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SwissFEL

Brillante Aussichten

Der Schweizer Freie-Elektronen-Rรถntgenlaser


Brillante Aussichten für die Forschung an innovativen Materialien und Biomolekülen

Die neue Grossforschungsanlage des Paul Scherrer Instituts – der FreieElektronen-Röntgenlaser SwissFEL – eröffnet neue Möglichkeiten für die Schweizer Spitzenforschung.

Die grossen Herausforderungen an unsere

rer Energiesysteme oder ultraschneller Rechner

Gesellschaft sind eine gesicherte und klima-

und Datenspeicher wesentlich sind.

neutrale Energieversorgung, eine dauerhafte

Solch schnelle Prozesse im Detail zu verfolgen

und bezahlbare Gesundheit der immer älter

– sie gewissermassen zu filmen – wird von

werdenden Bevölkerung und der Erhalt einer

Anlagen ermöglicht, die nach dem Prinzip des

intakten Umwelt, die wir an unsere Nachkom-

Freie-Elektronen-Röntgenlasers (oder in der

men weitergeben können.

englischen Abkürzung «XFEL», X von «X-ray» =

Weltweit suchen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nach neuen industriellen Verfahren, neuartigen Werkstoffen und Materialien oder Medikamenten, die zur Bewältigung dieser drängenden Aufgaben beitragen können. Nach Neuerungen kann man jedoch nur gezielt suchen, wenn die zugrunde liegenden Vorgänge gut verstanden sind. So muss man etwa die mit einer Krankheit verbundenen Prozesse im Organismus entschlüsseln, um wirksame und zugleich nebenwirkungsarme Medikamente entwickeln zu können. Bei der Erforschung derart fundamentaler Vorgänge in unserer Welt stossen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler immer wieder auf Fragestellungen, die sich mit den heute verfügbaren Forschungsmethoden nicht beantworten lassen. Zum Beispiel gibt es in der Natur, im menschlichen Organismus und in vielen technischen Anlagen Vorgänge, die so schnell sind, dass man zwar deren Anfangs- und Endzustand kennt, aber nicht weiss, was im Einzelnen dazwischen passiert. Dadurch bleiben viele wichtige Fragen unbeantwortet, die etwa für die Entwicklung besserer Medikamente, effiziente2


Röntgenstrahlung) arbeiten. Das sind Elektro-

nung, der durch die dann zur Verfügung ste-

nenbeschleuniger, die extrem kurze Pulse von

henden Freie-Elektronen-Röntgenlaser in Eu-

kohärentem Röntgenlicht (Röntgenlicht mit den

ropa, Japan, Südkorea und den USA alleine

Eigenschaften von Laserlicht) erzeugen. Eine

nicht abgedeckt werden kann. Am SwissFEL

solche Anlage wird auch das neue Grossgerät

werden den Forschenden bis zu 5000 Stunden

des Paul Scherrer Instituts, der SwissFEL, sein.

Messzeit im Jahr an mehreren Experimentier-

Bei diesen Röntgenlasern handelt es sich um

plätzen zur Verfügung stehen.

grosse Forschungsanlagen – die Geräte zur Erzeugung der Röntgenlichtpulse sind in einem mehrere hundert Meter langen Tunnel untergebracht. Wenn der SwissFEL im Jahr 2017 mit seinen

Das PSI – erfahren mit Grossforschungsanlagen

ersten Pilotexperimenten starten wird, wird er

Das PSI entwickelt, baut und betreibt einzigar-

eine von weltweit fünf Anlagen seiner Art sein.

tige Grossforschungsanlagen für Untersuchun-

Mit dem SwissFEL trägt das PSI dem steigenden

gen in Materialwissenschaften, Physik, Chemie,

Bedarf an Experimentiermöglichkeiten Rech-

Biologie, Medizin sowie Energie und Umwelt-

Laser-Spezialistin Marta Divall an einer Vakuumkammer für die zukünftigen Experimente am SwissFEL. 3


Beamline-Designer Bolko Beutner an der SwissFEL-Injektor-Testanlage. Der im Injektor erzeugte Elektronenstrahl hat einen Durchmesser von einigen tausendstel Millimetern. Die Strahlprofilmonitore, die den Elektronenstrahl sichtbar machen, müssen daher genau eingestellt werden.

