SwissFEL
SwissFEL ist der am Paul Scherrer Institut (PSI) im Dezember 2016 eingeweihte Freie-Elektronen-Röntgenlaser.[1]
Das SwissFEL-Design ist optimiert, um Röntgenpulse im Wellenlängenbereich von 1 Å bis 70 Å zu erzeugen. Die Anlagenkonfiguration ist mit einer Gesamtlänge von knapp 740 Metern relativ kompakt. Das Projekt wird komplementär zum European XFEL gebaut und betrieben. Die Bauarbeiten für den SwissFEL begannen im Frühjahr 2013.[2] Nach der Fertigstellung des Gebäudes startete Anfang 2015 die Installation der technischen Komponenten.[3] Die ersten Pilotexperimente wurden 2017 durchgeführt.[4][5] Im Jahr 2018 wurde die erste Strahllinie ARAMIS in Betrieb genommen. Bis Herbst 2020 soll die zweite Strahllinie ATHOS folgen.[6]
ARAMIS liefert sehr energiereiches, kurzwelliges Röntgenlicht, mit dem man gut verfolgen kann, wie Atome sich während eines schnell ablaufenden Prozesses verhalten. ATHOS liefert weicheres Röntgenlicht mit geringerer Energie, um Atome und Moleküle dabei zu beobachten, wie sie eine neue chemische Bindung eingehen. Insgesamt kostete der Bau rund 275 Millionen Schweizer Franken.[7]
Standort
Der SwissFEL wurde in der Nähe des PSI-Geländes in den Würenlinger Wald gebaut. Dort sind die Temperaturschwankungen und Erschütterungen besonders gering, was den Betrieb vereinfacht: Die Temperatur im Strahlkanal darf um höchstens 0,1 Grad von den idealen 24 Grad Celsius abweichen, weil sonst geringste Materialausdehnungen die Messergebnisse verzerren oder Experimente ganz vereiteln.[8] Auch deshalb wurden grosse Teile des langen Gebäudes mit Erde und Kies bedeckt. So schuf man gleichzeitig ein Magerrasen-Biotop, das als natürlicher Lebensraum für viele bedrohte Pflanzen und Tiere dient.[9]
Funktionsweise
Im Wesentlichen besteht der SwissFEL aus vier Bauteilen: einer Elektronenquelle, einem Linearbeschleuniger, einer Anordnung von Undulatoren und Messplätzen. Mit einem gepulsten Laser werden Elektronen aus einer Kupferscheibe freigesetzt. Die Wolke dieser Elektronen wird mit einem elektrischen Feld beschleunigt und zusammengehalten. Sie werden in den Linearbeschleuniger geleitet, der die Elektronen mit Wechselspannung in hoher Frequenz weiterbeschleunigt. Die Elektronen fliegen nun durch eine Strecke von alternierend angeordneten Dipolmagneten, den Undulator: Dieser zwingt sie auf einen Slalomkurs. Bei jeder Richtungsänderung strahlen die Elektronen Röntgenlicht aus. So entsteht ein Röntgenlichtstrahl mit laserartigen Eigenschaften, der in den Messplätzen für Experimente genutzt werden kann.[10]
Der Röntgenstrahl erreicht bis zu 10 Gigawatt Leistung und ist extrem schnell gepulst: Bis zu 100 Blitze pro Sekunde,[8] die jeweils nur 1 bis 60 Femtosekunden dauern. Die Pulse sind so lichtstark, dass sich mit ihnen Filme von den Bewegungen der Atome und Moleküle erstellen lassen.[9] Weltweit gibt es nur vier weitere Röntgenlaseranlagen in vergleichbarer Grössenordnung.[11]
Anwendungsbereiche
Mit Röntgenlasern wie dem des SwissFEL lassen sich zum Beispiel neue Materialien für die Elektronik erforschen, um die Miniaturisierung in diesem Bereich weiter voranzutreiben. Man kann den Ablauf katalytischer Reaktionen auf atomarer Ebene verfolgen, um sie zu optimieren und so etwa die Ressourceneffizienz in der Umwelttechnik oder der Chemieindustrie zu verbessern. Biomediziner können detailliert die Struktur von lebenswichtigen Proteinen und ihre Reaktionen auf Substanzen beobachten, um neue Medikamente zu entwickeln.[9][10]
Quellen
- SwissFEL Internetseite
- Wissenschaftliche Studien SwissFEL
- SwissFEL Bauinformation Zeitplan. Paul Scherrer Institut. Abgerufen am 7. März 2020.
- Broschüre “SwissFEL Brillante Aussichten” (PDF; 4,5 MB).
Einzelnachweise
- Christian Speicher: Schweizer Röntgenlaser: Eine Visitenkarte für den Forschungsplatz In: Neue Zürcher Zeitung vom 5. Dezember 2016
- Baustart im Würenlinger Wald. In: Paul Scherrer Institut. Abgerufen am 17. September 2014.
- SwissFEL bereit für die Montage. In: Paul Scherrer Institut. Abgerufen am 8. März 2016.
- Erstes Experiment am SwissFEL erfolgreich durchgeführt. In: Paul Scherrer Institut. Abgerufen am 24. Januar 2018.
- First Pilot Experiment at SwissFEL-Alvra. In: Paul Scherrer Institut. Abgerufen am 24. Januar 2018.
- PSI-Geschäftsbericht, Ausgabe 2017, S. 11
- Hollywood im Würenlinger Wald. Abgerufen am 25. April 2019.
- Perfekte Strahllinien merkt man nicht. Abgerufen am 25. April 2019.
- Der Schweizer Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL. Abgerufen am 25. April 2019.
- SwissFEL – die neue Grossanlage des Paul Scherrer Instituts. Abgerufen am 25. April 2019.
- Walter Hagenbüchle: Das Paul-Scherrer-Institut betreibt jene Art von Forschung, die einen langen Atem braucht. Neue Zürcher Zeitung, 14. Oktober 2018, abgerufen am 25. April 2019.