Mit intensiveren Röntgenstrahlen macht die Wissenschaft immer kleinere Strukturen sichtbar. Um auch zukünftig mit den besten Anlagen weltweit kompetitiv zu sein ist für die SLS des PSI ein Upgrade der bestehenden Grossanlage notwendig. Mit PSI-Entwicklungen gelang es dem Projektteam von Mike Seidel und Hans-Heinrich Braun, diese Modernisierung energie- und kosteneffizient im bestehenden Gebäude zu projektieren.

Prof. Dr. Mike Seidel (li) und Dr. Hans-Heinrich Braun vor der SLS

Die zwei Wissenschaftler verbindet einiges. Beide sind Physiker mit Spezialgebiet Teilchenbeschleunigung. Professor Dr. Mike Seidel lehrt dieses Fach an der EPFL zu 40 %. Bereits 2016, als der Freie-Elektronen- Röntgenlaser SwissFEL als «wissenschaftliche Avantgarde» am PSI in Betrieb genommen wurde, war Dr. Hans-Heinrich Braun als Projektleiter engagiert. Jetzt geht es um Ähnliches: Die 2001 am PSI eröffnete Synchrotron Lichtquelle Schweiz (SLS) benötigt ein Upgrade – seit 20 Jahren produziert die Grossforschungsanlage mit ihrem leistungsstarken Elektronenbeschleuniger zuverlässig Röntgenlicht mit hoher Helligkeit, das für Wissenschaft und Wirtschaft vielfältige Experimente und Untersuchungen in der Physik und den Materialwissenschaften, der Biologie, Chemie oder in den Umweltwissenschaften ermöglicht.

Doch die Wissenschaft möchte mit immer intensiveren Röntgenstrahlen in Details vordringen, die mit der bestehenden Beschleunigeranlage entweder nicht mehr zu erkennen sind oder nur mit unrealistischem Zeitaufwand erreicht werden können. «Ein Experiment, das bisher 40 Minuten gedauert hat», so Braun, «ist in Zukunft in 60 Sekunden zu schaffen.» Eine höhere Brillanz beim Licht erhöht zudem die Auflösung der Bilder, macht damit dramatisch kleine Strukturen sichtbar. Gleichzeitig steigt aber auch die Menge der zu speichernden und verarbeitenden Messdaten pro Experiment massiv an.

«Durch die Forschung am PSI verstehen wir die Strahldynamik von Elektronenstrahlen nun besser. Das half uns beim Projekt SLS 2.0.» Prof. Dr. Mike Seidel, Leiter des Fachbereichs Grossforschungsanlagen am PSI

Nun führt das Projekt SLS 2.0 Seidel und Braun zusammen: Ersterer ist Leiter des Fachbereichs Grossforschungsanlagen und damit zuständig für den einwandfreien Betrieb der weltweit einmaligen Konzentration von Beschleuniger-basierten Grossforschungsanlagen auf dem Gelände des PSI. Letzterer ist Projektleiter SLS 2.0 und steuert seine Projekterfahrung aus dem Bau des SwissFEL in diese komplexe Weiterentwicklung der SLS bei. Für beide stellte sich die Frage: Wie lässt sich im bestehenden Gebäude mit den Wänden und Decken aus Holz und Beton ein Upgrade der Grossanlage mit einer markanten Verbesserung der Brillanz des Lichts erreichen?

In der heutigen SLS zirkulieren Elektronen, die auf enorme Geschwindigkeiten beschleunigt sind. Diese winzigen negativ geladenen Elementarteilchen erreichen im Vakuum des sogenannten Elektronenspeicherrings 99,999998 % der Lichtgeschwindigkeit. In einer evakuierten Metallröhre halten Magnete die Elektronen auf der gekrümmten Sollbahn. Durch diese Ablenkung des Elektronenstrahls entsteht das Synchrotronlicht, das von dort zu rund zwanzig Experimentierstationen der Anlage geleitet wird. Als leichte Elementarteilchen erzeugen Elektronen intensive kurzwellige Röntgenstrahlung mit Eigenschaften, die für einen breiten Anwendungsbereich in der Forschung interessant sind.

Beim Upgrade der Anlage ging es darum, eine weitere physikalische Eigenheit dauerhaft in der SLS 2.0 zu implementieren: Wenn es gelänge, die abrupten Richtungswechsel der Elektronen in der neuen Anlage in sanftere Kurven zu überführen, würde dies zu einer höheren Konzentration der umlaufenden Elektronenpakete führen, die in intensivere, stärker gebündelte Lichtstrahlen resultieren. Der Schlüssel lag für die Beschleunigungsphysiker in der Anzahl und Grösse der Magnete im Speicherring der neuen SLS 2.0. Viele kleine und in ihrer Stärke abgestufte Magnete überführen die bestehende Elektronenbahn in eine mit vielen kleineren Winkeln. Eine Herkulesaufgabe! Die Anzahl der Magnete und anderer Komponenten im Ring wird deutlich erhöht, während die Toleranzen für den Teilchenstrahl selbst und vieler Parameter in Zukunft anspruchsvoller sein werden. Nach vielen Versuchen und detaillierten Computersimulationen fanden die Strahldynamiker des PSI die Lösung in Form einer neuartigen Anordnung der Magnete. «Sie ist das Resultat unseres verbesserten Verständnisses der Strahldynamik dieser Speicherringe», urteilt Seidel. Hinzu kamen die vielfältigen Kompetenzen der rund 400 Mitarbeitenden für Grossforschungsanlagen. Diese reichen von der mechanischen Auslegung über die Erzeugung von Ultrahochvakuum bis zur genauen Berechnung der Magnetfelder und der Vorhersage der Eigenschaften des Elektronenstrahls. «Bei dieser Komplexität reicht ein Fehler, damit die Anlage nicht mehr läuft», so Seidel.

Im Speicherring der neuen SLS 2.0 wird die Brillanz des erzeugten Synchrotronlichts durch eine neuartige, fein abgestufte Magnetanordnung stark verbessert.

Nun kann die SLS 2.0 gebaut werden: Im Dezember 2020 hat der Bund ein Budget von 99 Mio. CHF bewilligt, weitere 17 Mio. CHF kommen vom PSI. Der Zeitplan sieht vor, die bisherige Anlage im Oktober 2023 abzuschalten und dort bis Ende 2024 die SLS 2.0 einzubauen.