ANKA (Synchrotronstrahlungslabor)
Die Angströmquelle Karlsruhe oder kurz ANKA bezeichnet das als Strahlungsquelle genutzte Synchrotron im Karlsruher Institut für Technologie (KIT). ANKA wird vom Institut für Synchrotronstrahlung (ISS) betrieben und startete seinen Nutzerbetrieb 2003. Das Karlsruher Institut für Technologie betreibt ANKA als eine nationale Synchrotronstrahlungsquelle und als Großgerät für wissenschaftlichen Nutzerbetrieb. Als Großgerät und Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren ist ANKA Teil einer nationalen und europäischen Infrastruktur, welche wissenschaftlichen und kommerziellen Nutzern die Möglichkeit zur wissenschaftlichen Arbeit und Weiterentwicklung von Technologien gibt.
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[Bearbeiten] Geschichte
Die Entscheidung ein solches Großprojekt auf dem Gelände des damaligen Forschungszentrum Karlsruhe zu verwirklichen wurde im März 1997 getroffen. Ende 1998 war das umgebende Gebäude errichtet und ein Jahr später wurden die ersten Elektronen in den Speicherring eingespeist. Ab März 2003 wurde das ANKA mit sechs analytischen Beamlines und einer zur Erstellung von Mikrostrukturen mittels Röntgenlithographie für Nutzer aus Forschung und Industrie geöffnet. Weitere Verbesserungen wurden und werden kontinuierlich eingebunden. Das betrifft sowohl zusätzliche Beamlines (momentan 15 laufende, drei im Bau befindliche und weitere geplante), das ANKA-Nutzerhaus zur Unterbringung externer Forscher, Wiggler und Undulatoren, die zum Teil am ISS (mit-) entwickelt wurden und weitere Infrastrukturmaßnahmen.
[Bearbeiten] Organisatorische Gliederung
Organisatorisch gliedert sich die Synchrotronforschung im KIT in drei unabhängige aber verzahnte Bereiche. Die Maschine ANKA als Großgerät mit den Technikern und Forschern die die Maschine weiterentwickeln, das ISS als forschendes Institut, das interne Nutzer stellt und externe Nutzer unterstützt und ANKA-CoS, das als Dienstleistungseinheit Industriekunden die Nutzung der Synchrotronstrahlung in Entwicklung, Qualitätssicherung und Mikrofertigung ermöglicht.
[Bearbeiten] Technische Details
ANKA ist ein Speicherring mit 110,4 Metern Umfang der Elektronen bei 2,5 GeV speichert. Dafür werden die in einer Triode erzeugten Elektronen (90 keV) über ein „racetrack“-Mikroton (53 MeV) und den Booster auf 500 MeV vorbeschleunigt. Im Speicherring wird dann durch weitere Beschleunigung auf fast Lichtgeschwindkeit die Arbeitsenergieleistung erreicht. Im Speicherring herrscht ein Ultrahochvakuum von 10-9 mbar. Die Synchroronstrahlung entsteht dabei durch konstante Ablenkung durch 17 Magneten, die die Elektronen auf der Ringbahn halten. Außerdem werden speziell dafür entwickelte Dipol-Magnetanordnungen mit abwechselnder Nord-Süd-Ausrichtung genutzt (Wiggler und Undulatoren), die Elektronen in einer sinus-Kurven-ähnlichen Bahn ablenken und so Synchrotronstrahlung produzieren. Eine Besonderheit im Aufbau von ANKA ist der supraleitende SCU14 Undulator, der vor Ort entwickelt wurde.
