SHINE-Röntgenlaser in China erzeugt erstmals Licht, Shanghai plant Eröffnung 2027

Ein 4-GeV-Strahl bringt ein Großprojekt in Shanghai dem Betrieb näher

Chinas Forschungsanlage SHINE in Shanghai hat erstmals Freie-Elektronen-Laserlicht mit einem Elektronenstrahl von 4 Gigaelektronenvolt (GeV) erzeugt. Das entspricht der Hälfte der Energie, die für den fertigen Beschleuniger geplant ist. Die ShanghaiTech University gab den Durchbruch am 21. Oktober bekannt. Er ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Ziel, das Projekt bis Ende 2027 fertigzustellen und in Betrieb zu nehmen.

Das erste Licht wurde mit 18 Undulatormodulen erzeugt, die jeweils 4 Meter lang sind und ein sich alle 55 Millimeter wiederholendes Magnetmuster enthalten. Zusammen bilden die Module 72 Meter magnetische Strukturen, die schnelle Elektronen auf eine gewundene Bahn lenken und so zur Lichtemission anregen. Das Licht verstärkt sich zu einem intensiven Laserpuls.

SHINE steht für Shanghai High repetition rate XFEL and Extreme light facility. Die Anlage soll Wissenschaftlern helfen, Strukturen im Nanometerbereich und Veränderungen zu untersuchen, die nur Femtosekunden andauern. Ein Nanometer entspricht einem Milliardstel Meter, eine Femtosekunde einem Millionstel eines Milliardstels einer Sekunde. Diese Größenskalen ermöglichen es Forschern, die winzigen Strukturen und schnellen Bewegungen von Atomen und Molekülen zu untersuchen.

Der Bau begann im April 2018. Nach der Fertigstellung soll der supraleitende Linearbeschleuniger 8 GeV erreichen. Einige Betriebsmodi sollen bis zu eine Million Röntgenpulse pro Sekunde liefern. Die ersten beiden Undulatorlinien sollen Photonenenergien von 0,2 bis 15 Kiloelektronenvolt (keV) abdecken.

Der unmittelbare Erfolg besteht darin, während der Inbetriebnahme Laserlicht erzeugt zu haben. Bei der Inbetriebnahme werden Anlagen betriebsbereit gemacht und ihre Leistung überprüft. Regelmäßige Experimente für Gastforscher gehören weiterhin zum geplanten Übergang in den Betrieb im Jahr 2027. ShanghaiTech hat weder ein genaues Eröffnungsdatum noch einen Zeitplan für die Bewerbung von Forschern bekannt gegeben.

Wie bewegte Elektronen einen Röntgenlaser erzeugen

SHINE nutzt Elektronen statt des lichtproduzierenden Materials, das in vielen bekannten Lasern zum Einsatz kommt. Der Linearbeschleuniger verleiht den Elektronen Energie und leitet sie dann durch Undulatoren. Dort bringen wechselnde Magnetfelder sie dazu, sich seitwärts zu bewegen und Strahlung abzugeben.

Während die Elektronen und die Strahlung aufeinanderfolgende Module durchlaufen, wechselwirken sie miteinander. Unter geeigneten Bedingungen ordnen sich die Elektronen in winzigen Gruppen an und emittieren gemeinsam Licht. Dadurch verstärkt es sich zu einem leistungsstarken Puls. Die Energie der Elektronen und der Abstand der magnetischen Strukturen tragen dazu bei, die Energie der entstehenden Photonen zu bestimmen, der einzelnen Lichtteilchen.

Die Angabe von 4 GeV bezieht sich auf den Elektronenstrahl, mit dem das erste Licht erzeugt wurde. Der Bereich von 0,2 bis 15 keV beschreibt die Photonen, die von den ersten beiden Linien erwartet werden. Es handelt sich um Messwerte verschiedener Teile der Anlage: GeV bezeichnet hier die Teilchen, die den Prozess antreiben, während keV für die Röntgenstrahlung steht, die für Experimente bereitgestellt wird.

SHINE nutzt einen supraleitenden Beschleuniger im Dauerstrichbetrieb. Supraleitende Komponenten arbeiten bei sehr niedrigen Temperaturen und leiten elektrische Ströme mit sehr geringem Widerstand. Im Dauerstrichbetrieb können die Hochfrequenzfelder des Beschleunigers kontinuierlich wirken. So lassen sich häufig Elektronenpakete erzeugen, statt auf weit auseinanderliegende Pulse angewiesen zu sein.

Drei Strahlführungen mit unterschiedlichen Energiebereichen

Die gesamte erste Ausbaustufe ist größer als die Anlage, die beim Meilenstein des ersten Lichts zum Einsatz kam. Der auf der International Particle Accelerator Conference vorgestellte Fortschrittsbericht von 2024 beschreibt drei Undulatorlinien, drei Röntgentransportstrahlführungen und zehn Experimentierstationen. Der vorgesehene Photonenenergiebereich reicht von 0,4 bis 25 keV.