technik. Hier experimentieren sowohl PSI-For-

Schweiz SLS international eine Vorreiterrolle

schende als auch Wissenschaftlerinnen und

bei der Entwicklung moderner Röntgenlicht-

Wissenschaftler aus Hochschulen und Indus-

quellen übernommen. Seither hat die SLS

trie. Externe Forscherinnen und Forscher wer-

zahlreiche wichtige wissenschaftliche Ergeb-

den von PSI-Mitarbeitenden bei ihren For-

nisse geliefert. Dazu zählen die Arbeiten

schungs- und Entwicklungsvorhaben kompetent

des amerikanischen Forschers Venkatraman

und umfassend unterstützt. Dadurch und durch

Ramakrishnan, für die er im Jahr 2009 den

die hohe technische Qualität der Anlagen hat

Nobelpreis für Chemie bekommen hat.

sich das PSI als Benutzerlabor weltweit einen hervorragenden Ruf erworben und steht heute für Spitzenforschung in anspruchsvollen und

Internationale Massstäbe setzen

komplexen interdisziplinären Projekten. Das Institut hat auf vielen Gebieten Pionierar-

Die Kompetenz aus dem SLS-Projekt haben die

beit geleistet, zum Beispiel in der Energietech-

Fachleute des PSI genutzt, um mit dem Swiss-

nik für umweltfreundliche Fahrzeugantriebe

FEL erneut eine technologisch einzigartige

oder in der Entwicklung der Protonentherapie.

Anlage zu entwickeln, die wie die SLS interna-

Mit dieser Behandlungsmethode können be-

tional Massstäbe setzen wird. So haben For-

stimmte Krebsarten schonender und erfolgrei-

scherinnen und Forscher am PSI neuartige

cher behandelt werden als mit herkömmlichen

Ideen entwickelt, um den SwissFEL kompakter

Therapiemethoden. Bereits im Jahr 2001 hat

und preiswerter zu bauen als die anderen

das PSI mit seiner Synchrotron Lichtquelle

Röntgenlaser.

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SwissFEL langfristig gestärkt und gleichzeitig ein wesentlicher Beitrag zur Wettbewerbsfähigkeit der Schweizer Wirtschaft geleistet. Diese Wettbewerbsfähigkeit basiert hauptsächlich darauf, dass innovative Produkte vor denen der Mitbewerber auf den Markt gebracht werden. Erstklassige Forschungsmöglichkeiten im eigenen Land erlauben es, frühzeitig neues Wissen sowie neuartige Methoden und Werkzeuge zu entwickeln, die den globalen Herausforderungen Rechnung tragen. Die Schweizer Industrie wird aber auch unmittelbar von den neuen Forschungsmöglichkeiten am SwissFEL profitieren, sei es durch Kollaborationen mit dem PSI und den Hochschulen oder durch Untersuchungen an der SwissFELAnlage im Rahmen eigener Entwicklungsarbeit. Auf diese Weise werden die guten Beziehungen, die sich zwischen dem PSI und der Industrie in den vergangenen Jahren entwickelt haNeue Massstäbe setzt der SwissFEL auch mit

ben, mit diesem innovativen Projekt weiter

seinem Energiekonzept: Er ist der weltweit

verstärkt.

erste energieoptimierte Freie-Elektronen-Rönt-

Doch schon vor der Inbetriebnahme ist das

genlaser. Der Stromverbrauch ist im Vergleich

SwissFEL-Projekt der Schweizer Industrie zu-

zu anderen Anlagen drastisch reduziert. Zudem

gutegekommen: Die neue Hightech-Anlage

verfügt der SwissFEL als einziger XFEL über eine

wurde in enger Kooperation mit der heimischen

Wärmerückgewinnungsanlage. Die Abwärme

Industrie entwickelt und verwirklicht. So konn-

des SwissFEL wird in das Wärmenetz des PSI

ten zum Beispiel die Maschinen- und Anlagen-

eingespeist.

bauspezialisten TEL Mechatronics AG (vormals Oerlikon Mechatronics AG) und MDC Max Daetwyler AG als Partner für Entwicklung und Bau

