ANKA (Synchrotronstrahlungslabor)

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ANKA Synchrotron Radiation Facility
Kategorie: Forschungseinrichtung
Träger: Karlsruher Institut für Technologie
Bestehen: seit 1999
Mitgliedschaft: Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren
Standort der Einrichtung: Eggenstein-Leopoldshafen
Fächer: Physik
Homepage: http://www.anka.kit.edu/

Die Angströmquelle Karlsruhe oder kurz ANKA ist ein Elektronen-Synchrotron im Karlsruher Institut für Technologie (KIT), das als Synchrotronstrahlungsquelle dient. ANKA gehört mit KIT zur Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren.

Der Namensteil „Angström“ weist auf die alte Längenheit gleichen Namens hin (1 Angström = 0,1 Nanometer), die z. T. noch heute für Wellenlängen im Bereich der Röntgen- und Synchrotronstrahlung verwendet wird.

Geschichte[Bearbeiten]

Nach der Bauentscheidung 1997 im damaligen Forschungszentrum Karlsruhe konnten schon 1999 die ersten Elektronen in den Speicherring eingespeist werden. Im März 2003 begann der Betrieb für interne und externe Nutzer mit insgesamt sieben Beamlines (Strahlrohren). Seitdem erfolgen laufend Verbesserungen. Diese Ausbaumaßnahmen betreffen sowohl zusätzliche Beamlines (jetzt (2013) fünfzehn in Betrieb, drei im Bau und weitere geplant), das ANKA-Nutzerhaus zur Unterbringung externer Wissenschaftler, die eingesetzten und zum Teil an ANKA mitentwickelten Wiggler und Undulatoren sowie weitere Infrastrukturmaßnahmen.

Technik[Bearbeiten]

Der Speicherring von 110,4 m Umfang speichert Elektronen bei einer Energie von 2,5 GeV. Dafür werden die in einer Triode erzeugten Elektronen (90 keV) durch ein Rennbahnmikrotron (53 MeV) und einen Booster auf 500 MeV vorbeschleunigt. Im Speicherring wird dann durch weitere Beschleunigung auf nahezu Lichtgeschwindigkeit die Arbeitsenergie erreicht. Im Speicherring herrscht ein Ultrahochvakuum von 10–9 mbar. Die Synchrotronstrahlung entsteht bei der Ablenkung in den 16 Magneten, die die Elektronen auf der Ringbahn halten, und außerdem in speziellen Dipol-Magnetanordnungen mit abwechselnder Feldrichtung, den Wigglern und Undulatoren, die die Elektronen in einer Sinuskurven-ähnlichen Bahn ablenken.

Eine Besonderheit im Aufbau von ANKA ist der supraleitende SCU15-Demonstrator Undulator, der wie sein Vorgänger SCU14 bei ANKA mitentwickelt wurde. Die Vorteile eines solchen Undulators sind deutlich verbesserte Brillanz der erzeugten Strahlung und ein variables Lichtspektrum, das ohne viel Aufwand angepasst werden kann.

Vorteile von Synchrotronstrahlung[Bearbeiten]

Im Vergleich zu konventionellen Quellen elektromagnetischer Strahlung liefern Synchrotronstrahlungsquellen eine sehr viel höhere spektrale Bandbreite und Intensität. Die Strahlung umfasst einen kontinuierlichen Bereich im elektromagnetischen Spektrum von harter Röntgenstrahlung über Ultraviolett, sichtbares Licht und Infrarot bis zur Terahertzstrahlung. Mit Monochromatoren kann man bestimmte Wellenlängen herausfiltern. Da die Elektronen in Form von Paketen im Ring gespeichert sind, tritt die Synchrotronstrahlung gepulst auf. Dadurch sind dynamische Prozesse bis in den Nanosekundenbereich aufgelöst erfassbar. Die Strahlung ist schon in ihrer Entstehung (linear oder zirkular) polarisiert und bietet damit eine für viele Anwendungen unentbehrliche Voraussetzung.