FEL-I ist für 3 bis 15 keV ausgelegt, FEL-II für 0,4 bis 3 keV und FEL-III für 10 bis 25 keV. FEL-II erzeugt die energieärmste, also weichste Röntgenstrahlung. Die beiden anderen Linien erzeugen härtere Röntgenstrahlung mit höherer Photonenenergie und kürzeren Wellenlängen.

Die jüngste Mitteilung bezieht sich mit dem Bereich von 0,2 bis 15 keV auf die ersten beiden Linien. Der weiter gefasste Grundbereich von 0,4 bis 25 keV schließt FEL-III ein. Der Bericht von 2024 beschreibt außerdem einen zusätzlichen Bypass, über den ein Elektronenstrahl von 5 GeV zu FEL-II geleitet werden könnte. Damit ließe sich deren Ausgabe auf bis zu 0,2 keV erweitern.

Im selben Bericht sind 42 planare Undulatoren für FEL-I und 32 für FEL-II vorgesehen. Hinzu kommen vier nachgeschaltete Undulatoren, mit denen sich die Polarisation einstellen lässt, also die Richtung, in der das elektrische Feld des Lichts schwingt. Die 18 beim ersten Licht eingesetzten Module bilden eine Konfiguration für die Inbetriebnahme innerhalb der umfangreicheren geplanten Anlage.

Auch die Leistung unterscheidet sich je nach Linie. Für FEL-I und FEL-II sind Pulsdauern von etwa 30 Femtosekunden und Wiederholraten von bis zu 1 MHz vorgesehen, also eine Million Pulse pro Sekunde. Eine technische Studie aus dem Jahr 2023 nennt für FEL-III bis zu 0,1 MHz oder 100.000 Pulse pro Sekunde.

Was Wissenschaftler mit so kurzen Pulsen beobachten könnten

Zu den geplanten Anwendungsbereichen von SHINE gehören die Lebenswissenschaften, Quantenmaterialien und die Energieforschung der Zukunft. Die Kombination aus winzigen räumlichen Skalen und sehr kurzen Belichtungszeiten ist für diese Ziele entscheidend: Forscher wollen sowohl herausfinden, wie Materie aufgebaut ist, als auch, wie sich dieser Aufbau verändert.

Ein kurzer Röntgenpuls kann einen Moment in einem schnellen Prozess festhalten. Wird ein Experiment mit unterschiedlichen Zeitabständen zwischen dem Start des Prozesses und der Untersuchung wiederholt, können Forscher daraus eine Abfolge von Veränderungen rekonstruieren, ähnlich wie einzelne Bilder einen Film ergeben. Häufige Pulse bieten mehr Gelegenheiten, Messdaten zu sammeln. Das kann besonders nützlich sein, wenn einzelne Signale schwach sind.

Die ersten Experimentierstationen sollen kohärente Beugungsbildgebung, ultraschnelle Röntgenspektroskopie, Photoelektronenmessungen und serielle Femtosekunden-Kristallografie ermöglichen. Bei der Beugungsbildgebung wird die Struktur anhand des Musters rekonstruiert, das entsteht, wenn Röntgenstrahlen an einer Probe gestreut werden. Die Spektroskopie untersucht, wie Materie Strahlung absorbiert oder emittiert, und liefert so Erkenntnisse über ihre elektronische Struktur.

Bei der seriellen Femtosekunden-Kristallografie werden Beugungsmuster von vielen winzigen Kristallen aufgenommen, die sehr kurzen Pulsen ausgesetzt sind. Photoelektronenverfahren messen Elektronen, die durch Licht freigesetzt werden, und helfen Forschern dabei, das Verhalten von Elektronen in Materialien zu untersuchen. Zusammengenommen bieten die geplanten Methoden verschiedene Möglichkeiten, die mikroskopische Struktur mit schnellen physikalischen oder chemischen Veränderungen in Verbindung zu bringen.

Mehr Kontrolle über das Licht selbst

Die weiche Röntgenlinie von SHINE soll mehrere Betriebsmodi bieten, statt nur eine einzige Pulsart. Eine Strahlführungsstudie von 2023, veröffentlicht in Frontiers in Physics, beschreibt selbstverstärkte spontane Emission, Self-Seeding, externe Aussaat und Polarisationskontrolle als grundlegende Optionen.

