Meilenstein für zweite Strahllinie des SwissFEL

Am Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL des Paul Scherrer Instituts PSI wird zurzeit die zweite Strahllinie in Betrieb genommen. Mittels «Athos» wollen Forschende verstehen, wie Katalysatoren funktionieren oder Biomoleküle Erbkrankheiten verursachen.
Florian Löhl in der Galerie über dem Beschleunigertunnel. Hier befinden sich die Mikrowellenverstärker und weitere elektronische Geräte, die es zur Beschleunigung, Steuerung und Überwachung der Elektronenpakete im Tunnel braucht. (Foto: Paul Scherrer Institut/Markus Fischer)

Der Röntgenlaser SwissFEL auf dem Gelände des PSI ist eine 740 Meter lange Anlage. In ihr werden Elektronen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. Magnete bringen die Elementarteilchen dann auf eine Art Slalomkurs, sodass sie Röntgenlicht abstrahlen, das zu Laserblitzen verstärkt wird. «Solche Beschleuniger gehören zu den komplexesten Anlagen, die es weltweit gibt», sagt Florian Löhl, der für den Bau des Hauptbeschleunigers verantwortlich war und jetzt die Aktivitäten an der Maschine koordiniert: «Wir haben hier hunderte verschiedene Systeme – Beschleunigermodule, Positionsmonitore, hochgenaue Uhren und vieles mehr – alles an der Grenze des Machbaren gebaut.»

Die Aufgabe, die Löhl und sein Team zusammen mit vielen am PSI beteiligten Gruppen lösen mussten, war denn auch entsprechend schwierig: Es müssen zwei Elektronenpakete getrennt werden, die im zeitlichen Abstand von nur 28 Nanosekunden (eine Nanosekunde entspricht einer millionstel Millisekunde) mit Höchstgeschwindigkeit durch die Anlage rasen. Ein Elektronenpaket soll auf seinem Weg weiter geradeaus fliegen, um in der ersten Strahllinie des SwissFEL namens Aramis Röntgenblitze zu liefern. Das zweite Elektronenpaket muss abbiegen und gelangt so zur zweiten Strahllinie, die unter dem Namen Athos zurzeit installiert wird. So lassen sich Aramis und Athos parallel betreiben. «Mit einem am PSI entwickelten Trennelement kicken wir die beiden Elektronenpakete auseinander», erklärt Löhl. Entscheidend sei dabei, dass dieser Kick immer stabil bleibe. «Gibt es Abweichungen, beginnen die Elektronen zu wackeln und der Prozess, der das Lichtsignal verstärkt, findet nicht mehr statt.»

Neues Konzept mit Schikanen

In Aramis werden die Elektronenpakete noch stärker beschleunigt, bevor sie durch eine spezielle Anordnung von Magneten, Undulatoren genannt, fliegen. Dort entstehen die Röntgenlichtpulse. Bei Athos gelangen die Elektronen ohne eine grössere weitere Beschleunigung direkt zu den Undulatormodulen, die aber völlig anders zusammengesetzt sind als bei Aramis. Zwischen zwei Undulatoren befindet sich jeweils eine Schikane, die ebenfalls aus speziellen Magneten besteht. Damit können die Elektronenpakete komprimiert oder verschoben werden. «Unsere Athos-Undulatorlinie ist weltweit einzigartig», sagt Löhl. «Das aufwendige Design erlaubt uns, die Eigenschaften des erzeugten Lichts viel besser zu kontrollieren und eine ganze Reihe von verschiedenen Betriebsmodi zu liefern.» So lassen sich je nach Bedarf extrem kurze Lichtpulse erzeugen oder Blitze mit einer schmalen Energieverteilung oder sogar Puls-Züge, bei denen viele Blitze dicht aufeinanderfolgen.

Kurz vor Weihnachten 2019 lieferte ein erstes Modul von zwei Undulatoren und einer Schikane gleich auf Anhieb Laserlicht. «Normalerweise dauert so etwas viel länger, doch wir konnten viele Dinge, die wir bei der Inbetriebnahme von Aramis gelernt hatten, übernehmen», erzählt Löhl. «Und jedes Mal, wenn weitere Undulatormodule dazukamen, konnten wir die Lichtausbeute steigern.»

Vollautomatische Optimierung

Bis Ende 2020 befindet sich die Athos-Strahllinie mit insgesamt 16 Undulatoren und 15 Schikanen noch im Aufbau. Doch bereits jetzt wurden wichtige Erfolge erzielt und ein kniffliges Problem gelöst: Eigentlich sollten beide Strahllinien hundert Röntgenlichtpulse pro Sekunde liefern, doch bisher waren es deutlich weniger. «Die in Aramis erzeugten Datenmengen waren so gross, dass sie nicht schnell genug verarbeitet werden konnten», sagt Löhl. «Und bei Athos hatten wir mit Strahlverlusten zu kämpfen.» Deshalb entwarf der Physiker ein Computerprogramm, das automatisch testet, wie sich bestimmte Veränderungen in den Strahllinien auswirken. So können Hunderte von Parametern vollautomatisch optimiert werden. Mithilfe des Computerprogramms gelang es dem Team Anfang September 2020 erstmals, die Strahllinien parallel so zu optimieren, dass beide den Maximalwert von hundert Lichtpulsen pro Sekunde lieferten und dabei zeitgleich neue Rekordwerte in der Energie der Lichtpulse in beiden Strahllinien erreicht werden konnten. «Das war ein wichtiger Meilenstein für uns», sagt Löhl.

