Grossforschungsanlagen

Seit Jahren testen PSI-Forschende Experimentiermethoden, die am Röntgenlaser SwissFEL Einblicke in neuartige Materialien für elektronische Geräte ermöglichen werden. Mit einem besonderen Trick bringen sie dafür die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS des PSI dazu, Licht zu erzeugen, das ähnliche Eigenschaften hat, wie dasjenige des SwissFEL. So konnten die Forschenden zeigen, dass die geplanten Experimente im Grundsatz möglich sind und den Bau des entsprechenden Messplatzes am SwissFEL vorschlagen.

In den vergangenen vier Jahren haben Forschende des PSI in der Injektor-Testanlage Schlüsseltechnologien für den Röntgenlaser SwissFEL entwickelt und auf Herz und Nieren geprüft. Nun ist das Forschungsprogramm beendet. Anfang 2015 startet die Installation der neuen Grossforschungsanlage.

Nur kurz durfte das Gebäude der neuen PSI-Grossforschungsanlage SwissFEL im Würenlinger Unterwald das Sonnenlicht geniessen. Zurzeit verschwindet es unter einem Erdwall. Die Überdeckung ist Teil einer Reihe von Massnahmen, die die Anlage bestmöglich in die Umgebung integrieren werden.

Heute haben sich mehrere Hundert Wissenschaftsvertreter aus verschiedenen europäischen Ländern auf der Baustelle der europäischen Spallations-Neutronenquelle (European Spallation Source ESS) in Lund, Schweden, zur Grundsteinlegungsfeier für die ESS versammelt. Mit dieser Veranstaltung wurde nicht nur der Grundstein für die neue Anlage gelegt, deren Bau kürzlich begonnen hat, sondern auch für eine neue Phase in der europäischen Wissenschaft.

Magnete sind die heimlichen Strippenzieher eines Teilchenbeschleunigers: Sie sorgen dafür, dass Protonen oder Elektronen auf Kurs bleiben. Mit den kleinen Magneten an der heimischen Kühlschranktür haben sie allerdings kaum etwas gemein. Nicht nur sind etliche der Magnete am PSI schwerer als der Kühlschrank selbst à sie sind trotz ihrer Wuchtigkeit Meisterwerke der Präzision.

Ein Linearbeschleuniger im Retro-Look ist der Ursprung des Protonenstrahls am PSI. Benannt nach den Erfindern des Prinzips heisst der charismatische Typ Cockcroft-Walton. Er liefert seit 1984 die erste Beschleunigungsstufe für Protonen, die in der Folge von zwei weiteren Ringbeschleunigern auf schliesslich rund 80 Prozent der Lichtgeschwindigkeit gebracht werden. So entsteht hier seit Jahrzehnten ein beachtenswerter Protonenstrahl, der dank kontinuierlicher Nachrüstungen seit 1994 sogar den Weltrekord als leistungsstärkster Strahl hält.

Forschende des Paul Scherrer Instituts haben mithilfe kurzer Lichtblitze aus einem Laser die Eigenschaften eines Materials kurzzeitig so deutlich verändert, dass gewissermassen ein neues Material entstanden ist und die Veränderungen am Röntgenlaser LCLS in Kalifornien untersucht. Nach der Inbetriebnahme des PSI-Röntgenlasers SwissFEL werden solche Experimente auch am PSI möglich sein.

Vergangenen Sonntag luden das Paul Scherrer Institut PSI und die Arbeitsgemeinschaft EquiFEL Suisse die Einwohnerinnen und Einwohner der Umgebung zum Tag der offenen SwissFEL-Baustelle ein. Rund 600 Interessierte informierten sich an mehreren Stationen über den aktuellen Bau- und Projektstand.

Unsere Vorstellung davon, wie Algen und Pflanzen auf Licht reagieren, muss aufgrund neuer Experimente revidiert werden. Bei bestimmten Lichtverhältnissen wird bei der Fotosynthese die Anordnung der sonst ordentlich gestapelten und ausgerichteten, lichtempfindlichen Membranen in den Algen gestört. Dabei werden die in die Membranen eingebetteten Lichtsammelproteine grösstenteils deaktiviert, bewegen sich aber nicht. Bisher war man davon ausgegangen, dass sich die Lichtsammelproteine in den Membranen hin- und herbewegen.

