Berliner Elektronenspeicherringhalle für Synchrotronstrahlung

Die Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung m.b.H. (BESSY) war der Name einer Forschungseinrichtung in Berlin, die durch Bereitstellung von Synchrotronstrahlung Dienstleistungen für Wissenschaft und die Industrie erbrachte. Die Betreibergesellschaft wurde am 5. März 1979 zur Errichtung und Betrieb einer Elektronenspeicherringanlage gegründet. Am 11. November 2009 ist die BESSY GmbH mit dem bereits vorher zum Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) umbenannten Hahn-Meitner-Institut (HMI) verschmolzen worden. Die BESSY GmbH schied dadurch aus der Leibniz-Gemeinschaft aus, das HZB gehört zur Helmholtz-Gemeinschaft.

Die Synchrotronlichtquelle BESSY II wird am Standort in Berlin-Adlershof betrieben. Jährlich kommen rund 2000 externe Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler an BESSY II, um dort Messungen durchzuführen.

BESSY II

Blick auf den Speicherring von BESSY II: das große blaue Bauteil ist ein Undulator, weiter im Hintergrund befinden sich Ablenkmagnete Ablenkmagnete am Speicherring von BESSY II

Der Erfolg von BESSY I führte zu einer steigenden Nachfrage nach Synchrotronstrahlung, so dass der Beschluss für einen leistungsfähigeren Strahlengenerator, eine Hochbrillanzstrahlungsquelle, gefasst wurde.

Am 4. Juli 1994 wurde mit dem Bau von BESSY II in Berlin-Adlershof begonnen, am 4. September 1998 konnte BESSY II eingeweiht werden. Das 200 Millionen D-Mark (umgerechnet 102 Millionen Euro) teure Projekt besteht aus einem Synchrotron mit einem Umfang von 96 Metern sowie dem eigentlichen Elektronenspeicherring mit einem Umfang von 240 Metern und einer Experimentierhalle.

Es werden Elektronen auf eine Energie von maximal 1,7 GeV beschleunigt und in den Speicherring injiziert. Ein maximaler Ringstrom von 300 mA ist möglich. Sowohl an Ablenkmagneten wie auch an Undulatoren werden Lichtpulse erzeugt. Je nach Art der Ablenkung (Undulator, Wiggler oder Dipol) können Photonenenergien bis etwa 15 keV erreicht werden. Das theoretische Maximum von 1,7 GeV würde man nur dann erreichen, wenn man die auf ebendiese Energie beschleunigten Elektronen auf ein Target richtet und abbremst; die Bremsstrahlung hätte dann die erwarteten 1,7 GeV (vgl. mit der Funktionsweise einer Röntgenröhre und das Duane-Hunt-Gesetz). Die Anlage verbraucht im Normalbetrieb 2,7 MW elektrische Leistung.

Die PTB unterhält am BESSY mehrere Beamlines, an welchen sowohl undulator- als auch dipolbasierte Synchrotronstrahlung erzeugt wird und unter anderem zur Photonen-Metrologie Verwendung finden. Da die PTB mit Hilfe des BESSY vielfach Kalibrierungen von Lichtquellen und Detektoren verschiedenster Art vornimmt, ist das BESSY II in diesem Zusammenhang das europäische Strahlungsnormal. Als Beispiel kann hier der SUMER und CDS des SOHO-Satelliten zur Erforschung der Sonne genannt werden.

Am 24. September 2004 wurde damit begonnen, in direkter Nachbarschaft die Metrology Light Source (MLS), auch bekannt als Willy-Wien-Laboratorium, ein Projekt der PTB, zu bauen. Diese ist im Frühjahr 2008 in Betrieb gegangen und wird unter anderem ähnliche Aufgaben wie BESSY I übernehmen. Das MLS hat einen Umfang von 48 Metern.

Es gibt verschiedene Modi, in denen BESSY betrieben wird. Diese unterscheiden sich im zeitlichen Abstand der Elektronenpakete:

• Multibunch: Dies ist der Betriebsmodus, der meist verwendet wird. Hier befinden sich etwa 350 gleich gefüllte Elektronenpakete im Ring mit einem zeitlichen Abstand von 2 ns zueinander. Zwischen den Paketen wird eine Lücke von etwa 100 ns gelassen, in der sich nur vier einzelne, aber stärker gefüllte Elektronenpakete befinden (zusammen „Hybridfüllung“). Diese Pakete werden an einer speziellen Beamline zur Erzeugung sehr kurzer Lichtpulse verwendet. Normalerweise befindet sich das Synchrotron im Top up modus d. h. durch fortwährende Injektion wird die Füllung aller Pakete konstant gehalten. ,
• Singlebunch: Dieser Betrieb wird zwei Wochen im Halbjahr angeboten. Hier befindet sich nur ein einzelnes Elektronenpaket im Ring. Dieser Betrieb eignet sich für zeitaufgelöste Experimente, da hier der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtpulsen 800 ns beträgt, so dass sich diese gut voneinander unterscheiden lassen.
• Low-Alpha: Im Low-Alpha-Modus (sowohl Singlebunch, wie auch Multibunch) sind die Elektronenpakete räumlich stark konzentriert (bei geringerer Füllung), so dass zeitlich kurze Lichtpulse erzeugt werden. Weiterhin ist in diesem Modus die abgestrahlte Intensität im Terahertz-Bereich sehr viel größer.

Die Zukunftsprojekte an BESSY II

BESSY II wird kontinuierlich weiter entwickelt, um die Bedingungen für die Forschung zu verbessern und maßgeschneiderte Lichtpulse der benötigten Qualität zu liefern. Wichtige Zukunftsprojekte für BESSY II sind:

• BESSY VSR: zurzeit liefert BESSY II im Regelbetrieb einen hohen Photonenfluss bei einer festen Pulslänge von 17 Pikosekunden. Nur wenige Tage im Jahr wird der Betrieb umgeschaltet, so dass Proben auch mit Pulsen von etwa zwei Pikosekunden untersucht werden können. Dabei wird jedoch der Photonenfluss sehr stark reduziert. Dies soll sich durch das neue Konzept BESSY VSR (Variable Pulslängen-Speicherring) verändern: An jeder einzelnen Beamline und für jedes Experiment können dann die Forschenden die benötigte Pulslänge frei bestimmen, und zwar ohne Verlust an Intensität. Damit schließt BESSY VSR die Lücke zwischen Speicherringen wie PETRA III und Freien Elektronen Lasern.
• bERLinPro: Hier geht es darum, eine neuartige Beschleunigertechnologie weiterzuentwickeln. bERLinPro soll nun zeigen, dass ein Elektronenstrahl höchster Intensität und Dichte durch ein Strahlführungssystem geleitet und dann so zum Linearbeschleuniger zurück transportiert werden kann, dass die Elektronen dort ihre Energie an das Feld zurückgeben. Die zurück gewonnene Energie des Strahls steht dann zur Verfügung, um einen frisch erzeugten Elektronenstrahl zu beschleunigen – der wiederum die gleichen exzellenten Parameter aufweist wie der Strahl aus dem Umlauf zuvor.

Text übernommen vom Wikipedia-Artikel "Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung" und überarbeitet am 23. Juli 2019 unter der Lizenz CC-BY-SA 4.0 International.