SwissFEL – ein innovatives Projekt stärkt die Wettbewerbsfähigkeit der Schweizer Wirtschaft

wichtiger SwissFEL-Komponenten gewonnen

Der SwissFEL ist eine nationale Anlage, die sich

kungen auf die Ausbildung von Studierenden

stark an den Forschungsinteressen und -erfah-

und Doktorierenden sowie Spezialisten im

rungen der schweizerischen Hochschulen und

Bereich der Hochtechnologie in Fachrichtungen

Industrie orientiert und deren Forschungsinte-

wie Leistungselektronik, Computertechnik,

ressen und -bedürfnisse berücksichtigt. So wird

Material-, Werkstoff- und Vakuumtechnik, Sen-

der Forschungsstandort Schweiz durch den

sorik oder Bildverarbeitungstechnik.

werden. Nicht zuletzt hat das SwissFEL-Projekt während des Aufbaus und im Betrieb positive Auswir-

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Die SwissFEL-Anlage Bau und Funktion

Der SwissFEL wird für wissenschaftliche Unter-

steht aus vier Teilen: einem Injektor, einem

suchungen extrem intensive und extrem kurze

Linearbeschleuniger, einer Anordnung von

Blitze von Röntgenlicht erzeugen. Dieses Rönt-

Undulatoren und Experimentiereinrichtungen.

genlicht wird im SwissFEL von sehr schnellen

Die Erzeugung des Röntgenlichts beginnt im

Elektronen abgestrahlt, die von starken Mag-

Injektor: Mit einem Lichtblitz werden Elektro-

neten auf eine enge, schlangenförmige Bahn

nen aus einer Metallplatte herausgeschlagen

gezwungen werden. Denn Elektronen, die ge-

und durch ein elektrisches Feld vorbeschleu-

zwungen werden, ihre Geschwindigkeit oder

nigt. Von dort fliegen sie zum Linearbeschleu-

Richtung zu ändern, strahlen elektromagneti-

niger weiter, der sie mithilfe starker Mikrowel-

sche Strahlen ab – je nach Art der Elektronen-

len auf die erforderliche Energie bringt.

bewegung können das Radiowellen, sichtbares

Damit sind sie schnell genug, um in Undulato-

Licht oder eben Röntgenlicht sein.

ren – so nennen die Fachleute die verwendete

Die SwissFEL-Anlage erstreckt sich über eine

Magnetanordnung – auf eine schlangenförmige

Länge von knapp 740 Metern. Die Anlage be-

Bahn geschickt zu werden. Dabei erzeugen die

 Linearbeschleuniger Die Elektronen werden auf die erforderliche Energie gebracht.

ΠInjektor Die Elektronen werden erzeugt und vorbeschleunigt.

Quadrupolmagnet Dieses Bauteil führt den Elektronenstrahl entlang der Bahn.

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Kavitäten Der Linearbeschleuniger besteht aus 104 Kavitäten von jeweils 113 ring­ förmigen Kupferscheiben. Er hat eine Gesamtlänge von 335 Metern.


Elektronen die Röntgenlichtstrahlung, die sich

Nachdem die Elektronen das Röntgenlicht ab-

gleichsam mit der Gewalt einer Lawine zu dem

gestrahlt haben, werden sie nicht mehr benö-

einzigartig intensiven Röntgenlicht des Swiss-

tigt und in einer Auffangvorrichtung eingefan-

FEL verstärkt. Dazu werden am SwissFEL auf

gen. Der Röntgenlichtstrahl hingegen wird zum

60 Metern 12 Undulatoren mit je 1060 Magne-

Experimentierplatz geleitet und steht nun den

ten hintereinander angeordnet. Die nötige

Forschenden für ihre Experimente zur Verfü-

hohe Genauigkeit beim Aufbau der Undulato-

gung.

ren zu erreichen, ist eine Höchstleistung der Ingenieurkunst.

Die Darstellung ist nicht massstabsgetreu. Der Undulator befindet sich in einer Vakuumkammer, damit die Magnete möglichst nah an den Elektronenstrahl herangeführt werden können.

 Experimente Die extrem kurzen und intensiven Röntgenblitze werden mithilfe optischer Elemente bis zu den Messplätzen geführt, wo die verschiedensten Experimente durchgeführt werden.

Ž Undulatoren

Neodym-Magnete

Die Undulatoren sind aus ultrastarken Neodym-Magneten zusammengesetzt. Die Magnete mit abwechselnder Polarität zwingen die Elektronen auf eine Slalombahn, dabei entsteht das Röntgenlicht.

