen für mehrere Stunden in Speicherringen und erreicht damit konstante Arbeitsbedingungen. Die Erzeugung der Strahlung erfolgt in speziellen Magnetstrukturen, den Dipolmagneten und Wigglern.
- Die dritte Generation bilden die Undulatoren. Mit ihnen ist die Erzeugung brillanterer Strahlung möglich, als mit Wigglern.
- Freie-Elektronen-Lasern (FEL) stellen die vierte Generation dar. Erste Anlagen sind FELICITA am DELTA an der Universität Dortmund und der VUV-FEL am HASYLAB im DESY in Hamburg.
In der Astronomie tritt Synchrotronstrahlung immer dann auf, wenn sich ein heißes Plasma in einem Magnetfeld befindet. Beispiele für kosmische Synchrotronquellen sind Pulsare, Radiogalaxien und Quasare.
Die Synchrotronstrahlung kann genutzt werden für die
- Oberflächenphysik
- Materialwissenschaften
- Chemie
- Röntgentiefenlithographie
- Molekularbiologie
- Biophysik und
- Medizin
