Rad mit dreifacher Schallgeschwindigkeit zur Pulsauswahl an BESSY II
Skizze des MHz-Lichtchoppers, der sich mit bis zu dreifacher Schallgeschwindigkeit dreht. © K. Holldack/HZB
Um gezielt einen von 400 Röntgenblitzen an BESSY II herauszupicken, haben Teams aus dem Forschungszentrum Jülich, dem MPI für Mikrostrukturphysik Halle und dem HZB einen extrem rasch rotierenden MHz-Lichtchopper entwickelt – ein Kernstück des neuen gemeinsamen Labors Uppsala-Berlin zur Extraktion des Hybrid-Pulses aus der 200-Nanosekunden-Lücke im Füllmuster - und an einem BESSY II Strahlrohr eingebaut. „Das vielleicht schnellste Rad der Welt“ besitzt am Rand winzige Schlitze von nur 70 Mikrometern Breite, die sich mit dreifacher Schallgeschwindigkeit im Vakuum reibungsfrei gegen den Röntgenstrahl bewegen. Damit steht den Nutzerinnen und Nutzern nun auch im Normalbetrieb ein Single-Bunch-Modus zur Verfügung.
In Speicherringen wie BESSY II kreisen kurze Elektronenpulse und erzeugen Röntgenblitze, wenn sie an einem der fast 50 Strahlrohre vorbeikommen. Viele Experimente nutzen aber gar nicht alle der 400 möglichen Pulse pro Umlauf, die der Elektronenstrahl erzeugt, sondern erfordern nur einen einzigen Puls. Damit nur dieser gewünschte Puls die Probe erreicht und alle anderen ausgeblendet werden, könnte man ein Rad mit Löchern in den Strahlengang setzen, das mit den Elektronen im Ring synchron läuft. Doch diese einleuchtende Idee war keineswegs einfach umzusetzen: denn dieses Rad muss so schnell sein, dass es den Röntgenstrahl alle 800 Nanosekunden (ns) passieren lässt – es muss sich also mit der dreifachen Schallgeschwindigkeit von rund 1 km/s drehen und ist dabei enormen Materialbelastungen durch Fliehkräfte ausgesetzt.
Tatsächlich ist es nun einem Team aus Physikern und Ingenieuren aus dem Forschungszentrum Jülich, dem Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik Halle/S. und dem HZB gelungen, so ein Gerät zu entwickeln und im Dauerbetrieb an einem BESSY II Strahlrohr bereitzustellen. Es besteht aus einer speziell geformten Scheibe aus einer besonderen Aluminiumlegierung, die am äußeren Rand winzige Schlitze von nur 70 µm Breite hat. Diese Schlitze bewegen sich mit rund 1 km/s im Vakuum reibungsfrei gegen den Röntgenstrahl. Dabei wird die Drehung mit einer ultraschnellen digitalen Regelungselektronik hochpräzise (auf 2 ns genau) gesteuert, so dass nur ein einziger Röntgenpuls aus dem gesamten Puls-Zug bei BESSY II durchkommt und anderen blockiert werden.
Experimentatoren an diesem Strahlrohr können nun selbst entscheiden, ob sie den gepulsten „Single Bunch Modus“ oder den vollen quasi-kontinuierlichen Röntgenstrahl benutzen wollen. „Dies ist besonders wichtig für die ultraschnelle Röntgenphysik und Flugzeitspektroskopie-Methoden, die in unserem Zukunftsprojekt BESSY-VSR eine große Rolle spielen werden - denn hier sollen ultrakurze Röntgenpulse unterschiedlicher Länge bereitgestellt werden“, erklärt Karsten Holldack aus dem Institut Methoden und Instrumentierung der Forschung mit Synchrotronstrahlung am HZB.
Die Arbeit wurde jetzt im renommierten Fachjournal Optics Letters vorgestellt:Phase-locked MHz pulse selector for x-ray sources, Daniel F. Förster, Bernd Lindenau, Marko Leyendecker, Franz Janssen, Carsten Winkler, Frank O. Schumann, Jürgen Kirschner, Karsten Holldack, and Alexander Föhlisch
- Schriftrollen aus buddhistischem Schrein an BESSY II virtuell entrolltIn der mongolischen Sammlung des Ethnologischen Museums der Staatlichen Museen zu Berlin befindet sich ein einzigartiger Gungervaa-Schrein. Der Schrein enthält auch drei kleine Röllchen aus eng gewickelten langen Streifen, die in Seide gewickelt und verklebt sind. Ein Team am HZB konnte die Schrift auf den Streifen teilweise sichtbar machen, ohne die Röllchen durch Aufwickeln zu beschädigen. Mit 3D-Röntgentomographie erstellten sie eine Datenkopie des Röllchens und verwendeten im Anschluss ein mathematisches Verfahren, um den Streifen virtuell zu entrollen. Das Verfahren wird auch in der Batterieforschung angewandt.
- Natrium-Ionen-Batterien: Neuer Speichermodus für KathodenmaterialienBatterien funktionieren, indem Ionen zwischen zwei chemisch unterschiedlichen Elektroden gespeichert und ausgetauscht werden. Dieser Prozess wird Interkalation genannt. Bei der Ko-Interkalation werden dagegen sowohl Ionen als auch Lösungsmittelmoleküle in den Elektrodenmaterialien gespeichert, was bisher als ungünstig galt. Ein internationales Team unter der Leitung von Philipp Adelhelm hat nun jedoch gezeigt, dass die Ko-Interkalation in Natrium-Ionen-Batterien mit den geeigneten Kathodenmaterialien funktionieren kann. Dieser Ansatz bietet neue Entwicklungsmöglichkeiten für Batterien mit hoher Effizienz und schnellen Ladefähigkeiten. Die Ergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.
- 10 Millionen Euro Förderung für UNITE – Startup Factory Berlin-BrandenburgDie UNITE – Startup Factory Berlin-Brandenburg wird vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie als eines von zehn bundesweiten Leuchtturmprojekten für wissenschaftsbasierte Gründungen ausgezeichnet. UNITE soll als zentrale Transfer-Plattform für technologiegetriebene Ausgründungen aus der Wissenschaft und Industrie in der Hauptstadtregion etabliert werden. Auch das Helmholtz-Zentrum Berlin wird davon profitieren.