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Hightech im Einklang mit der Natur Der SwissFEL wurde in unmittelbarer Nähe des Paul Scherrer Instituts im Würenlinger Wald gebaut. Das Gebäude besteht aus einem Unter-

Dem sensiblen Standort gerecht werden

und einem Obergeschoss. Das Röntgenlicht für

Der Würenlinger Wald ist Lebensraum für zahl-

die Experimente wird im Untergeschoss er-

reiche Tier- und Pflanzenarten sowie Erholungs-

zeugt, wo sich der Injektor, der Beschleuniger

raum für Menschen, die in der Umgebung

und die Undulatoren befinden. Der Beschleu-

wohnen oder arbeiten. Um diesem sensiblen

niger des SwissFEL benötigt für den Betrieb

Standort gerecht zu werden, hat ein interdis-

Versorgungsanlagen, die sich im Obergeschoss

ziplinäres Expertenteam in zweijähriger Pro-

oberhalb des Beschleunigertunnels befinden.

jektarbeit ein Konzept zur bestmöglichen Ein-

Nach dem Beschleunigertunnel verbreitert sich

bettung des SwissFEL in seine Umgebung

das Gebäude und wird einstöckig, sodass Platz für die Experimentierhallen entsteht.

Die beiden Wildübergänge auf der SwissFEL-Anlage ermöglichen einen Wildwechsel.

Im Obergeschoss befinden sich die Versorgungsanlagen des SwissFEL-Beschleunigers. A

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Das Röntgenlicht für die Experimente wird im Untergeschoss des Gebäudes erzeugt, wo sich Injektor, Beschleuniger und Undulatoren befinden.


Lebensraum für gefährdete Tierarten

erarbeitet. Die notwendigen Eingriffe in die Natur und Landschaft wurden so gering wie möglich gehalten. Ökologisch wertvoller Lebensraum wurde geschaffen, der zu einem

Spezielles Augenmerk wurde auch auf gefähr-

neuen Artenreichtum führen wird.

dete Tierarten gerichtet: Die in der Nähe be-

Die Anlage ist grösstenteils mit Erde überdeckt,

heimatete Fledermausart «Graues Langohr»

sodass Erholungssuchende nur einen Damm

findet in der Umgebung des SwissFEL neue

sehen. Auf diesem Damm wurde eine Mager-

Nahrung. Wassertümpel und offene Bodenflä-

wiese angelegt – eine im Aargau heimische

chen, Stauden und Hecken fügen sich zu einem

Naturlandschaft. Dadurch entsteht Lebens-

artgerechten Biotop für die ökologisch beson-

raum für Tagfalter und Wildbienen.

ders sensiblen Amphibien zusammen. Zwei Wildübergänge stellen einen ungestörten Wildwechsel über die Anlage sicher. Der Verkehr zur Anlage wird auf ein Minimum reduziert und verläuft auf einer tief gelegten Strasse, die vom Waldweg kaum einsehbar ist und somit Erholungssuchende nicht beeinträchtigt. Die Zugangsbeleuchtung wird nur bei Bedarf aktiviert.

Den Forschenden stehen für die Dauer der Experimente am SwissFEL Labors zur Verfügung.

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Und

Blick nach Norden: Die Umgebung des SwissFEL nach seiner Fertigstellung. Die Anlage befindet sich unter dem links dargestellten Erdwall und ist vom Waldweg aus nicht sichtbar. Auf dem Erdwall wurde eine ökologisch wertvolle Magerwiese angelegt.

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Beispielhafte Anwendungen des SwissFEL-Röntgenlichts

Der SwissFEL macht kurzzeitige Veränderungen

ches Verständnis könnte aber zum Beispiel

von atomaren und molekularen Strukturen

helfen, Katalysatoren zu entwickeln, mit denen

sichtbar. Die Anwendung dieses speziellen

Stoffe umweltfreundlicher und energiesparen-

Röntgenlichts soll hier an zwei Beispielen

der ineinander umgewandelt werden.

vorgestellt werden.

Dass man die Vorgänge bis heute nicht im Detail versteht, liegt unter anderem daran, dass chemische Reaktionen extrem schnell ablau-

Grundlagen für eine intakte Umwelt und eine gesicherte, klimaneutrale Energieversorgung

fen: Die Zeit, die vergeht, wenn sich Bindungen

Ob Abgasreinigung oder Herstellung von

(Billionstel = Millionstel eines Millionstels).

