Am PSI wurde die erste Beschleunigerstruktur für den Linearbeschleuniger des SwissFEL fertiggestellt. Insgesamt 104 dieser Strukturen werden benötigt, um im SwissFEL die Elektronen, die die Röntgenlichtpulse abstrahlen werden, auf die erforderliche Energie zu beschleunigen. Das hochpräzise gefertigte Bauteil befindet sich nun im Hochleistungstest.
Dann waren es nur mehr 103. Am Paul Scherrer Institut PSI wurde die erste Beschleunigerstruktur für den Linearbeschleuniger des SwissFEL fertiggestellt. Die neue Grossforschungsanlage des PSI wird gerade im Würenlinger Unterwald gebaut und wird ab 2016 hochintensive Röntgenlichtpulse mit den Eigenschaften von Laserlicht erzeugen.
Hochpräzise Fertigung
Insgesamt 104 dieser Strukturen werden benötigt, um im SwissFEL die Elektronen, die die Röntgenlichtpulse abstrahlen werden, auf die erforderliche Energie zu beschleunigen. Sie setzen sich aus je 113 ringförmigen Kupferscheiben (sogenannten Kupfertassen) zusammen. Bei der Fertigung der Beschleunigerstrukturen ist die Fehlertoleranz praktisch null. Die einzelnen Kupfertassen müssen hochpräzise gearbeitet sein. Zusammengefügt werden sie mit Hilfe einer Roboteranlage, die unter Reinraumbedingungen arbeitet. Alle Arbeitsabläufe sind bis ins kleinste Detail festgelegt. Die von einem Spezialisten präparierte Kupfertasse wird auf etwa 50 Grad Celsius erhitzt und von einem Roboterarm zur Prüfung über eine 3D-Kamera geführt. Danach stapelt er die Kupfertasse auf die bereits vorhandenen Tassen und kühlt sie wieder auf Raumtemperatur ab. Dadurch entsteht eine leichte Schrumpfverbindung, die für die genaue Ausrichtung sorgt. Sobald der Stapel fertig ist, wird automatisch ausgemessen, ob die nötige Exaktheit erreicht wurde.
Zuletzt wird der Stapel sorgsam verspannt und mit einem speziellen Transportwagen zum Ultra-Hochvakuum-Lötofen transportiert. Dieser knapp 9 Meter hohe Gigant wurde eigens für die Verlötung der Kupfertassen angeschafft. Auch beim Lötvorgang ist Präzision das höchste Gebot. „Bereits kleinste Unebenheiten auf der Kupferoberfläche können unter Hochspannung zu Überschlägen führen“, betont Florian Löhl, der im SwissFEL-Team für den Linearbeschleuniger verantwortlich ist.
Energieoptimierte Leistungsfähigkeit
Im fertigen SwissFEL werden jeweils vier der Beschleunigerstrukturen zu einem Beschleunigermodul zusammengefasst. Insgesamt wird der Linearbeschleuniger 335 Meter lang sein. Damit er trotz seiner im Vergleich zu anderen Beschleunigeranlagen relativ geringen Länge die gewünschte Leistung erzielt, muss ein enormes Beschleunigungsfeld von etwa 30 Millionen Volt pro Meter erzeugt werden. „Pro Modul soll die Elektronenenergie um mehr als zweihundert Millionen Elektronenvolt erhöht werden“, sagt Löhl. Erst durch diese hohe Elektronenenergie können die Röntgenlichtpulse in jener Qualität erzeugt werden, die für die Experimente am SwissFEL benötigt wird, in denen kleinste Strukturen und ultraschnelle Prozesse durchleuchtet werden, die sich bisher der Erforschung entzogen haben.
Doch die SwissFEL-Entwickler hatten bei der Konzeption des Linearbeschleunigers nicht nur seine optimale Leistungsfähigkeit im Blick: „Wir konnten auch erreichen, dass der Energieverbrauch deutlich unter jenem vergleichbarer Anlagen liegen wird“, freut sich Löhl.
Bis etwa September wird die Beschleunigerstruktur im Hochleistungstest auf Herz und Nieren geprüft. Weitere Strukturen befinden sich bereits in Arbeit: „Die nächste Herausforderung ist dann die Herstellung und der Test eines vollständigen Beschleunigermoduls“, skizziert Löhl die kommenden Schritte.
Text: Martina Gröschl
Der Roboter live bei der Arbeit