Bei der selbstverstärkten spontanen Emission, meist SASE abgekürzt, wächst der Laser aus der anfänglichen Strahlung der Elektronen. Beim Seeding wird stattdessen ein stärker kontrolliertes Ausgangssignal verwendet. Beim Self-Seeding wird ein Teil der Röntgenstrahlung gefiltert und zur weiteren Verstärkung genutzt; beim externen Seeding kommt ein separater Laser zum Einsatz. Mit diesen Methoden soll Licht mit genauer kontrollierbarem Spektrum und zeitlichem Aufbau erzeugt werden.

Die Studie beschreibt einen Weichröntgenstrahler mit 32 jeweils 4 Meter langen Modulen und einer magnetischen Hauptperiode von 55 Millimetern. Für 14 vorgeschaltete Module waren umschaltbare Perioden von 55 und 75 Millimetern vorgesehen. Diese Flexibilität ermöglicht unterschiedliche Betriebsbedingungen und Verfahren, um die Strahlung eines Seed-Lasers in kürzere Wellenlängen umzuwandeln.

Einige verwandte Technologien waren bereits an der separaten Shanghai Soft X-ray Free-Electron Laser Facility, kurz SXFEL, erprobt worden. Die Studie dokumentiert Laseremission bei der 47. und 54. Harmonischen mithilfe der Echo-enabled Harmonic Generation. Bei diesem Verfahren werden Elektronen so angeordnet, dass sie bei ganzzahligen Vielfachen der Frequenz eines Seed-Lasers emittieren. Außerdem wird ein Signal bei der 61. Harmonischen beschrieben.

Ein Monochromator, ein optisches Instrument zur Auswahl eines engen Photonenenergiebereichs, wurde Ende 2022 bei SXFEL getestet. Bei 520 Elektronenvolt erreichte er ein Auflösungsvermögen von mehr als 5.300. Diese Entwicklungsarbeit unterstützt das Ziel, bei SHINE präziser ausgewählte Röntgenpulse bereitzustellen. Die Studie erörtert zudem künftige Möglichkeiten, darunter Pulse im Attosekundenbereich, die jeweils tausendmal kürzer sind als eine Femtosekunde.

Ein 100-Petawatt-Laser für extreme Bedingungen

SHINE plant außerdem eine Station für extremes Licht, die den Freie-Elektronen-Laser mit einem Ultrakurzpulslaser mit einer Leistung von 100 Petawatt kombinieren soll. Das Projekt bezeichnet sie als weltweit erste Experimentierstation, die einen Laser dieser Leistung mit einem Freie-Elektronen-Laser verbindet.

Ein Petawatt entspricht einer Billiarde Watt. Die Angabe von 100 Petawatt bezeichnet die Spitzenleistung während eines extrem kurzen Pulses. Wird Energie in einem so kurzen Zeitraum gebündelt, entstehen starke elektromagnetische Felder, mit denen Materie unter extremen Bedingungen untersucht werden kann.

Der Fortschrittsbericht von 2024 nennt die Quantenelektrodynamik starker Felder als Forschungsziel der Station. Die Quantenelektrodynamik beschreibt, wie Licht und elektrisch geladene Teilchen miteinander wechselwirken. Mit extrem starken Feldern lässt sich diese Wechselwirkung unter Bedingungen untersuchen, die weit über das hinausgehen, was in gewöhnlichen Laborexperimenten möglich ist.

Die kombinierte Anlage soll außerdem die Hochenergiedichtephysik unterstützen. Sie untersucht Materie, in der eine große Energiemenge auf ein kleines Volumen konzentriert ist. Ein intensiver optischer Laser und eine Röntgensonde im selben Experiment würden es Forschern ermöglichen, extreme Bedingungen zu erzeugen und die Vorgänge darin zu untersuchen.

Eine mehr als drei Kilometer lange Anlage koordinieren

SHINE erstreckt sich über rund 3,1 Kilometer und liegt etwa 29 Meter unter der Erde. Aufgrund ihrer Größe sind präzise Zeitsteuerung, Gerätekontrolle und schneller Schutz neben Beschleuniger und Magneten wesentliche Bestandteile des wissenschaftlichen Instruments.

Ein Aufsatz zum Steuerungssystem in Nuclear Engineering and Technology beschreibt ein System, das bis zu 10.000 Geräte steuern soll. Dazu gehören Stromversorgungen, Laser, Vakuumausrüstung und weitere Komponenten, die über den Beschleunigerkomplex verteilt sind.

Das System nutzt das Framework Experimental Physics and Industrial Control System, kurz EPICS, um Gerätesteuerungen mit Bedienoberflächen, Datenerfassung und Überwachung zu verbinden. Ein auf der White-Rabbit-Technologie basierendes Zeitnetzwerk verteilt Taktsignale über die gesamte Anlage. Das Zeitsystem des Injektors war bereits installiert und erfolgreich im Einsatz. Es verteilte Signale mit 1,003086 MHz.