Grundstoffen für die chemische Industrie: Bei

Um die Reaktionsabläufe genau zu verstehen,

zahllosen technischen Vorgängen werden

möchten die Wissenschaftler die einleitenden

Stoffe in chemischen Reaktionen ineinander

Schritte einer chemischen Reaktion beobach-

umgewandelt. Besondere Substanzen – von

ten, also gewissermassen einen Film mit einer

Chemikern als Katalysatoren bezeichnet – sor-

extrem kurzen Belichtungszeit für die einzelnen

gen dafür, dass solche Reaktionen möglichst

Bilder aufnehmen. Der SwissFEL wird genau

effizient ablaufen können. Diese beteiligen

dies möglich machen, indem er intensive Rönt-

sich zwar an den Reaktionen, werden dabei

genlichtblitze erzeugen wird, die jeweils nur

aber nicht verbraucht. Obwohl Reaktionen mit

rund 10 Femtosekunden (1 Femtosekunde =

Katalysatoren seit vielen Jahrzehnten in unzäh-

0,001 billionstel Sekunden) dauern und so

ligen Anwendungen genutzt werden, wird ihre

einzelne Schritte der Reaktion ablichten kön-

Funktionsweise oft nicht verstanden. Ein sol-

nen.

in einem einzelnen Molekül lösen und neue Bindungen für ein neues Molekül eingehen, dauert oft gerade mal 0,1 billionstel Sekunden

Röntgenpulse H2

NH3

N2

Lichtblitz

Reaktionszeit [fs]

Produktion von Ammoniak aus Wasserstoff und Stickstoff: Ammoniak ist einer der Grundstoffe für die Herstellung von Kunstdünger und leistet dadurch einen wichtigen Beitrag zur Welternährung. Die Reaktion zur Produktion von Ammoniak verläuft in mehreren Schritten: Zunächst müssen die aus je zwei Atomen bestehenden Stickstoffmoleküle (blau) und Wasserstoffmoleküle (gelb) in einzelne Atome getrennt werden. Dann verbindet sich je ein Stickstoffatom mit drei Wasserstoffatomen zu einem Ammoniakmolekül. Möglich macht diese Reaktion erst die Vermittlung des Katalysators Eisen (grau). Im SwissFEL wird man diese gut untersuchte Reaktion als Beispiel nutzen, um die wissenschaftlichen Möglichkeiten der Anlage zu erproben. So werden die Forschenden lernen, entsprechende Reaktionen an ähnlich relevanten Katalysatoren zu beobachten. In einem SwissFEL-Experiment wird die katalytische Reaktion zu Beginn durch einen Lichtblitz ausgelöst und dann zu verschiedenen Zeitpunkten mit Röntgenpulsen beleuchtet und dadurch der aktuelle Zustand der Reaktion abgebildet. So wird man beispielsweise erforschen können, in welcher Reihenfolge die Reaktionsschritte stattfinden oder wie lange sie dauern. 10


Die Bewegung des Myoglobin­ moleküls (von Position 1 nach Position 2), das für lebenswichtige Vorgänge beim Atmen verantwortlich ist, kann per Computer mit geeigneten Berechnungsmethoden vorausgesagt werden. Eine experimentelle Überprüfung dieser theoretischen Modelle wird erst mit der neuen SwissFEL-Anlage möglich sein.

Grundlagen für eine dauerhafte Gesundheit durch massgeschneiderte Medikamente Proteine bilden die Grundbausteine lebender Organismen und sind für zahllose lebenswichtige Vorgänge verantwortlich. Viele Proteine üben auch katalytische Funktionen für chemische Reaktionen aus, andere binden Hormone und Signalmoleküle, die das Verhalten von Zellen und ganzen Organen steuern. Ein kom-

Lichtquelle Schweiz SLS untersucht werden.

pliziert aufgebautes Proteinmolekül besteht

Solche Messungen ergeben aber nur ein stati-

aus vielen tausend Atomen, die auf einzigartige

sches Bild dieser komplexen, biologischen

Weise angeordnet sein müssen, damit das

«Maschinen». Gleichzeitig gibt es eine grosse

Molekül seine Aufgabe erfüllen kann. Dabei

Zahl wichtiger Proteine, die sich mit diesem

sind Proteine innerhalb einer lebenden Zelle

Verfahren nur sehr schwer untersuchen lassen

keine starren Körper, sondern führen Bewe-

– die sogenannten Membranproteine, die in

gungen aus, deren Dauer zwischen Femtose-

der Aussenhaut der Zellen eingebettet sind.

kunden und einigen Sekunden liegen.

