Das letzte Puzzleteilchen

Mit dem Freie-Elektronen-Röntgenlaser SwissFEL des PSI werden in Zukunft ultraschnelle Vorgänge im Detail sichtbar werden, die der Mensch weder mit blossem Auge noch mit einer Kamera erfassen kann. Dazu sind hoch spezialisierte Detektoren nötig, quasi die Augen der neuen Anlage. Julia H. Smith aus Deutschland arbeitet an der Entwicklung eines solchen Detektors mit. Die junge Frau hat sich entschlossen, nach ihrem Doktorat in Amsterdam als Postdoktorandin – kurz Postdoc – nach Villigen zu gehen. Der Forschungsaustausch ist für Julia Smith enorm wichtig. Die Arbeit hier, in dieser Detektorgruppe, ist das Puzzleteilchen, das mir noch gefehlt hat, sagt sie. Die Physikerin hatte sich in ihrer bisherigen Forschung eingehend mit der praktischen Anwendung von Pixeldetektoren auseinandergesetzt. Am PSI macht Smith nun einen Schritt zurück und wirkt ganz am Anfang, in der Entwicklungsphase eines Detektors, mit.

Monumental wie der echte Berg

Ein Gerät von Beginn an für einen ganz bestimmten Zweck zu entwickeln, sei nicht nur lehrreich, sondern auch äusserst anspruchsvoll. Denn die Pixeldetektoren, an denen Julia Smith tüftelt, enthalten hochkomplexe miniaturisierte Technologie. Für die Konstruktion der einzelnen Bestandteile bis zum Bau des ersten Prototypen ist Präzision und Know-how gefragt. Ein Pixeldetektor besteht aus vielen einzelnen Pixeln. Jedes dieser winzigen Pixel kann selber Signale empfangen, genauer gesagt, einzelne Röntgenlichtteilchen. Mit den Lichtteilchen werden am SwissFEL unter anderem Moleküle durchleuchtet, sodass man die einzelnen Schritte einer chemischen Reaktion – also wie zwei Atome oder Moleküle eine Verbindung eingehen – sichtbar machen kann. Die Moleküle lenken dabei die Teilchen von ihrem geraden Weg ab. Die Teilchen treffen am Ende auf die Detektoren, die die Information über die Ablenkung der Teilchen weiterleiten. Daraus berechnet ein Computer die Bilder, die – aneinandergereiht – den Ablauf der Reaktion zeigen.

Für Julia Smith ist ein Pixeldetektor ein so vertrauter Gegenstand wie für andere Menschen ihr Smartphone. Trotzdem wirft sie nicht mit Fachbegriffen um sich. Da sie im iLab, dem Schülerlabor des PSI, unterrichtet, erklärt sie die Funktionsweise eines Detektors so einfach, als wäre er die simpelste Sache der Welt. Dabei steht hinter dem Modell Jungfrau, an dem Smith derzeit arbeitet, eine Entwicklungszeit von insgesamt 5 Jahren. Die Anforderungen sind hoch: Die Jungfrau muss ein Spektrum von einem bis zu 10'000 Lichtteilchen gleichzeitig wahrnehmen können. Ein monumentales Werk also, das seine Benennung nach dem Berg in den Berner Alpen mehr als verdient hat. Ein solches Projekt ist nur im Team zu schaffen, betont die Postdoktorandin. Während sich ein Kollege von Smith etwa um das Design des Pixelplättchens – also des Detektorchips – kümmert, spezialisiert sich ein anderer darauf, wie das Auslesen der Informationen funktioniert.

Test erfolgreich – Detektor einsatzbereit

Die deutsche Forscherin hingegen ist im Team für das Testen der Chips zuständig. Dies macht sie mit einem kleinen Testlaser in ihrem Labor oder in der SLS, einer Grossforschungsanlage, die am PSI schon heute intensives Röntgenlicht erzeugt. Wie reagieren die Pixel auf das Laserlicht? Wie leiten sie die Informationen weiter? Funktioniert alles wie gewünscht? Diesen Fragen geht Smith nach – und hat soeben den zweiten Prototypen der Jungfrau überprüft. Er hat erfolgreich bestanden. Der Detektor ist bereit für den SwissFEL, freut sich Smith. Nun geht es darum, den finalen Detektor zu produzieren und diesen wiederum zu testen.

Julia H. Smith hat gute Chancen, während der Zeit am PSI ihren Detektor bis zur Anwendung in der neuen Anlage zu begleiten. Noch wichtiger, als die ersten Experimente mitzuerleben, ist für mich jedoch, mir während meines Postdoktorats möglichst viel Wissen anzueignen, so die Forscherin. Das Ziel sei schliesslich, sich weiterzuentwickeln. Denn Smith will auch nach dem Postdoktorat im Bereich Detektoren und Technologieentwicklung bleiben, in der Industrie oder einem anderen Forschungsinstitut. Das Thema Pixeldetektoren hat sie unwiderruflich gepackt. Mich faszinieren Detektoren, weil jedes dieser winzigen Pixel eine kleine Rechenmaschine ist und, vernetzt mit allen anderen, eine wahnsinnige Leistung erbringt. Ihr Rüstzeug für die Weiterentwicklung dieser komplexen Systeme ist nach dem Postdoktorat am PSI jedenfalls komplett.

Text: Simone Nägeli