Ein Stück PSI-Geschichte geht auf grosse Fahrt

Vorsichtig wird das Gerät mit dem Hallenkran angehoben. Die Gewichtsanzeige auf dem Aussenbildschirm des Krans schnellt nach oben und wieder nach unten und pendelt sich schliesslich bei etwa 11,5 Tonnen langsam ein. Das Gewicht dieses sogenannten Insertion Devices stammt hauptsächlich vom schweren Stahlgestell. Die darin verbauten Magnete erzeugen Anziehungskräfte von mehreren Tonnen. Um dieser enormen Feldstärke standhalten zu können, muss das Gerät entsprechend massiv konstruiert sein. Die periodische Anordnung dieser Magnete wird in Teilchenbeschleunigern genutzt, um Elektronen abzulenken und dadurch Synchrotronstrahlung – eine spezielle Form von Röntgenstrahlung – zu erzeugen.

Pionierarbeit am PSI

Am PSI kam diesem Insertion Device jedoch eine ganz besondere Rolle zu. Nach einem Vortrag eines amerikanischen Kollegen über das Generieren von ultrakurzen Röntgenpulsen erkannten die beiden PSI-Physiker Gerhard Ingold und Thomas Schmidt, dass die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS für ein solches Verfahren ideale Voraussetzungen bietet. Femtoslicing nennt sich diese Technik, mit der sich extrem schnelle Vorgänge wie beispielsweise chemische Reaktionen sichtbar machen lassen.

«Unmittelbar nach dem Vortrag stellten wir erste Berechnungen auf. Wenige Tage darauf wurden die Berechnungen zu einem Projekt und drei Jahre später konnten wir schliesslich unter der Projektleitung von Gerhard Ingold weltweit erstmalig harte Röntgenstrahlung im Bereich von Femtosekunden erzeugen – energiereiche Röntgenstrahlung mit einem Puls von 0.000 000 000 000 1 Sekunden», erinnert sich Thomas Schmidt, Leiter der Insertion-Device-Gruppe am PSI. Ihr Ansatz beruhte darauf, das starke Magnetfeld dieses Geräts als Modulator zu nutzen, um die Elektronen in Resonanz mit einem externen Infrarot-Laser zu bringen und dadurch dessen Pulslänge auf die Röntgenstrahlung zu übertragen. Weil dabei nur ein kleiner Bruchteil von Elektronen verwendet wird, nämlich diejenigen, welche mit dem Laserpuls überlappen, spricht man von «slicing» (Englisch für «schneiden»).

Das Projekt führte zu zahlreichen Publikationen. Es wurde mit verschiedenen Proben experimentiert und neuartige Detektoren entwickelt, mit denen sich die extrem schnellen Informationseinheiten auch verarbeiten liessen. Diese Erkenntnisse waren schliesslich von Bedeutung für den Bau von Freie-Elektronen-Laser, die von Linearbeschleunigern angetrieben werden und damit auch indirekt für den Schweizer Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL, an dem 2017 die ersten Pilotexperimente durchgeführt wurden. Das läutete allerdings auch das Ende der Femtoslicing Facility und damit des besagten Insertion Devices ein. «Mit dem SwissFEL sind wir in der Lage, noch viel intensivere und kürzere solcher Lichtblitze zu erzeugen. Damit lassen sich extrem schnelle Vorgänge mit einer noch höheren Auflösung abbilden», so Thomas Schmidt.

Seitdem verbrachte das Insertion Device sein Dasein ungenutzt in der Halle der SLS.

Wichtiger Hersteller mit Sitz in Sibirien

Insertion Devices sind hochpräzise Instrumente, deren Nachfrage begrenzt ist. Somit existieren weltweit nur wenige Hersteller, welche die aufwendige Konstruktion dieser komplexen Geräte überhaupt auf sich nehmen. Der weltweit wichtigste Anbieter von supraleitenden Wigglern (eine spezielle Bauweise von Insertion Devices) befindet sich in Russland. Durch den Krieg und die weltweiten Sanktionen gegen Russland wurde jedoch auch der Import dieser raren Geräte in vielen Ländern eingestellt.

«In unserem europäischen Netzwerk für Synchrotron Lichtquellen (LEAPS – League of European Accelerator-based Photon Sources) wurde plötzlich die Nachfrage nach ausgedienten Wigglern laut», erklärt Thomas Schmidt. «Zuerst erkundigte sich SOLARIS, das nationale Zentrum für Synchrotronstrahlung in Polen nach einem nicht mehr benötigten Exemplar – wir haben sofort zugesagt und ihnen die Pläne zugeschickt. Leider war das Gerät mit ihrer Anlage nicht kompatibel.» Doch bereits kurze Zeit später meldete sich die australische Organisation für Wissenschaft und Technologie im Nuklearbereich und fragte ebenfalls nach einem Wiggler für ihr Synchrotron in Melbourne. Wieder wurden Pläne verschickt – diesmal passte alles.

Von Villigen nach Melbourne

Langsam schwankend bewegt sich das Insertion Device am Kran hängend über den Boden. Die Holzpalette liegt bereit und das tonnenschwere Gerät sinkt präzise nach unten und legt sich sanft auf seinen Platz. Mit geübten Handgriffen beginnen die beiden Mitarbeiter der Firma cargopack tägi AG mit dem Verpacken. Zuerst erhält das Insertion Device eine Behandlung mit einem Anti-Korrosionsspray, damit ihm das Salzwasser auf seiner langen Seereise auch ja keinen Rost zufügen kann. Danach wird das Gerät in Plastik verpackt, bevor die robusten Holzwände hochgezogen werden und es unter dem Deckel schliesslich ganz verschwindet. Ein speziell für solche Lasten zugelassener Gabelstapler fährt mit der Kiste nach draussen und verfrachtet sie für die Fahrt nach Antwerpen in einen Laster. Von da aus geht’s in den Schiffscontainer und die Reise auf hoher See ans andere Ende der Welt kann beginnen.

Erkennen, woran es fehlt und wie man einander helfen kann: Das zeichnet internationale Netzwerke wie LEAPS aus und unterstreicht einmal mehr ihre Bedeutung für die Forschung. Auf das frisch verpackte Insertion Device, mit dem bis 2017 am PSI intensiv geforscht wurde, wartet in Australien eine neue Aufgabe, nämlich jene, für welches es ursprünglich konzipiert wurde – dem erzeugen von Synchrotronstrahlung. Bis dahin wünschen wir ihm eine gute Reise.

Text: Paul Scherrer Institut/Benjamin A. Senn