Im SwissFEL werden Elektronen auf beinahe Lichtgeschwindigkeit beschleunigt und dann auf eine Kurvenbahn geschickt – dabei erzeugen sie Röntgenlicht. Der SwissFEL besteht aus einer Elektronenquelle, die den Elektronenstrahl erzeugt, einem Beschleuniger und einem Undulator, in dem die Elektronen auf eine Wellenbahn gezwungen werden. Am Ende befinden sich die Messplätze, an denen das erzeugte Licht für Experimente genutzt wird.
Der Röntgenlaser SwissFEL wird extrem kurze Blitze aus Röntgenlicht mit Lasereigenschaften erzeugen. Diese Blitze werden von sehr schnellen Elektronen abgestrahlt, die durch starke Magnete auf eine wellenförmige Bahn gezwungen werden. Grundsätzlich erzeugen elektrisch geladene Teilchen, die sich auf einer gekrümmten Bahn bewegen, elektromagnetische Strahlung. Ob das Radiowellen sind, sichtbares Licht oder Röntgenstrahlung hängt von den Bedingungen ab.
Der SwissFEL wird aus drei wesentlichen Teilen bestehen:
- Einer Elektronenquelle, in der die freien Elektronen erzeugt werden,
- einem Beschleuniger, der die Elektronen auf die benötigte hohe Bewegungsenergie bringt,
- einer Undulatorstrecke, in der die Elektronen von starken Magneten auf eine Wellenbahn gezwungen werden und die Röntgenpulse erzeugen.
Hinzu kommen optische Komponenten, in denen das Röntgenlicht gefiltert und fokussiert wird und die Messplätze, an denen die Messungen stattfinden. Nachdem die Elektronen im Undulator das Röntgenlicht abgestrahlt haben, werden sie im so genannten Beam Dump, einem „Strahlfänger“ aufgefangen.
Die gesamte SwissFEL-Anlage wird rund 740 Meter lang sein. Dabei entfallen 550 Meter auf die Elektronenquelle und den Beschleuniger, 100 Meter auf die Undulatorstrecke und die restlichen 90 Meter auf die Röntgenoptik und die Messplätze.
Das Besondere an der Art, wie der SwissFEL Röntgenlicht erzeugt, ist die Tatsache, dass nicht nur der Elektronenstrahl das Licht abstrahlt, sondern dass das erzeugte Licht wiederum den Elektronenstrahl beeinflusst. Durch diese Wechselwirkung wird der anfangs schwache Röntgenstrahl deutlich verstärkt – Fachleute sprechen gerne von einer „lawinenartigen Verstärkung“. Der englische technische Begriff für diesen Prozess ist „self-amplified spontaneous emission“ – „SASE“.
Anlagen, an denen Laserlicht durch den SASE-Prozess erzeugt wird, nennt man Freie-Elektronen-Laser (FEL), weil die Elektronen sich darin frei im Vakuum bewegen und nicht innerhalb eines Materials, wie in üblichen Lasern. Genau genommen ist der SwissFEL ein „XFEL“, weil er Röntgenstrahlen (Englisch X-Rays) erzeugt.