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SwissFEL

SwissFEL ist der am Paul Scherrer Institut (PSI) im Dezember 2016 eingeweihte Freie-Elektronen-Röntgenlaser.

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. Die Bauarbeiten für den SwissFEL begannen im Frühjahr 2013. Nach der Fertigstellung des Gebäudes startete Anfang 2015 die Installation der technischen Komponenten. Die ersten Pilotexperimente wurden 2017 durchgeführt. Im Jahr 2018 wurde die erste Strahllinie ARAMIS in Betrieb genommen. Seit Sommer 2021 ist die zweite Strahllinie ATHOS in Betrieb.

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.

Standort Bearbeiten

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. 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.

Funktionsweise Bearbeiten

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.

Der Röntgenstrahl erreicht bis zu 10 Gigawatt Leistung und ist extrem schnell gepulst: Bis zu 100 Blitze pro Sekunde, 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. Weltweit gibt es nur vier weitere Röntgenlaseranlagen in vergleichbarer Grössenordnung.

Anwendungsbereiche Bearbeiten

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.

Quellen Bearbeiten

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Christian Speicher: Schweizer Röntgenlaser: Eine Visitenkarte für den Forschungsplatz In: Neue Zürcher Zeitung vom 5. Dezember 2016
  2. Baustart im Würenlinger Wald. In: Paul Scherrer Institut. Abgerufen am 17. September 2014.
  3. SwissFEL bereit für die Montage. In: Paul Scherrer Institut. Abgerufen am 8. März 2016.
  4. Erstes Experiment am SwissFEL erfolgreich durchgeführt. In: Paul Scherrer Institut. Abgerufen am 24. Januar 2018.
  5. First Pilot Experiment at SwissFEL-Alvra. In: Paul Scherrer Institut. Abgerufen am 24. Januar 2018.
  6. First light at Furka: The experiments can begin. In: psi.ch. 4. August 2021, abgerufen am 6. Juni 2022 (englisch).
  7. Hollywood im Würenlinger Wald. Abgerufen am 25. April 2019.
  8. ↑ Perfekte Strahllinien merkt man nicht. Abgerufen am 25. April 2019.
  9. ↑ Der Schweizer Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL. Abgerufen am 25. April 2019.
  10. ↑ SwissFEL – die neue Grossanlage des Paul Scherrer Instituts. Abgerufen am 25. April 2019.
  11. 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.

Koordinaten: 47° 32′ 5″ N, 8° 13′ 51″ O; CH1903: 659651 / 265189

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Veröffentlichungsdatum:
SwissFEL ist der am Paul Scherrer Institut PSI im Dezember 2016 eingeweihte Freie Elektronen Rontgenlaser 1 Das SwissFEL Design ist optimiert um Rontgenpulse im Wellenlangenbereich von 1 A bis 70 A zu erzeugen Die Anlagenkonfiguration ist mit einer Gesamtlange von knapp 740 Metern relativ kompakt Die Bauarbeiten fur den SwissFEL begannen im Fruhjahr 2013 2 Nach der Fertigstellung des Gebaudes startete Anfang 2015 die Installation der technischen Komponenten 3 Die ersten Pilotexperimente wurden 2017 durchgefuhrt 4 5 Im Jahr 2018 wurde die erste Strahllinie ARAMIS in Betrieb genommen Seit Sommer 2021 ist die zweite Strahllinie ATHOS in Betrieb 6 ARAMIS liefert sehr energiereiches kurzwelliges Rontgenlicht mit dem man gut verfolgen kann wie Atome sich wahrend eines schnell ablaufenden Prozesses verhalten ATHOS liefert weicheres Rontgenlicht mit geringerer Energie um Atome und Molekule dabei zu beobachten wie sie eine neue chemische Bindung eingehen Insgesamt kostete der Bau rund 275 Millionen Schweizer Franken 7 Inhaltsverzeichnis 1 Standort 2 Funktionsweise 3 Anwendungsbereiche 4 Quellen 5 EinzelnachweiseStandort BearbeitenDer SwissFEL wurde in der Nahe des PSI Gelandes in den Wurenlinger Wald gebaut Dort sind die Temperaturschwankungen und Erschutterungen besonders gering was den Betrieb vereinfacht Die Temperatur im Strahlkanal darf um hochstens 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 Gebaudes mit Erde und Kies bedeckt So schuf man gleichzeitig ein Magerrasen Biotop das als naturlicher Lebensraum fur viele bedrohte Pflanzen und Tiere dient 9 Funktionsweise BearbeitenIm Wesentlichen besteht der SwissFEL aus vier Bauteilen einer Elektronenquelle einem Linearbeschleuniger einer Anordnung von Undulatoren und Messplatzen 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 Richtungsanderung strahlen die Elektronen Rontgenlicht aus So entsteht ein Rontgenlichtstrahl mit laserartigen Eigenschaften der in den Messplatzen fur Experimente genutzt werden kann 10 Der Rontgenstrahl 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 Molekule erstellen lassen 9 Weltweit gibt es nur vier weitere Rontgenlaseranlagen in vergleichbarer Grossenordnung 11 Anwendungsbereiche BearbeitenMit Rontgenlasern wie dem des SwissFEL lassen sich zum Beispiel neue Materialien fur 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 konnen detailliert die Struktur von lebenswichtigen Proteinen und ihre Reaktionen auf Substanzen beobachten um neue Medikamente zu entwickeln 9 10 Quellen BearbeitenSwissFEL Internetseite Wissenschaftliche Studien SwissFEL SwissFEL Bauinformation Zeitplan Paul Scherrer Institut Abgerufen am 7 Marz 2020 Broschure SwissFEL Brillante Aussichten PDF 4 5 MB Einzelnachweise Bearbeiten Christian Speicher Schweizer Rontgenlaser Eine Visitenkarte fur den Forschungsplatz In Neue Zurcher Zeitung vom 5 Dezember 2016 Baustart im Wurenlinger Wald In Paul Scherrer Institut Abgerufen am 17 September 2014 SwissFEL bereit fur die Montage In Paul Scherrer Institut Abgerufen am 8 Marz 2016 Erstes Experiment am SwissFEL erfolgreich durchgefuhrt In Paul Scherrer Institut Abgerufen am 24 Januar 2018 First Pilot Experiment at SwissFEL Alvra In Paul Scherrer Institut Abgerufen am 24 Januar 2018 First light at Furka The experiments can begin In psi ch 4 August 2021 abgerufen am 6 Juni 2022 englisch Hollywood im Wurenlinger Wald Abgerufen am 25 April 2019 a b Perfekte Strahllinien merkt man nicht Abgerufen am 25 April 2019 a b c Der Schweizer Freie Elektronen Rontgenlaser SwissFEL Abgerufen am 25 April 2019 a b SwissFEL die neue Grossanlage des Paul Scherrer Instituts Abgerufen am 25 April 2019 Walter Hagenbuchle Das Paul Scherrer Institut betreibt jene Art von Forschung die einen langen Atem braucht Neue Zurcher Zeitung 14 Oktober 2018 abgerufen am 25 April 2019 47 534722222222 8 2308333333333 Koordinaten 47 32 5 N 8 13 51 O CH1903 659651 265189 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title SwissFEL amp oldid 238517242