First Cavity am SwissFEL

Dann waren es nur mehr 103: Am Paul Scherrer Institut PSI ist die erste Beschleunigerstruktur für den Linearbeschleuniger des SwissFEL fertiggestellt. Die neue Großforschungsanlage des PSI entsteht gerade im Würenlinger Unterwald und erzeugt ab 2016 hochintensive Röntgenlichtpulse mit den Eigenschaften von Laserlicht.

Insgesamt 104 dieser Strukturen benötigt der SwissFEL, um die Elektronen, die die Röntgenlichtpulse abstrahlen, auf die erforderliche Energie zu beschleunigen. Sie setzen sich aus je 113 ringförmigen Kupferscheiben zusammen, den Kupfertassen. Bei der Fertigung der Beschleunigerstrukturen ist die Fehlertoleranz praktisch null: Die einzelnen Kupfertassen müssen hochpräzise gearbeitet sein. Eine Roboteranlage, die unter Reinraumbedingungen arbeitet, fügt die Teile zusammen. Alle Arbeitsabläufe sind bis ins kleinste Detail festgelegt. Die von einem Spezialisten präparierte Kupfertasse wird auf etwa fünfzig Grad erhitzt und von einem Roboterarm zur Prüfung über eine 3D-Kamera geführt. Danach stapelt er die Kupfertasse auf die bereits vorhandenen Tassen und kühlt sie wieder auf Raumtemperatur ab. Dadurch entsteht eine leichte Schrumpfverbindung, die für die genaue Ausrichtung sorgt. Sobald der Stapel fertig ist, wird automatisch ausgemessen, ob die nötige Exaktheit erreicht ist.

Zuletzt wird der Stapel sorgsam verspannt und mit einem speziellen Transportwagen zum Ultra-Hochvakuum-Lötofen transportiert. Dieser knapp neun Meter hohe Gigant wurde eigens für die Verlötung der Kupfertassen angeschafft. Auch beim Lötvorgang ist Präzision das höchste Gebot. „Bereits kleinste Unebenheiten auf der Kupferoberfläche können unter Hochspannung zu Überschlägen führen“, betont Florian Löhl, der im SwissFEL-Team für den Linearbeschleuniger verantwortlich ist.

Im fertigen SwissFEL sind jeweils vier der Beschleunigerstrukturen zu einem Beschleunigermodul zusammengefasst. Insgesamt wird der Linearbeschleuniger 330 Meter lang sein. Damit er trotz seiner im Vergleich zu anderen Beschleunigeranlagen relativ geringen Länge die gewünschte Leistung erzielt, benötigt er ein enormes Beschleunigungsfeld von etwa dreißig Millionen Volt pro Meter. „Jedes Modul soll die Elektronenenergie um mehr als zweihundert Millionen Elektronenvolt erhöhen“, sagt Löhl. Erst diese hohe Elektronenenergie ergibt Röntgenlichtpulse in der Qualität, die für die Experimente am SwissFEL nötig sind. Die Anlage soll kleinste Strukturen und ultraschnelle Prozesse durchleuchten, die sich bisher der Erforschung entzogen haben.

Doch die SwissFEL-Entwickler hatten bei der Konzeption des Linearbeschleunigers nicht nur seine optimale Leistungsfähigkeit im Blick: „Wir konnten auch erreichen, dass der Energieverbrauch deutlich unter jenem vergleichbarer Anlagen liegen wird“, freut sich Löhl. Bis etwa September wird die Beschleunigerstruktur im Hochleistungstest auf Herz und Nieren geprüft. Weitere Strukturen befinden sich bereits in Arbeit: „Die nächste Herausforderung ist dann die Herstellung und der Test eines vollständigen Beschleunigermoduls“, skizziert Löhl die kommenden Schritte.

PSI / DE