Damit die Elektronen die benötigte Energie erreichen können, muss ihre Bahn im Linearbeschleuniger absolut geradlinig verlaufen. Schon die kleinste Krümmung bedeutet einen Energieverlust, den sich der vergleichsweise kurze SwissFEL-Linearbeschleuniger nicht leisten kann. Daher muss beim Gebäudebau sogar die Erdkrümmung ausgeglichen werden.

Durch Quanteneffekte ausgelöste Änderungen des Aggregatzustands à physikalisch korrekt Quantenphasenübergänge à spielen bei vielen erstaunlichen Phänomenen in Festkörpern, wie der Hochtemperatursupraleitung eine Rolle. Forschende aus der Schweiz, England, Frankreich und China haben nun in der magnetischen Struktur des Materials TlCuCl₃ Quanteneffekte gezielt verändert, indem sie das Material äusserem Druck aussetzten und diesen Druck variierten. Mithilfe von Neutronen konnten sie beobachten, was bei einem Quantenphasenübergang passiert, bei dem die magnetische Struktur quantenphysikalisch schmilzt.

Forscher von ETH und PSI zeigen, wie sich in neuartigen Materialien die magnetische Struktur schnell ändern lässt. Der Effekt könnte in zukünftigen leistungsfähigen Festplatten Anwendung finden.

Materialforschung, Teilchenphysik, Molekularbiologie, Archäologie à seit 40 Jahren ermöglicht der grosse Protonenbeschleuniger des Paul Scherrer Instituts PSI Spitzenforschung auf verschiedenen Gebieten. Bei einem Festsymposium am 24. Februar 2014 wird das Jubiläum gefeiert.

Damit die SwissFEL-Elektronen nicht auf die schiefe Bahn geratenKostengünstig und mit minimaler Fehlerrate – die Ziele, die sich die PSI-Ingenieure der Sektion Leistungselektronik für die Entwicklung der Magnet-Speisegeräte für den SwissFEL gesteckt haben, sind ehrgeizig.

Die Bauarbeiten im Wald laufen auf Hochtouren à bis Ende 2014 soll das Gebäude für den SwissFEL, die neue Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts PSI, fertiggestellt sein. Die Anforderungen an das Gebäude sind hoch. Es muss einen reibungslosen Betrieb der empfindlichen Anlage gewährleisten.

Der SwissFEL wird Röntgenlicht mit Lasereigenschaften erzeugen. Die nötige Verstärkung des Lichts macht ein als Microbunching bekannter Prozess möglich – das Elektronenpaket teilt sich im Undulator in dünne Scheiben, sogenannte Microbunches auf, die das Licht in Phase abstrahlen. Zugleich wird an einem weiteren Verfahren – dem Seeding – geforscht, mit dem man die Eigenschaften des Lichts noch genauer wird festlegen können.

Das Röntgenlicht des SwissFEL entsteht, wenn die im Linearbeschleuniger beschleunigten Elektronen auf eine Wellenbahn gezwungen werden. Das geschieht in den Undulatoren - Magnetanordnungen, die die Elektronen ablenken. Die gesamte Undulatorstrecke wird 60 Meter lang sein.

Ein Terahertzlaser, der am Paul Scherrer Institut entwickelt worden ist, macht es möglich, die Magnetisierung eines Materials in Zeiträumen von Pikosekunden gezielt zu steuern. In ihrem Experiment leuchteten die Forscher mit extrem kurzen Lichtpulsen aus dem Laser auf ein magnetisiertes Material. Das magnetische Feld des Lichtpulses konnte die magnetischen Momente aus ihrer Ruhelage auslenken und zwar so, dass sie mit einer geringen Verzögerung exakt dem Verlauf des Magnetfeldes des Lasers folgten. Der in dem Experiment verwendete Terahertzlaser ist einer der stärksten seiner Art weltweit.

Im Linearbeschleuniger bekommt der Elektronenstrahl die Bewegungsenergie, die nötig ist, damit er das Röntgenlicht erzeugen kann. Der Linearbeschleuniger ist insgesamt mehr als 300 Meter lang à sein Herz besteht aus 11752 speziell geformten Kupferscheiben, in denen das beschleunigende Feld erzeugt wird.

In der Elektronenquelle entsteht der Elektronenstrahl für den SwissFEL. Die Anforderungen an die Anlage sind hoch: Damit der SwissFEL erfolgreich betrieben werden kann, muss der Elektronenstrahl vom ersten Augenblick an von bester Qualität sein.