Vorhandene und geplante Beamlines (Strahlrohre) und ihre Anwendungen[Bearbeiten]

Bildgebende Untersuchungsverfahren[Bearbeiten]

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 Intelligente Systeme, spezialisiert auf In-situ-Analysen von Grenzflächen und dünnen Filmen
NANO
Beamline in Endstadium des Aufbaues für hochauflösende In-situ-Röntgenbeugungsuntersuchungen
PDIFF
Analyse mittels des Debye-Scherrer-Verfahren (Untersuchung und Identifikation von kristallinen Substanzen in Pulverform)
SCD
Analyse der Röntgen-Beugung an Einkristallen
TOPO-TOMO
Standort für Topographie, Mikroradiographie und Mikrotomographie mit Weiß- und Röntgenlicht

Spektroskopie[Bearbeiten]

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 Actiniden-Forschung
IR1
Infrarotspektroskopie und Infrarot-Ellipsometrie bis in den Bereich der Terahertzstrahlung
IR2
Infrarotspektroskopie und Infrarotmikroskopie bis in den Bereich der Terahertzstrahlung
SUL-X
Absorptions-, Fluoreszenz- und Beugungsanalyse als Teil des Synchrotron-Umwelt-Labores
UV-CD12
Wird vom Institut für biologische Grenzflächen am KIT betrieben. UV-Circulardichroismus-Spektroskopie (Strukturanalyse von biologischen Substanzen)
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)

Mikrofabrikation[Bearbeiten]

LIGA I, II, III
Röntgentiefenlithografie, die nach dem im KIT entwickelten LIGA-Verfahren arbeitet. Die drei Beamlines unterscheiden sich in der zur Verfügung stehenden Energiestärke.

Organisation[Bearbeiten]

Die Synchrotronforschung am KIT gliedert sich in drei unabhängige, aber verzahnte Bereiche:

  • Das ANKA-Synchrotron mit den dazugehörigen Beamlines ist eine eigenständige Organisationseinheit, die direkt dem Präsidium des KIT untersteht. Sowohl die technische Weiterentwicklung der Einrichtung als auch die durch die Mitarbeiter betriebene eigene Forschung sind der Organisationseinheit ANKA zugeordnet. Das Nutzerbüro an ANKA sorgt für die Betreuung der wissenschaftlichen Gastnutzer.
  • Das ehemalige Institut für Synchrotronstrahlung (ISS), das seit der Errichtung von ANKA mit dem Betrieb und der Weiterentwicklung der Synchrotronstrahlungsquelle beauftragt war, wurde 2012 in das neue Institut für Photonenforschung und Synchrotronstrahlung (IPS) überführt. Das IPS forscht nach wie vor intensiv an der Anlage, ist aber nunmehr institutionell von ihr unabhängig.
  • Die ebenfalls unabhängige Dienstleistungseinheit ANKA Commercial Services (ANKA-CoS) ermöglicht kommerziellen Kunden aus Industrie und Forschung die Nutzung.

Zugang zur Nutzung[Bearbeiten]

Wissenschaftliche Nutzer[Bearbeiten]

Neben internen Nutzern und Forschern, die an der Weiterentwicklung des Synchrotrons und einzelner Komponenten (Undulatoren, etc.) beteiligt sind, können externe Nutzer die Strahlung von ANKA für wissenschaftliche Projekte einsetzen. Dies wird vom Nutzerbüro koordiniert. Interessenten können sich zweimal im Jahr in elektronischer Form um Messzeit bewerben; die Anträge werden von einem internationalen Fachgremium beurteilt und ausgewählt. Auf dem Gelände des Campus Nord steht auch ein Nutzerhaus für die Unterbringung während der Messkampagnen zur Verfügung. Weitere Informationen zur Vergabe von Strahlzeit erteilt das Nutzerbüro.

Kommerzielle Nutzer[Bearbeiten]

Kommerzielle Nutzung der ANKA-Beamlines sowie industrielle Verwertung und Lizenzierung der an ANKA entwickelten Technologien erfolgt über die Dienstleistungseinheit ANKA Commercial Services (ANKA-CoS) nach DIN EN ISO 9001:2008. Der Zugang zur Strahlzeit erfolgt ohne Peer-Review-Verfahren und ist kurzfristig über eine Abstimmung mit dem jeweils zuständigen Beamline-Wissenschaftler möglich. Im Gegensatz zur wissenschaftlichen Nutzung, deren Ergebnisse veröffentlicht werden müssen, bleiben die Ergebnisse der kommerziellen Nutzung stets vertraulich.

Weblinks[Bearbeiten]

49.096738.428319Koordinaten: 49° 5′ 48,2″ N, 8° 25′ 41,9″ O