Deshalb kennen wir die Struktur von vielen

Mit ultrakurzen Röntgenblitzen, wie sie am

Membranproteinen nicht. Neben Membranpro-

SwissFEL erzeugt werden, lassen sich Bewe-

teinen können am SwissFEL auch die Struktu-

gungen von Molekülen zeitlich verfolgen und

ren von ganzen Proteinkomplexen, die in vielen

so die Prozesse beobachten, an denen diese

Varianten in Zellen und Organen auftreten,

Moleküle beteiligt sind. Zukünftige Experi-

effizient untersucht werden. Dies ist mit kon-

mente sollen beispielsweise dazu beitragen,

ventioneller Proteinkristallografie nicht mög-

die molekularen Prozesse zu verstehen, die bei

lich. Der SwissFEL ermöglicht uns ausserdem,

Infektionskrankheiten, funktionseinschränken-

katalytisch wirksame Proteine, sogenannte

den Erkrankungen der Zellen in Organen (bei-

Enzyme, direkt bei der Arbeit zu beobachten.

spielsweise des Nervensystems, der Gelenke,

Diese Enzyme beeinflussen wichtige chemi-

der Organe des Verdauungstraktes) oder bei

sche Umwandlungen und erleichtern den Ab-

Tumorerkrankungen eine Rolle spielen. Diese

lauf chemischer Reaktionen und die gezielte

Erkenntnisse werden in Zukunft die Entwick-

Herstellung chemischer oder biologischer Mo-

lung von massgeschneiderten Medikamenten

leküle. Dank der hohen Zeitauflösung des

ermöglichen.

SwissFEL wird es möglich sein, einzelne Reak-

Der räumliche Aufbau von Proteinen kann

tionsschritte, wie das Aufbrechen und Neubil-

schon heute sehr erfolgreich mit dem Verfahren

den chemischer Bindungen, direkt zu beob-

der Proteinkristallografie an der Synchrotron

achten. 11


Wie schnell ist «ultraschnell»? Um ultraschnell ablaufende Prozesse beob-

der Wand. Das ist etwa eine Million mal schnel-

achten zu können, braucht es ultrakurze Rönt-

ler als die Belichtungszeit eines normalen

genblitze, wie sie der SwissFEL produzieren

Fotoapparates! Die Aufnahmen, die man mit

wird. Ein solcher Blitz dauert etwa 10 Femto-

dem SwissFEL machen wird, sind jedoch noch-

sekunden. Wie kann man ein Gefühl für diese

mals eine Million mal schneller geschossen,

Zeitspanne entwickeln? Erinnern wir uns an

als Lucky Luke schiessen müsste. Oder anders

den Comic-Helden Lucky Luke, «Dä Maa wo

gesagt: Der SwissFEL hat eine Belichtungszeit

schnäller schüsst als sin Schattä». Aber wie

von 10 Femtosekunden, und das ist eine tau-

schnell muss Lucky Luke denn seinen Revolver

send Milliarden (1 Billion) Mal kürzere Belich-

ziehen, um schneller als sein Schatten zu sein?

tungszeit als die einer normalen Kamera.

Licht braucht etwa 10 Nanosekunden, um die Entfernung von 3 Metern zu durchlaufen. So viel Zeit hätte also auch Lucky Luke, um die Waffe schneller zu ziehen als sein Abbild auf

Mit dem SwissFEL «fotografieren» wie Moleküle eine neue Verbindung eingehen

Der Mann, der schneller zieht als sein Schatten 10 Femtosekunden (0,00000000000001 s)

Fotografie mit einer normalen Kamera 10 Nanosekunden (0,00000001 s)

10 Millisekunden (0,01 s)

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Technische Daten des SwissFEL Länge: ca. 740 Meter Endenergie der Elektronen: 6 Gigaelektronenvolt (Milliarden Elektronenvolt) Wiederholungsrate: 100 Hz (Pulse pro Sekunde) Anzahl der beschleunigten Elektronen pro Puls: 2 × 1 250 000 000 (zwei Elektronenpakete) Wellenlänge des Röntgenlichts: je nach Strahlführung zwischen 0,1 und 7 Nanometer Dauer eines Röntgenpulses: 1–60 Femtosekunden (1–60 × 10–15 s) Brillanz: nahezu 10 Milliarden Mal höhere Spitzenbrillanz als bei herkömmlichen modernen Synchrotronstrahlquellen Für Experimente nutzbare Zeit: ca. 5000 Stunden pro Jahr Erste Pilotexperimente: 2017 Kosten: Die Kosten des SwissFEL betragen rund 275 Millionen Franken und werden zum grössten Teil vom Bund getragen. Der Kanton Aargau beteiligt sich mit 30 Millionen Franken aus seinem Swisslos-Fonds an der Finanzierung.

