Synchrotrone sind ringförmige Beschleunigeranlagen, in denen Elektronen (seltener Positronen) auf relativistische Energien gebracht und auf gekrümmten Bahnen geführt werden. Die dabei emittierte Synchrotronstrahlung ist hochbrillant, breitbandig vom Infrarot bis zur harten Röntgenstrahlung und weist eine hohe Gradlinigkeit und Polarisierbarkeit auf. Diese Eigenschaften machen Synchrotronstrahlungsquellen zu zentralen Werkzeugen der modernen Werkstoffforschung.

In Speicherringen zirkulieren Elektronen über Stunden; Magnetstrukturen wie Biegemagnete, Undulatoren und Wiggler formen das Spektrum und die Intensität der Strahlung. Über Strahlrohre wird die Strahlung zu spezialisierten Messplätzen geleitet, an denen verschiedene experimentelle Techniken realisiert sind.

Für die Werkstofftechnik sind insbesondere hochauflösende Beugungs- und Bildgebungsverfahren relevant, z. B. Röntgenbeugung (SXRD, PXRD), Kleinwinkelstreuung (SAXS), Tomographie, Mikroskopie und spektroskopische Methoden (XANES, EXAFS). Sie ermöglichen die Bestimmung von Kristallstrukturen, Phasenzusammensetzungen, Spannungs- und Dehnungszuständen, Texturen, Defektdichten sowie chemischen Zuständen mit hoher Orts‑, Zeit- und Energieauflösung.

Durch in-situ- und operando-Experimente unter realitätsnahen Temperatur-, Druck- und Umgebungsbedingungen lassen sich mikrostrukturelle Evolution, Diffusionsprozesse, Phasenumwandlungen und Schädigungsmechanismen direkt verfolgen. Synchrotrone sind damit unverzichtbar für das verständnisbasierte Design von Hochleistungswerkstoffen, Funktionsmaterialien und Energietechnologien.