SwissFEL

SwissFEL ist der Röntgen- Freie-Elektronen-Laser am Paul Scherrer Institut (PSI), der im Dezember 2016 in Betrieb genommen wurde. ^{[ 1 ]}

Das SwissFEL-Design ist für die Erzeugung von Röntgenpulsen im Wellenlängenbereich von 1 Å bis 70 Å optimiert. Mit einer Gesamtlänge von knapp 740 Metern ist die Systemkonfiguration relativ kompakt. Die Bauarbeiten für SwissFEL begannen im Frühjahr 2013. ^{[ 2 ]} Nach Fertigstellung des Gebäudes begann Anfang 2015 die Installation der technischen Komponenten. ^{[ 3 ]} Die ersten Pilotexperimente wurden 2017 durchgeführt. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Im Jahr 2018 wurde die erste Strahlführung , ARAMIS, in Betrieb genommen. Die zweite Strahlführung, ATHOS, folgte im Juni 2020. ^{[ 6 ]}

SwissFEL verfügt über zwei Strahlführungen: die Hartröntgenstrahlführung ARAMIS (λ = 0,1–0,7 nm) mit den Endstationen Alvra, Bernina und Crystallina sowie die Weichröntgenstrahlführung ATHOS (λ = 0,65–5,0 nm) mit den Endstationen Maloja und Furka. ^{[ 7 ]} ARAMIS liefert hochenergetische, kurzwellige Röntgenstrahlung, mit der sich das Verhalten von Atomen während schneller Prozesse beobachten lässt. ATHOS liefert weichere Röntgenstrahlung mit geringerer Energie, wodurch die Bildung neuer chemischer Bindungen durch Atome und Moleküle beobachtet werden kann . Die gesamten Baukosten beliefen sich auf rund 275 Millionen Schweizer Franken. ^{[ 8 ]}

SwissFEL wurde im Würenlinger Wald nahe dem PSI-Campus errichtet. Dort sind die Temperaturschwankungen und Vibrationen besonders gering, was den Betrieb vereinfacht: Die Temperatur im Strahlkanal darf nicht mehr als 0,1 Grad von den idealen 24 Grad Celsius abweichen, da sonst bereits geringste Materialausdehnungen die Messergebnisse verfälschen oder Experimente gänzlich unmöglich machen könnten. ^{[ 9 ]} Aus diesem Grund wurden große Teile des langgestreckten Gebäudes mit Erde und Kies bedeckt. Dadurch entstand gleichzeitig ein sogenanntes alkalisches Graslandbiotop , das vielen gefährdeten Pflanzen- und Tierarten als natürlicher Lebensraum dient. ^{[ 10 ]}

SwissFEL besteht im Wesentlichen aus vier Komponenten: einer Elektronenquelle, einem Linearbeschleuniger, einer Undulatoranordnung und Messstationen. Elektronen werden mithilfe eines gepulsten Lasers aus einer Kupferscheibe freigesetzt. Die freigesetzte Elektronenwolke wird durch ein elektrisches Feld beschleunigt und zusammengehalten. Sie werden in den Linearbeschleuniger geleitet, der die Elektronen mit hochfrequentem Wechselstrom weiter beschleunigt . Die Elektronen durchfliegen nun den Undulator, eine Anordnung von Dipolmagneten in abwechselnder Anordnung. Dadurch werden sie auf einen Slalomkurs gezwungen. Bei jeder Richtungsänderung emittieren die Elektronen Röntgenstrahlung. So entsteht ein Röntgenstrahl mit laserähnlichen Eigenschaften, der für Experimente an den Messstationen genutzt werden kann. ^{[ 11 ]}

Der Röntgenstrahl erreicht eine Leistung von bis zu 10 Gigawatt und wird extrem schnell gepulst: bis zu 100 Blitze pro Sekunde ^{[ 9 ]} , wobei jeder Blitz nur 1 bis 60 Femtosekunden dauert. Die Pulse sind so hell, dass sie zur Herstellung von Filmen der Bewegungen von Atomen und Molekülen verwendet werden können. ^{[ 10 ]} Weltweit gibt es nur vier weitere Röntgenlaseranlagen vergleichbarer Größenordnung. ^{[ 12 ]}

Röntgenlaser wie SwissFEL können beispielsweise zur Untersuchung neuer Materialien für die Elektronik eingesetzt werden, um die Miniaturisierung in diesem Bereich weiter voranzutreiben. Der Verlauf katalytischer Reaktionen lässt sich auf atomarer Ebene verfolgen, um diese zu optimieren und so die Ressourceneffizienz in der Umwelttechnik oder der chemischen Industrie zu verbessern. Biomedizinische Wissenschaftler können die Struktur lebenswichtiger Proteine ​​und deren Reaktionen auf Substanzen detailliert beobachten, um neue Medikamente zu entwickeln. ^{[ 10 ] [ 11 ]}

• SwissFEL-Website
• Konsortium nationaler Freie-Elektronen-Laser in Europa (EuroFEL) , finanziert von der Europäischen Kommission im Rahmen des FP7.
• SwissFEL Wissenschaftliche Publikationen