Forschung mit Photonen
Licht aus beschleunigerbetriebenen Lichtquellen lässt die Vorgänge des Lebens, neue Werkstoffe für die Industrie und bessere Energiespeicher für die Energiewende untersuchen. Fortschritte der Beschleunigerforschung ermöglichen dabei immer erhellendere Einsichten.
Röntgenstrahlung ist der Tausendsassa der Wissenschaft: Über 30 Nobelpreise wurden für Einsichten mit Röntgenstrahlung verliehen. Schon der erste Physik-Nobelpreis überhaupt ging 1901 an Wilhelm Conrad Röntgen, den Entdecker jener Strahlen, die Materie durchdringen können und sich alsbald als extrem kurzwelliges Licht entpuppten. Sie wurden von Röntgen selbst »X-Strahlen« genannt. Mit X-Strahlen wurde es möglich, nicht nur auf Materie zu schauen, sondern auch endlich hinein. Wenig später zeigte Albert Einstein, dass man sich Licht auch aus Teilchen zusammengesetzt vorstellen kann, den Photonen.
Die Röntgenröhre – 1901 zum Patent angemeldet – wurde in Medizin und Wissenschaft schnell zum unentbehrlichen Werkzeug. Doch für heutige wissenschaftliche Anforderungen reichen einfache Röntgenröhren schon lange nicht mehr aus. Der Stand der Experimentierkunst wird von Lichtquellen bestimmt, die auf viele hundert Meter langen Beschleunigern basieren – den Synchrotronstrahlungsquellen und Freie-Elektronen-Lasern.
Bei diesen, wie auch bei Röntgenröhren, spielen beschleunigte Elektronen die zentrale Rolle. Denn wenn Elektronen abgebremst oder abgelenkt werden, senden sie elektromagnetische Strahlung aus, darunter auch sichtbares Licht.
Sind die Elektronen auf Geschwindigkeiten nahe der des Lichts beschleunigt, wird die Strahlung aufgrund der Gesetze der Relativitätstheorie zu einem intensiven Kegel gebündelt. Diese Strahlung wurde erstmals 1947 an einem ringförmigen Beschleuniger, einem Synchrotron, beobachtet, und wirtd »Synchrotronstrahlung« genannt.
Struktur der RNA-Polymerase I , das bei derzelleigenen Herstellung von Proteinen eine überlebenswichtige Rolle spielt. Ein genaues Verständnis der Form und Funktion solcher Biomoleküle dient nicht nur dem Verständnis von Leben an sich, sondern auch der Entwicklung von Medikamenten. Die Struktur wurde mit einer Auflösung von 0,3 Nanometern an der PETRA-III-Beamline P14 erstellt und in Nature veröffentlicht . Das Molekül besteht aus 21 642 Kohlenstoff- (grau), 6 509 Sauerstoff- (rot) 5 917 Stickstoff- (blau), 176 Schwefel- (gelb) und 7 Zinkatomen sowie einem Magnesiumatom.
# Synchrotronlichtquellen und Freie-Elektronen Laser
Dabei werden zwei grundlegende Anlagetypen unterschieden: Synchrotronstrahlungsquellen und Freie-Elektronen-Laser sind die hellsten Röntgenquellen auf unserem Planeten und werden auch in Zukunft noch viele Einsichten liefern.
Ringförmige Anlagen haben dabei den Vorteil, viele Experierstationen gleichzeitig mit einem quasi-kontinuierlichen Blitzstrom beliefern zu können. Geradlinige Anlagen liefern hingegen besonders intensive und kurze Lichtblitze, wie sie etwa zur detaillierten Untersuchung ultraschneller chemischer Reaktionen benötigt werden.
# Herausforderungen
# kürzere und intensivere Blitze
# besser gebündelte Blitze
# Dauerstrichbetrieb
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# Energierückgewinnende Linearbeschleuniger