Auch der Maschinenschutz stellt hohe Anforderungen. Das System überwacht rund 5.000 Fehlersignale und nutzt programmierbare Elektronik, um den Strahl abzuschwächen oder abzuschalten, wenn es der Zustand der Anlage erfordert. Der Bericht nennt Reaktionszeiten von unter einer Mikrosekunde innerhalb einer Station und unter 30 Mikrosekunden zwischen Stationen. Ein schneller Schutz hilft, Schäden zu begrenzen, falls ein leistungsstarker Strahl von den vorgesehenen Betriebsbedingungen abweicht.

Zum Zeitpunkt der Einreichung des Berichts war nur der Injektor betriebsfähig; das Steuerungssystem für den gesamten Beschleuniger befand sich noch in der Entwicklung. Die spätere Mitteilung über das erste Licht markiert eine weitere Phase der Inbetriebnahme. Die Integration von Beschleuniger, Strahlungstransport, Schutzsystemen und Experimentierstationen bleibt zentral für den geplanten Übergang zum regulären wissenschaftlichen Betrieb.

Wer SHINE baut und wie es weitergeht

Die ShanghaiTech University ist als juristische Person für den Bau verantwortlich. Zu ihren Aufgaben gehören Projektplanung, technische Aufsicht, Qualitäts- und Sicherheitsmanagement sowie der spätere Betrieb und der offene Zugang. Außerdem ist sie für den Rohbau, fünf Experimentierstationen und einen Teil der Strahlführungen zuständig.

Das Shanghai Advanced Research Institute der Chinesischen Akademie der Wissenschaften verantwortet den Beschleuniger, die Undulatoren, die Versorgungsanlagen und einige Strahlführungen. Das Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics baut die Strahlführungsstation für extreme Photophysik. Damit verteilen sich Beschleuniger, Experimentieranlagen und der künftige Nutzerbetrieb auf mehrere Einrichtungen.

Die veröffentlichten Meilensteine des Projekts zeigen den Weg vom unterirdischen Bau bis zur Inbetriebnahme des Strahls:

• April 2018: Beginn der Bauarbeiten in Shanghai.
• Ende 2022: Ein Monochromatortest bei SXFEL erreichte bei 520 Elektronenvolt ein Auflösungsvermögen von mehr als 5.300.
• April 2023: Beginn der Installation des SHINE-Injektors.
• Ende 2023: Laut dem Fortschrittsbericht von 2024 waren alle Schächte und Tunnel fertiggestellt.
• Mitteilung vom 21. Oktober: ShanghaiTech meldete das erste Licht mit einem 4-GeV-Elektronenstrahl und 18 Undulatormodulen.
• Ende 2027: SHINE soll fertiggestellt und in Betrieb genommen werden.

Frühere technische Zeitpläne wurden im Verlauf der Bauarbeiten angepasst. Die Strahlführungsstudie von 2023 rechnete mit einer Inbetriebnahme von FEL-II im Frühjahr 2025. Der Fortschrittsbericht von 2024 bezeichnete die erste Laseremission bis Ende 2025 als möglich, aber anspruchsvoll, und erwartete Nutzexperimente für 2027. In der jüngsten Mitteilung wird Ende 2027 als Ziel für Fertigstellung und Inbetriebnahme genannt.

SHINE gilt als eine von zwei Anlagen dieses speziellen Typs, die häufige Pulse mit der Fähigkeit eines Freie-Elektronen-Lasers für harte Röntgenstrahlung verbinden. Die andere ist die derzeit in den USA im Bau befindliche Hochenergie-Erweiterung der Linac Coherent Light Source II. Für Forscher wird der praktische Nutzen des Projekts in Shanghai davon abhängen, ob sie nach abgeschlossener Inbetriebnahme Zugang zu den geplanten Energiebereichen, Pulsmodi und Experimentierstationen erhalten.

Wichtige Punkte

• SHINE hat in Shanghai erstmals Licht mit einem 4-GeV-Elektronenstrahl und 18 Undulatormodulen erzeugt.
• Der fertige Beschleuniger soll 8 GeV erreichen, also doppelt so viel Elektronenenergie wie bei diesem Meilenstein.
• Die ersten beiden Linien sollen 0,2 bis 15 keV abdecken; der Grundbereich aller drei Linien reicht bis 25 keV.
• Einige Betriebsmodi sollen eine Million Röntgenpulse pro Sekunde mit einer Dauer von mehreren Dutzend Femtosekunden liefern.
• In der ersten Ausbaustufe sind zehn Experimentierstationen geplant, darunter eine Station, die Röntgenstrahlung mit einem 100-Petawatt-Laser kombiniert.
• Die ShanghaiTech University leitet das Projekt. Fertigstellung und Inbetriebnahme sind für Ende 2027 geplant.