Was ist eine Synchrotronstrahlungsquelle?
Eine Synchrotronstrahlungsquelle nutzt Ablenkmagnete, um hochenergetische Elektronenpakete in einem ringförmigen Synchrotronbeschleuniger nahezu mit Lichtgeschwindigkeit zirkulieren zu lassen. Entlang der tangentialen Richtung ihrer abgelenkten Bahn emittieren die Elektronen ein kontinuierliches Spektrum elektromagnetischer Wellen. Diese spontane Strahlung der Elektronen zeichnet sich durch hohe Intensität und ein breites Spektrum aus, wodurch die gewünschte Wellenlänge beliebig ausgewählt und stufenlos eingestellt werden kann. Daher hat sie sich zu einer neuen Art von Lichtquelle für die wissenschaftliche Forschung entwickelt.
Hauptstruktur der Lichtquelle:
Es besteht im Wesentlichen aus einem Linearbeschleuniger, einem Booster, einem Speicherring, Strahlführungen und Experimentierstationen.
Entwicklungsgeschichte:
Eigenschaften der Lichtquelle
- Hohe Intensität
Beispielsweise benötigt die Aufnahme eines Röntgenbildes von Kristallfehlern mit einem herkömmlichen Röntgengerät üblicherweise 7–15 Tage Belichtungszeit, während die Verwendung einer Synchrotronstrahlungsquelle nur wenige Sekunden oder Minuten in Anspruch nimmt. Die Arbeitseffizienz wird dadurch um Zehntausende Male gesteigert. Die hohe Leuchtkraft ermöglicht es der Synchrotronstrahlung, viele Aufgaben zu erfüllen, die mit herkömmlichen Lichtquellen nicht möglich sind. - Breites Spektrum
Synchrotronstrahlung deckt einen breiten Spektralbereich ab, der von Infrarot, sichtbarem Licht, Vakuum-Ultraviolett und weichen Röntgenstrahlen bis hin zu harten Röntgenstrahlen reicht. Sie ist derzeit die einzige Lichtquelle, die einen so breiten Bereich abdecken und gleichzeitig eine hohe Leuchtkraft liefern kann. - Hohe Kollimation
Die durch optische Komponenten extrahierte Synchrotronstrahlung weist eine exzellente Kollimation auf. Nach der Fokussierung lässt sich die Helligkeit deutlich erhöhen, wodurch die Untersuchung extrem kleiner Proben und Spurenelemente in Materialien möglich wird. - Gepulste Natur
Synchrotronstrahlung wird von Elektronenpaketen emittiert, die periodisch im Speicherring zirkulieren und so eine Zeitstruktur von Pulsen im Bereich von Nanosekunden bis Mikrosekunden erzeugen. Diese Eigenschaft ermöglicht die Untersuchung zeitabhängiger Prozesse wie chemischer Reaktionen, physikalischer Anregungen und biologischer Zellveränderungen. - Polarisation
Ähnlich wie sichtbares Licht kann die vom Speicherring emittierte Synchrotronstrahlung je nach Beobachtungswinkel linear oder zirkular polarisiert sein. Diese Eigenschaft kann genutzt werden, um die Orientierung bestimmter Parameter in Proben zu untersuchen.
Hauptanwendungen:
Technische Werkstoffe
Die HEPS-Beamline für technische Werkstoffe bietet zerstörungsfreie Prüfverfahren mit hoher Eindringtiefe, multiskaliger Ortsauflösung, hoher Dichteempfindlichkeit, hoher Winkelauflösung und Weitfeldcharakteristik. Sie ermöglicht zerstörungsfreie, mehrdimensionale und multiskalige Untersuchungen der Mikro- und Mesostruktur von technischen Werkstoffen sowie der Verteilung von Eigenspannungen. Darüber hinaus unterstützt sie die Forschung zu den Zusammenhängen zwischen Fertigungs- und Verarbeitungstechniken, Belastungs- und Umgebungsbedingungen und dem makroskopischen Gebrauchsverhalten von Werkstoffen.
Hochleistungsmaterialien
Industrieller 3D-Druck ist als Vertreter fortschrittlicher Fertigungstechnologien ein Schlüsselelement der Strategie „Made in China 2025“. Komplexe Verarbeitungsprozesse führen häufig zu mikrostrukturellen Veränderungen und Eigenspannungen, was die Materialeigenschaften beeinträchtigt und vorzeitigen Ausfall zur Folge haben kann. HEPS ermöglicht die zerstörungsfreie Echtzeit-Diagnostik von Verarbeitungs- und Betriebsbedingungen vor Ort und liefert so wichtige Erkenntnisse über den Zusammenhang zwischen Mikrostruktur und Leistung. Dies trägt zur Verbesserung der Zuverlässigkeit fortschrittlicher Werkstoffe bei.
Katalyse und Energie
Der Schlüssel zu effizienten, sauberen und erneuerbaren Anwendungen grüner Energie liegt im Verständnis chemisch-katalytischer Reaktionsprozesse sowie in der Erzielung kontrollierbarer Katalyse auf molekularer und nanoskaliger Ebene. Solche Studien erfordern Synchrotronstrahlungsanlagen mit hohem Röntgenfluss, hoher Brillanz, exzellenter zeitlicher und räumlicher Auflösung sowie der Möglichkeit, In-situ- und Operando-Experimente unter realistischen Bedingungen durchzuführen. Nur Synchrotronstrahlungsanlagen mit hoher Brillanz und extrem niedriger Emittanz können diese Forschungsbedingungen bieten.
Neue Energie
Schieferöl und -gas rücken in der globalen Rohstoffgewinnung immer stärker in den Fokus. Mithilfe der Nano-CT-Technologie von HEPS lassen sich Schieferstrukturen dreidimensionale Bilder mit Nanometerauflösung erzeugen. Dadurch werden die räumliche Verteilung der Schieferporen sichtbar und Parameter wie Porenkonnektivität, Porengrößenverteilung und Porenvolumen ermittelt. Kleinwinkelstreuungsmethoden ermöglichen zudem die Auflösung von Nanoporen und deren Verteilung in verschiedenen Maßstäben und liefern so wissenschaftliche Daten zur Untersuchung der Speichereigenschaften von Schieferöl und -gas.
Globale Verteilung von Synchrotronlichtquellen
Synchrotronstrahlungsquellen finden breite Anwendung in der Volkswirtschaft, der wissenschaftlichen Forschung und der Verteidigungsindustrie, wobei verschiedene magnetische Materialien einen wesentlichen Bestandteil darstellen.
