Am PSI entsteht mit dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL eine ganz neuartige Grossanlage zur Erforschung von dynamischen chemischen oder biochemischen Prozessen, die sich auf atomarer Ebene abspielen. Basis für den Bau dieses hochkomplexen Röntgenlasers sind Partnerschaften mit Schweizer Industrieunternehmen. Es ist ein Technologietransfer, von dem Forschung und Privatwirtschaft gleichermassen profitieren.

Die MDC Max Daetwyler AG liefert Schlüsselkomponenten für den SwissFEL: Hans Braun, Co-Projektleiter SwissFEL am PSI, Thomas Schmidt, Leiter Undulatorenentwicklung für SwissFEL am PSI, und René Hartmann, Leiter Spezialprojekte MDC Max Daetwyler AG (v.l.n.r., Foto: Michael Sieber, Langnau/Zürich).

Draussen im Wald bei Würenlingen und in unmittelbarer Nachbarschaft zum PSI ist er am Entstehen: der Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL. Ein rund 700 Meter langer Tunnel wird bei der geplanten Betriebsaufnahme im Jahre 2016 die Hightech-Beschleunigungsanlage beherbergen. Das Projekt ist physikalische Avantgarde: Zunächst werden in einem Injektor durch einen Laserblitz Elektronen aus einem Metall herausgelöst und als kompakte Elektronenbündel auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Diese werden dann wie auf einer Achterbahn durch ein wellenförmiges Magnetfeld geschickt, wodurch Röntgenlicht entsteht. Am Ende der Reise produziert die Anlage extrem kurze und enorm intensive Röntgenlichtimpulse, und zwar 100 Mal pro Sekunde. «Dadurch lassen sich dynamische chemische oder biochemische Prozesse erkennen, die derart schnell ablaufen, dass sie beim Einsatz herkömmlicher Analysemethoden unsichtbar blieben», sagt Hans Braun, Projektleiter Beschleuniger bei SwissFEL.

Technische Herausforderungen, die zu lösen sind, manifestieren sich hauptsächlich an zwei neuralgischen Punkten der Anlage. Zum einen bei den Beschleunigungsmodulen, dank denen Elektronen in einem Linearbeschleuniger jene Geschwindigkeiten erreichen, die für die Erzeugung von ultrakurzen und intensiven Lichtimpulsen notwendig sind. «Am Anfang der Anlage brauchen wir einen leistungsfähigen Teilchenbeschleuniger», sagt der Physiker Hans Braun, «der den Elektronen eine hohe Bewegungsenergie vermittelt.» Der zweite technische Knackpunkt betrifft die nachgelagerten sogenannten Undulatoren. «In diesen Geräten zwingen zwei Reihen starker Magnete einen Strom vorbeieilender Elektronen auf eine Wellenbahn», erklärt Hans Braun; «das führt dazu, dass diese Röntgenlicht in Laserqualität erzeugen.» Für beides sind hochpräzise Komponenten notwendig, und für beides hat das PSI spezialisierte Hersteller gefunden. Zum Zuge kamen zwei Schweizer Industriebetriebe.

Industrielle Partner aus der Schweizer Industrie
«Der kostentreibende Faktor eines Röntgenlasers ist eindeutig der Linearbeschleuniger», sagt Hans Braun. Im Falle des SwissFEL kommt erschwerend dazu, dass eine kilometerlange Beschleunigungsanlage wie bei vergleichbaren Projekten im Ausland hierzulande aus Kostengründen nicht in Frage kommt. Um mit einer wesentlich kürzeren Beschleunigungsstrecke dennoch Röntgenlicht mit einer hinreichend kurzen Wellenlänge zu erzeugen, müssen sämtliche Komponenten vom Injektor bis zum Undulator optimal aufeinander abgestimmt sein. Insbesondere bei Letzterem müssen die Magnete mit höchster Präzision positioniert sein.

Bei der Suche nach geeigneten industriellen Partnern ging es denn auch darum, eine entsprechende, nicht ganz alltägliche Kombination von Kompetenzen zu orten, die gleichzeitig Gewähr für höchste Qualität bieten konnte. Im Falle der Beschleunigungsmodule fiel die Wahl auf die TEL Mechatronics AG (ehem. Oerlikon Mechatronics) in Trübbach im St. Galler Rheintal, eine
Tochtergesellschaft des gleichnamigen Technologiekonzerns. «Ausschlaggebend war deren Erfahrungskanon in der Metallbearbeitung, der Löt- und Reinraumtechnologie», sagt Hans Braun. «Diese Kompetenzen braucht es, um die hochexakten Kavitäten im rund 300 Meter langen Beschleuniger zu produzieren.» Das Verfahren zur Herstellung dieser Kavitäten entwickelte das PSI, und gemäss einem Anfang 2012 unterzeichneten Rahmenvertrag wird TEL Mechatronics es für die Serienproduktion verwenden. Bereits die Herstellung der Kavitäten ist komplex: Dabei handelt es sich um Hohlräume aus Kupfer, in denen sich ein elektrisches Feld aufbauen kann, das präzise der beschleunigten Kraft entspricht. Benötigt werden 104 solcher Kavitäten, von denen jede aus 113 unterschiedlich geformten Scheiben, sogenannten «Kupfertassen», besteht. Erschwerend kommt hinzu, dass aufgrund der reduzierten Länge des Linearbeschleunigers die Materialbelastung der einzelnen Komponenten hoch ist und die einzelnen Kupfertassen auf einen Tausendstelmillimeter genau gedreht sein müssen. «Es ist auch nicht möglich, deren Anordnung nach dem Zusammenbau einer Kavität nachträglich zu korrigieren», meint Hans Braun. TEL Mechatronics baut nun für diesen Auftrag im Stammhaus eine massgeschneiderte Fertigungslinie auf, in der die Kupfertassen nach der Bearbeitung in einem speziellen Lötofen zusammengefügt und dann zu den fertigen Beschleunigungsmodulen zusammengebaut werden.

Im hinteren Teil des Röntgenlasers kommt die MDC Max Daetwyler AG im bernischen Bleienbach zum Zug als Herstellerin von zunächst einem Dutzend Undulatoren. Die Firma ist spezialisiert
auf Präzisionsmaschinen für den Verpackungs- und Publikationstiefdruck. Um Präzision geht es auch bei diesem Auftrag: Auf der insgesamt 60 Meter langen Wellenbahn müssen Magnete auf weniger als einen Tausendstelmillimeter Abweichung positioniert werden. Dabei wirken zwischen den Magneten immense Kräfte. Die Konstruktion muss deshalb mit grosser Kraft zusammengehalten werden, und die Komponenten müssen gleichzeitig präzise justiert sein. Zunächst wurde nach der Vertragsunterzeichnung Ende 2011 ein Prototyp für Gestelle, Antriebe und Magnete der Undulatoren entwickelt, der nun in einer eigens dafür erstellten Fertigungslinie in Serie produziert werden soll.

Für beide involvierten Schweizer Unternehmen festigt dieser Auftrag deren Expertise als Hersteller hochkomplexer Komponenten und die Positionierung als international gefragte Partner von Forschungsinstituten. Für das PSI sind die dort gefertigten Bauteile entscheidende Mosaiksteine einer neuartigen Grossanlage, mit der Forschende dereinst extrem schnelle Vorgänge wie die Entstehung von Molekülen bei chemischen Reaktionen, die detaillierte Struktur lebenswichtiger Proteine oder auch den präzisen Aufbau von Materialien wissenschaftlich analysieren werden.