Die Synchrotron Lichtquelle Schweiz SLS

Das Synchrotronlicht wird in der SLS von Elektronen emittiert, die sich mit beinahe Lichtgeschwindigkeit auf einer Kreisbahn mit einem Gesamtumfang von 288 Metern bewegen. Das Synchrotronlicht wird tangential zur Bahn der Elektronen abgestrahlt, d.h. in der Richtung, in der auch die Funken von einem Schleifstein oder der Hammer eines Hammerwerfers fliegen.

Bei der Erzeugung der Synchrotronstrahlung nutzt man aus, dass elektrisch geladene Teilchen Licht emittieren, wenn sie sich auf einer gekrümmten Bahn bewegen. Ablenkmagnete halten die Elektronen auf ihrer gebogenen Bahn – ein magnetisches Feld lenkt schnelle elektrisch geladene Teilchen ab.

Mehrere Beschleuniger bringen Elektronen auf hohe Geschwindigkeit

Mehrere Beschleuniger bringen die Elektronen stufenweise auf ihre hohe Geschwindigkeit. Ganz am Anfang der Beschleunigungsstrecke steht ein Linearbeschleuniger, in dem die Elektronen erzeugt und soweit beschleunigt werden, dass sie in das Synchrotron der SLS eingespeist werden können. Im Synchrotron werden die Elektronen auf ihre Endgeschwindigkeit beschleunigt, und dann in einen äusseren Speicherring eingespeist. Hier werden die Elektronen nicht weiter beschleunigt, sondern auf einer konstanten Geschwindigkeit gehalten. Dabei erzeugen sie das Synchrotronlicht. Diese Bauweise mit innerem Beschleunigerring und äusserem Speicherring macht die Nutzung des Top up-Verfahrens möglich.

Das Top-up-Verfahren – konstante Strahlintensität über Stunden

Eine Besonderheit der SLS ist die Nutzung des Top-up-Verfahrens, das dafür sorgt, dass die Intensität des Elektronenstrahls im Speicherring und damit des verfügbaren Synchrotronlichts im Wesentlichen konstant bleibt. In den meisten Synchrotronlichtquellen wird der Elektronenstrahl einmal in den Speicherring eingebracht und kreist dort etwa acht Stunden. Dabei wird der Strahl schwächer, weil Elektronen verloren gehen aber nicht nachgeliefert werden. Das ist für viele Experimentatoren besonders unangenehm, weil sie am Anfang der Strahlzeit ihr Experiment aufbauen müssen und so erst anfangen können zu experimentieren, wenn der Strahl bereits schwächer geworden ist.

Dieses Problem löst das an der SLS genutzte Top up-Verfahren, bei dem etwa alle vier bis fünf Minuten neue Elektronen eingeschossen werden, die die verlorenen ersetzen, so dass die Strahlintensität konstant bleibt. Voraussetzung dafür ist, dass der Vorbeschleuniger, aus dem die Elektronen in den Speicherring eingespeist werden, die Teilchen bereits auf die Geschwindigkeit beschleunigen kann, die sie im Speicherring haben müssen.

SLS – Beschleuniger mit dem dünnsten Elektronenstrahl

Es sind nicht die Ablenkmagnete alleine, die dafür sorgen, dass der Elektronenstrahl in der SLS auf seiner Bahn bleibt. Insgesamt 350 Magnete sind dafür zuständig, den Strahl, der unterwegs dauernd an Geschwindigkeit und Bündelung verliert, auf seiner Bahn zu halten und immer wieder und zu fokussieren; Beschleunigungskavitäten sorgen dafür, dass er seine Geschwindigkeit behält. Seit 2008 ist die SLS der Beschleuniger mit dem dünnsten Elektronenstrahl weltweit – dafür haben die Forscher und Techniker des PSI acht Jahre gearbeitet und jeden Einzelnen der vielen Magnete immer wieder justiert. Dieser Erfolg nützt nicht nur den Benutzern der SLS, sondern ist auch ein wichtiger Beitrag zur Weiterentwicklung der Beschleunigertechnologie.

Quelle der 3. Generation – passendes Synchrotronlicht für verschiedene Bedürfnisse

Wenn man genau hinsieht, hat die Elektronenbahn in der SLS nicht die Form eines exakten Kreises, denn zwischen den Ablenkmagneten befinden sich gerade Bahnstücke. Diese können auch für die Erzeugung von Synchrotronlicht genutzt werden, wenn man dort sogenannte Wiggler oder Undulatoren einbaut – Anordnungen aus vielen Permanentmagneten, die die Elektronen auf eine wellenförmige Bahn zwingen. Mit diesen insertion devices kann man Synchrotronlicht erzeugen, das genau an die Bedürfnisse des jeweiligen Experiments angepasst ist – zum Beispiel solches mit sehr hoher Energie oder mit einer besonderen Polarisationsrichtung. Der Einsatz von Wigglern und Undulatoren macht die SLS zu einer Synchrotronlichtquelle der 3. Generation.