Die SwissFEL-Anlage: Der Linearbeschleuniger

Im Linearbeschleuniger bekommt der Elektronenstrahl die Bewegungsenergie, die nötig ist, damit er das Röntgenlicht erzeugen kann. Der Linearbeschleuniger ist insgesamt mehr als 300 Meter lang – sein Herz besteht aus 11752 speziell geformten Kupferscheiben, in denen das beschleunigende Feld erzeugt wird.

SwissFEL
Herstellung einer einzelnen „Kupfertasse“ (Durchmesser ca. 11 Zentimeter) Foto: Scanderbeg Sauer Photography
Herstellung einer einzelnen „Kupfertasse“ (Durchmesser ca. 11 Zentimeter) Foto: Scanderbeg Sauer Photography
Eine der 104 Beschleunigungsstrukturen für den Linearbeschleuniger des SwissFEL. Die eigentliche Kavität ist als kupferfarbenes Rohr dargestellt, das aus 113 Kupfertassen besteht. Die Länge der Kavität beträgt ca. 2 Meter. Der vergrösserte Teil zeigt, wie die einzelnen Kupfertassen in der Kavität hintereinander angeordnet sind.
Eine der 104 Beschleunigungsstrukturen für den Linearbeschleuniger des SwissFEL. Die eigentliche Kavität ist als kupferfarbenes Rohr dargestellt, das aus 113 Kupfertassen besteht. Die Länge der Kavität beträgt ca. 2 Meter. Der vergrösserte Teil zeigt, wie die einzelnen Kupfertassen in der Kavität hintereinander angeordnet sind.
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Die Beschleunigung der Elektronen geschieht in mehreren Stufen – die Elektronen werden in einer Stufe beschleunigt und fliegen dann zur nächsten, in der sie weiterbeschleunigt werden. Am Anfang sind zwischen die Beschleunigerkomponenten noch zwei so genannte magnetische Schikanen eingebaut, die die Elektronen so über eine gekrümmte Bahn leiten, dass die einzelnen Elektronenpulse insgesamt kürzer werden.

Der grösste Teil der Beschleunigung findet im Linearbeschleuniger statt, der aus insgesamt 104 hintereinander geschalteten Beschleunigungsstrukturen besteht. Jede dieser Strukturen besteht wiederum aus 113 so genannten Kupfertassen, die hintereinandergereiht die richtige Form der Beschleunigerstruktur bilden. Die insgesamt 11752 Tassen müssen auf Bruchteile eines Millimeters genau gearbeitet sein, damit sie ihre Aufgabe erfüllen können.

Hintergrund: Beschleunigung mithilfe elektrischer Felder in Kavitäten

Die Elektronen werden im SwissFEL mithilfe elektrischer Felder beschleunigt. Ein elektrisches Feld kann man sich als einen Bereich vorstellen, in dem auf elektrisch geladene Teilchen – wie etwa Elektronen – eine Kraft wirkt, die sie beschleunigt. Es ist dabei praktisch nicht möglich, ein konstantes elektrisches Feld zu erzeugen, mit dem die gesamte am SwissFEL benötigte Beschleunigung erreicht werden könnte. Das Feld muss also veränderlich sein. Dadurch wird es stets verschiedene Bereiche geben – solche, in denen die Elektronen beschleunigt werden, und solche, in denen das gerade nicht möglich ist. Dann muss man die Bewegung der Elektronenpakete so mit der Veränderung des Feldes koordinieren, dass sich die Elektronen möglichst stets in einem beschleunigenden Bereich befinden.

Im Linearbeschleuniger werden die Elektronen durch eine so genannte laufende Welle beschleunigt. Hier bewegt sich der Bereich des elektrischen Feldes, in dem die Elektronen in die richtige Richtung beschleunigt werden, mit Lichtgeschwindigkeit durch die Anlage hindurch. Die Elektronenpakete, die in diesen Beschleunigerteil eingespeist werden, wurden schon vorher auf eine Geschwindigkeit gebracht, die nur sehr wenig kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit. Da die Lichtgeschwindigkeit die höchste mögliche Geschwindigkeit ist, können die Elektronen nun kaum noch schneller werden und befinden sich dadurch stets in dem Bereich, in dem sie am stärksten beschleunigt werden. Das kann man mit einem Surfer vergleichen, der auch stets auf dem Wellenkamm bleibt und sich so mit der Welle mitbewegt. Dabei gewinnen sie zwar kaum an Geschwindigkeit, aber an Bewegungsenergie – und die ist entscheidend für das am SwissFEL erzeugte Röntgenlicht.

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