Erstaunlicherweise war die Pulsenergie in der neuen Strahllinie deutlich höher als bei der bestehenden, obwohl in der neuen noch gar nicht alle Undulatormodule installiert sind. «Weil das neue Design so gut funktioniert, schaffen wir es schon jetzt, so intensive Pulse mit so hoher Energie zu erreichen», erklärt Löhl. Doch er gibt zu: «Es war extrem mühsam, den Beschleuniger so zu optimieren, dass nicht nur eine, sondern beide Strahllinien gleichzeitig gute Werte liefern.»

Erste Experimente für 2021 geplant

Auch eine erste Endstation, in der die Experimente mit den Athos-Lichtpulsen durchgeführt werden, ist zurzeit im Aufbau. Ende Juni 2020 konnten dort die ersten Röntgenpulse registriert werden. «Die Installationen in der Strahllinie und der Endstation gehen Hand in Hand», sagt Löhl. Erste Experimente sollen 2021 durchgeführt werden – ein nächster Meilenstein.

Um zu erklären, wie die Experimente am SwissFEL funktionieren, beschreibt Löhl einen Trick aus der Fotografie: Will man einen grossen, stark belebten Platz menschenleer erscheinen lassen, wählt man eine lange Belichtungszeit. Dadurch verschwimmen die sich bewegenden Menschen im Bild und werden unsichtbar. «Mit dem SwissFEL machen wir das Umgekehrte», erklärt der Physiker. Die Röntgenblitze sind nur 1 bis 60 Femtosekunden (Millionstel einer Milliardstelsekunde) lang. Mit dieser ultrakurzen Belichtungszeit lassen sich extrem schnelle Vorgänge festhalten. Dabei ergänzen sich die beiden Strahllinien. Aramis erzeugt sogenannte harte Röntgenstrahlung im kurzen Wellenlängenbereich bis zu 0,1 Nanometer, was etwa der Grösse eines Atoms entspricht. «Das heisst, mit dieser Strahllinie können wir einzelne Atome anschauen und beispielsweise herausfinden, wie ein bestimmtes Biomolekül aufgebaut ist», sagt Löhl.

Chemische Reaktionen verfolgen

Athos hingegen erzeugt Lichtpulse mit deutlich längeren Wellenlängen von 0,65 bis 5 Nanometer. Die Fachleute sprechen von weicher Röntgenstrahlung. «Mit dieser Stahllinie schaut man sich an, was in der Elektronenhülle passiert», erklärt Löhl. Damit lassen sich chemische Reaktionen in Echtzeit verfolgen. So wollen die Forschenden beispielsweise herausfinden, was in Katalysatoren geschieht, die Gase reinigen oder Brennstoffe synthetisieren. Für die Informationstechnologien erhofft man sich Erkenntnisse zu neuen Materialien, die sich als ultraschnelle Schalter oder noch leistungsfähigere Magnetspeicher eignen könnten. Aber auch Molekülkomplexe, die Zellfunktionen steuern und Erbkrankheiten verursachen, sollen mit Athos untersucht werden.

Athos ist in Alexandre Dumas’ Roman «Die drei Musketiere» einer der Protagonisten, Aramis heisst der andere. Doch wo ist der Dritte, Porthos? «Wir haben jetzt ein Projekt gestartet, in dem wir uns erste Gedanken über den Einbau einer dritten Strahllinie machen», sagt Löhl. «Wir überlegen uns beispielsweise, ob wir solche Schikanen wie bei Athos überall einbauen könnten, um noch viel mehr Flexibilität zu erreichen.» Der parallele Betrieb von drei Strahllinien dürfte technisch aber eine noch grössere Herausforderung werden. Dabei sagt Löhl schon jetzt: «Ich denke, es gibt am PSI keine Person, die den Beschleuniger von oben bis unten komplett im Detail versteht. Wir haben aber extrem kompetente Gruppen, die breite Bereiche abdecken. Und durch die hervorragende Zusammenarbeit schaffen wir es, eine solch komplexe Anlage zu betreiben.»

Text: Barbara Vonarburg

Weiterführende Information

SwissFEL: «Athos» macht grosse Fortschritte 

Kontakt

Dr. Florian Löhl
Messsysteme und Synchronisation
Paul Scherrer Institut, Forschungsstrasse 111, 5232 Villigen PSI, Schweiz
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