Neuer Betriebsmodus erstmals im Nutzerbetrieb an BESSY II erfolgreich getestet
Ein Abbild des Strahlungsquellpunktes an einem Dipolmagneten im Twin Orbit Modus. Der zweite Orbit schließt sich nach drei Umläufen und windet sich um den Standardorbit im Zentrum. © HZB
Die erste “Twin Orbit Nutzertestwoche” im Februar 2018 war ein großer Erfolg und verdeutlicht, dass der Modus bei weiterer Entwicklung zukünftig regelmäßig im Nutzerbetrieb angeboten werden könnte. Im Twin Orbit Modus kreisen Elektronenpakete auf zwei unterschiedlichen Umlaufbahnen, ohne sich zu stören. Der Vorteil: So lassen sich ganz unterschiedliche Anforderungen der Messgäste an die Zeitstruktur der Photonenpulse gleichzeitig erfüllen. Außerdem bietet der Twin Orbit Modus eine elegante Möglichkeit, beim Upgrade auf BESSY VSR lange und kurze Lichtpulse zu trennen.
Um die beiden unterschiedlichen Umlaufbahnen zu erzeugen, mussten sich die Physiker vom HZB-Institut für Beschleunigerphysik intensiv mit nichtlinearen Effekten bei der Strahldynamik auseinandersetzen und diese sehr geschickt manipulieren, um Instabilitäten zu vermeiden. Der Elektronenstrahl besteht aus einzelnen Elektronenpaketen, die in bestimmten zeitlichen Abständen aufeinander folgen. Jede der zwei Umlaufbahnen kann weitgehend unabhängig voneinander mit solchen Elektronenpaketen gefüllt werden. Dadurch lassen sich an den Messplätzen entweder dichte Abfolgen von Lichtpulsen zur Verfügung stellen oder – ganz im Gegenteil – zeitlich voneinander sehr weit getrennte Lichtpulse. So können gleichzeitig unterschiedliche Nutzerexperimente mit dem passenden Licht beliefert werden.
Erste Experimente an der Metrology Light Source
Es ist ein spannender, aber auch langer Weg zu einem echten Nutzerbetriebsmodus, insbesondere wenn die Arbeiten an der Maschine den Nutzerbetrieb nicht stören dürfen. Die ersten Untersuchungen zu diesem Betriebsmodus begannen 2015 an der Metrology Light Source (MLS), einem kompaktem Speicherring der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB), und resultierten dort in einem ersten Nutzerexperiment [1]. Parallel wurden die ersten Experimente zu diesem Betriebsmodus von einem Team aus Beschleunigerphysikern und Strahlrohrbetreuern während der Wartungsphasen an BESSY II durchgeführt.
Keine Ausfälle, Verfügbarkeit 99 Prozent während der Nutzertestwoche
2017 gelang es den HZB-Physikern, den Twin Orbit Modus über Nacht mit TopUp-Injektion stabil zu halten, so dass die erste Testwoche im Nutzerbetrieb für Februar angesetzt werden konnte [2]. Während der ganzen Testwoche gab es keine Ausfälle und Einbußen bei der Strahlstabilität und die Bedingungen waren mit einer Verfügbarkeit von größer 99 Prozent vergleichbar gut wie beim Standard-Nutzerbetrieb.
Elegante Option für BESSY VSR
“Es gibt immer noch viel zu tun, aber wir haben mit dieser Testwoche gezeigt, dass es möglich ist, den Twin-Orbit-Modus im Nutzerbetrieb anzubieten. Und auch für unser Zukunftsprojekt BESSY VSR kann der Twin Orbit Modus eine elegante Möglichkeit bieten, lange und kürzere Lichtpulse voneinander zu trennen”, erklärt Prof. Andreas Jankowiak, der das HZB-Institut für Beschleunigerphysik leitet.
[1] http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/IPAC2015/papers/mopwa021.pdf
[2] http://accelconf.web.cern.ch/AccelConf/ipac2017/papers/wepik057.pdf
- BESSY II: Eingebauter Sauerstoff verkürzt die Lebensdauer von FeststoffbatterienFeststoffbatterien sind sicher und leistungstark, aber ihre Kapazität nimmt zurzeit noch rasch ab. Ein Team der TU Wien, der Humboldt-Universität zu Berlin und des HZB hat nun eine TiS₂|Li₃YCl₆-Halbzelle an BESSY II analysiert. Dafür nutzte das Team eine spezielle Probenumgebung, die eine zerstörungsfreie Untersuchung unter realen Betriebsbedingungen ermöglicht. Durch die Kombination von Weich- und Hart-Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS und HAXPES) konnte ein neuer Degradationsmechanismus identifiziert werden. Dabei spielte das Element Sauerstoff eine besondere Rolle. Die Studie liefert wertvolle Einblicke, um Design und Fertigung von Feststoffbatterien zu verbessern.
- Spintronik an BESSY II: Echtzeit-Analyse von magnetischen DoppelschichtsystemenSpintronische Bauelemente ermöglichen Datenverarbeitung mit deutlich weniger Energieverbrauch. Sie basieren auf der Wechselwirkung zwischen ferromagnetischen und antiferromagnetischen Schichten. Nun ist es einem Team von Freier Universität Berlin, HZB und Universität Uppsala gelungen, für jede Schicht separat zu verfolgen, wie sich die magnetische Ordnung verändert, nachdem ein kurzer Laserpuls das System angeregt hat. Dabei konnten sie auch die Hauptursache identifizieren, die für den Verlust der antiferromagnetischen Ordnung in der Oxidschicht sorgt: Die Anregung wird von den heißen Elektronen im ferromagnetischen Metall zu den Spins im Antiferromagneten transportiert.
- Umweltchemie an BESSY II: Radikale in GewässernWie entstehen in wässrigen Lösungen unter UV-Licht so genannte Radikale? Diese Frage spielt sowohl für die Gesundheitsforschung als auch für den Umweltschutz eine wichtige Rolle, beispielsweise im Zusammenhang mit der Überdüngung von Gewässern durch die Landwirtschaft. Ein Team hat nun an BESSY II eine neue Methode etabliert, um Hydroxyl-Radikale in Lösung zu untersuchen. Mit einem Trick konnten sie überraschende Einblicke in den Reaktionspfad gewinnen.