Die Beschleunigeranlage DELTA

DELTA ist eine Synchrotronstrahlungsquelle, bei der Elektronen mit einer Energie von 1,5 GeV in einem Speicherring umlaufen. In verschiedenen Magneten werden die Elektronen abgelenkt und emittieren dabei intensive Strahlung im extremen Ultraviolett- bis Röntgenbereich. TU-interne und externe Forschungsgruppen nutzen die Strahlung für Fragestellungen in der Physik, Chemie, Biologie und den Materialwissenschaften.

In der Elektronenquelle werden die Elektronen aus einer geheizten Oberfläche freigesetzt und mit einem elektrostatischen Feld beschleunigt. Im nachfolgenden Linearbeschleuniger „surfen“ die Elektronen auf einer Radiowelle (Frequenz 3 GHz bzw. Wellenlänge 10 cm) und erreichen eine Energie von ca. 90 MeV.

Aus dem Linearbeschleuniger (Linac) werden die Elektronenpakete durch den Transferkanal T1 in den eigentlichen Beschleuniger injiziert, das Booster-Synchrotron (BoDo), eine ringförmige Maschine mit einem Umfang von 50,4 m. An einer Stelle des Rings befindet sich ein Hohlraumresonator (DESY-Dreizeller), in dem eine Radiowelle (Frequenz 500 MHz bzw. Wellenlänge 60 cm) die Elektronen bei jedem Umlauf beschleunigt. Während die Elektronenenergie ansteigt, werden die Magnetfelder des Synchrotrons erhöht, sodass die Elektronenbahn sich nicht ändert. Nach ca. 3,5 Sekunden haben die Elektronen die Sollenergie von 1,5 GeV erreicht und werden mit gepulsten Magneten durch den Transferkanal T2 in den Speicherring gelenkt. Danach werden die Magnetfelder des Synchrotrons wieder reduziert.

Dieser Injektionsvorgang wiederholt sich alle 7 Sekunden und nach etwa einer Viertelstunde ist der Sollstrom im Speicherring erreicht.

Da die Elektronen im Speicherring durch Synchrotronstrahlung Energie verlieren, werden sie bei jedem Umlauf mit einer Radiowelle in zwei Hohlraumresonatoren nachbeschleunigt (ein DORIS-Resonator und ein neuerer EU-Resonator, beide mit Frequenz 500 MHz bzw. Wellenlänge 60 cm). Der Umfang des Rings von 115,2 entspricht dem 192-fachen der Radiowellenlänge. Die Umlaufzeit bei nahezu Lichtgeschwindigkeit beträgt 384 ns, die Frequenz der Umläufe ist demnach 2,6 MHz.

Der Sollstrom beträgt 130 mA, wobei sich ca. 312 Milliarden Elektronen im Ring befinden. Bei einer Strahllebensdauer von 30 Stunden geht pro Umlauf etwa ein Elektron verloren. Nach 12 Stunden hat sich der Strahlstrom um etwa ein Drittel reduziert und die Injektion wird wiederholt. In dieser Zeitspanne haben die Elektronen ca. 13 Milliarden Kilometer (86 Astronomische Einheiten!) zurückgelegt, was nur im Ultrahochvakuum möglich ist.

Im Nutzerbetrieb beträgt die Elektronenenergie 1,5 GeV, was beim Sollstrom von 130 mA einer Gesamtenergie des Strahls von 75 J entspricht. Im Prinzip können 192 Elektronenpakete entlang des Ringumfangs im Abstand der Radiowellenlänge gespeichert werden, doch wird mit 144 Paketen eine Lücke von 1/4 des Umfangs freigehalten, um einer Strahlinstabilität durch ionisierte Atome des Restgases in der Vakuumkammer entgegenzuwirken.

Beschleunigerstudien werden manchmal mit reduzierter Elektronenenergie durchgeführt. Statt der üblichen Füllung mit 144 Paketen findet oft ein Betrieb mit einen einzigen Elektronenpaket bei einem Strom von maximal 20 mA statt. In besonderen Fällen wird auch nur ein einzelnes Elektron gespeichert. In diesem Fall beträgt der Strom 0,42 pA.

Geladene Teilchen emittieren Strahlung, wenn sie beschleunigt werden. In der Praxis betrifft dies hauptsächlich Elektronen, die fast 2000-mal weniger Masse als ein Proton besitzen. Zum Beispiel werden Elektronen in einer Röntgenröhre abrupt abgebremst. Im Fall einer Kreisbeschleunigung, bei der die Elektronen nicht ihre Energie, sondern nur ihre Richtung ändern, wird die emittierte elektromagnetische Welle als Synchrotronstrahlung bezeichnet.

In einem Elektronenspeicherring wie DELTA entsteht Synchrotronstrahlung in jedem Dipolmagneten, in dem die Elektronen abgelenkt werden. Darüber hinaus gibt es periodische Anordnungen abwechselnd gepolter Magnete, sogenannte Wiggler und Undulatoren, in denen die Elektronen eine wellenförmige Bahn durchlaufen. Bei DELTA gibt es zwei Undulatoren (U55 und U250) bei denen sich das Magnetfeld mit einer Periode von 55 mm bzw. 250 mm wiederholt. Beim supraleitenden Wiggler SCW beträgt die Periodenlänge 122 mm und die magnetische Feldstärke ist mit 7 Tesla weitaus höher als bei einem Undulator.

Als Maß für das breite Strahlungsspektrum von Dipolmagneten und Wigglern, die i.d.R. mit maximalem Magnetfeld betrieben werden, dient die sogenannte kritische Wellenlänge (DELTA-Dipole 0,5 nm; SCW 0,1 nm). Undulatoren haben ein schmales Spektrum um eine zentrale Wellenlänge, die sich mit dem Magnetfeld einstellen lässt (U55 > 0,8 nm; U250 > 2,4 nm).

Evakuierte Strahllinien (BL 1 bis BL 12) führen vom Speicherring durch die 1 Meter dicke Strahlenschutzmauer zu den Experimentierplätzen. Hier wird der verwendete Wellenlängenbereich zusätzlich mit sogenannten Monochromatoren eingeschränkt und die Strahlung mit gekrümmten Spiegeln unter streifendem Einfall auf die jeweilige Probe fokussiert. Gemessen wird die räumliche und spektrale Verteilung der gestreuten Photonenstrahlung oder der Photoelektronen, die von der Strahlung aus der Probe freigesetzt werden.