Standort des SwissFEL beim Paul Scherrer Institut

Œ Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS Die SLS ist eine Synchrotron Lichtquelle, an der seit 2001 Spitzenforschung betrieben wird.  Der SwissFEL Der SwissFEL ergänzt die Forschungsmöglichkeiten an der SLS.

Ž Œ PSI West

Ž Zentrale Steuerung Kontrollraum aller Beschleunigeranlagen des PSI. Zukünftig wird auch der SwissFEL von hier aus gesteuert.

Aare

PSI Ost

SwissFEL

N



740 m

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Das Paul Scherrer Institut aus der Vogelperspektive.

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Das PSI in Kürze

Das Paul Scherrer Institut PSI ist ein Forschungsinstitut für Natur- und Ingenieurwissenschaften. Am PSI betreiben wir Spitzenforschung in den Bereichen Materie und Material, Energie und Umwelt sowie Mensch und Gesundheit. Durch Grundlagen- und angewandte Forschung arbeiten wir an nachhaltigen Lösungen für zentrale Fragen aus Gesellschaft, Wissenschaft und Wirtschaft. Das PSI entwickelt, baut und betreibt komplexe Grossforschungsanlagen. Jährlich kommen mehr als 2500 Gastwissenschaftler aus der Schweiz, aber auch aus der ganzen Welt zu uns. Genauso wie die Forscherinnen und Forscher des PSI führen sie an unseren einzigartigen Anlagen Experimente durch, die so woanders nicht möglich sind. Die Ausbildung von jungen Menschen ist ein zentrales Anliegen des PSI. Deshalb sind etwa ein Viertel unserer Mitarbeitenden Postdoktorierende, Doktorierende oder Lernende. Insgesamt beschäftigt das PSI 2000 Mitarbeitende. Damit sind wir das grösste Forschungsinstitut der Schweiz.

Umschlagbild: Die Daetwyler-Gruppe entwickelte und baute wesentliche Komponenten für die Undulatoren des Freie-Elektronen-Röntgenlasers SwissFEL: Peter Daetwyler (links) mit SwissFEL-Projektleiter Hans Braun vor den einsatzbereiten Undulatoren im Strahlkanal.

Impressum Konzeption/Redaktion Paul Scherrer Institut Fotos Frank Reiser, PSI Markus Fischer, PSI Gestaltung und Layout Monika Blétry, PSI Druck Paul Scherrer Institut Zu beziehen bei Paul Scherrer Institut Events und Marketing 5232 Villigen PSI, Schweiz Telefon +41 56 310 21 11 Villigen PSI, Mai 2017

Weitere Auskünfte zum SwissFEL SwissFEL-Projektleiter Beschleuniger Dr. Hans Braun Tel. + 41 56 310 32 41 hans.braun@psi.ch SwissFEL-Projektleiter Experimente Dr. Luc Patthey Tel. +41 56 310 45 62 luc.patthey@psi.ch SwissFEL Science Officer Dr. Mirjam van Daalen Tel. + 41 56 310 56 74 mirjam.vandaalen@psi.ch Ein Film über den SwissFEL findet sich auf www.psi.ch/de/media/film-swissfel 15


Paul Scherrer Institut  ::  5232 Villigen PSI  :: Schweiz ::  Tel. +41 56 310 21 11  :: www.psi.ch

SwissFEL_d, 5/2017

SwissFEL - Brillante Aussichten: Der Schweizer Freie-Elektronen-Röntgenlaser (2017)  
SwissFEL - Brillante Aussichten: Der Schweizer Freie-Elektronen-Röntgenlaser (2017)  

Das Paul Scherrer Institut baut eine neue wissenschaftliche Grossanlage – den Freie-Elektronen- Röntgenlaser SwissFEL. Daraus ergeben sich n...