[Bearbeiten] Beamlines
[Bearbeiten] Scattering ( Streuung) und Imaging
IMAGE: Nutzung der Röntgenstrahlung für bildgebende Verfahren im 2D und 3D Bereich sowohl statisch, als auch dynamisch. Ist noch im Aufbau. MPI-MF: Koordiniert vom Max Planck Institut für Metallforschung. Speziell für in-situ Analysen von Grenzflächen und dünnen Filmen NANO: Zukünftige Beamline die ihre Strahlung vom supraleitenden Undulator SCU14 erhalten soll. Hochauflösende In-Situ Röntgen-Beugung, PDIFF: Analyse mittels des Debye-Scherrer-Verfahren (Untersuchung und Identifikation von kristallinen Substanzen in Pulverform) SCD: Analyse der Röntgen-Beugung an Einkristallen TOPO-TOMO: Momentan noch der Standort für Topographie, Mikroradiographie und Mikrotomographie mit Weiß- und Röntgenlicht. Die Beamline soll in eine TOPO- und eine TOMO-Beamline geteilt werden.
[Bearbeiten] Spektroskopie
UVCD-CD12: Wird vom Institut für biologische Grenzflächen am KIT betrieben. UV-Circulardichroismus Spektroskopie (Strukturanalyse von biologischen Substanzen) FLUO: Röntgenfluoreszenzspektroskopie, zerstörungsfreie, qualitative und quantitative Bestimmung der elementaren Zusammensetzung einer Probe INE: Gebaut und betreut vom Institut für Nukleare Entsorgung im KIT für die Actinoide-Forschung IR1 und IR2: Infrarotspektroskopie bis in den Bereich der Terahertzstrahlung; IR2 ist noch im Bau SUL-X: Absorptions-, Fluoreszenze- und Beugungs-Analyse als Teil des Synchroton-Umwelt-Labores WERA: Weichröntgen-Analytik-Anlage unter Organisation des Institutes für Festkörperphysik im KIT XAS: Röntgenabsorptionsspektroskopie, XANES (chemische Zusammensetzung einer Probe) und EXAFS (Art, Anzahl und Entfernung von Nachbaratomen auch in nicht-kristalliner Form )
[Bearbeiten] Mikrofabrikation
LIGA I, II, III: Röntgentiefenlithografie die nach dem im KIT entwickelten LIGA-Verfahren arbeitet. Die drei Beamlines unterscheiden sich der zur Verfügung stehenden Energiestärke.
[Bearbeiten] Vorteile von Synchrotonstrahlenquellen
Im Vergleich zu konventionellen Strahlungsquellen kann in einem Synchrotron Licht in einer sehr viel höheren Intensität erzeugt werden. Die Strahlung besteht aus einem sehr weiten und kontinuierlichen Bereich im elektromagnetischen Spektrum von harter Röntgenstrahlung bis zu Wellenlängen jenseits der Infrarotstrahlung (Terahertz-Strahlung). Mit Monochromatoren kann man bestimmte Wellenlängen herausfiltern. Synchrotonstrahlung tritt gepulst auf, da auch die Elektronen in Form von Paketen im Ring gespeichert sind. Dadurch sind dynamische Prozesse bis in den Nanosekunden Bereich aufgelöst erfassbar. Die Strahlung ist schon in ihrer Entstehung (linear oder zirkular) polarisiert, was für viele experimentelle Anwendungen unentbehrlich ist.
[Bearbeiten] Nutzer
Neben internen Nutzern und Forschern die an der Fortentwicklung des Synchrotrons und einzelner Teile (Undulatoren, etc.) beteiligt sind, gibt es auch für externe Nutzer die Möglichkeit Synchrotron-Strahlung an ANKA zu nutzen. Industriekunden werden von ANKA-CoS betreut. Für sie kann auch kurzfristig Strahlzeit bereitgestellt werden. Die Durchführung der Analysen erfolgt hier meist von den Beamline-Wissenschaftlern des ANKA. Auch die Interpretation der gewonnenen Daten als Teil des Dienstleistungspaketes ist möglich. Wissenschaftliche Nutzer werden vom User-Office koordiniert. Zu zwei Terminen im Jahr können Anträge auf Nutzerzeit gestellt werden, die von einem Fachgremium beurteilt werden. Auf dem Gelände des Campus Nord steht auch ein Nutzerhaus für die Unterbringung während der Messkampagnen zur Verfügung.
[Bearbeiten] Weblinks
Homepage: http://anka.iss.kit.edu
