Die vier Beschleuniger am PSI

So funktioniert Beschleunigen

Elektrische Felder geben geladenen Teilchen immer wieder einen Schub – im Kreisbeschleuniger bei jedem Umlauf, im Linearbeschleuniger in vielen Abschnitten hintereinander.
Magnete lenken die Teilchen auf ihre Bahn oder halten sie im Kreis.
Jedes Mal, wenn ein geladenes Teilchen abgelenkt wird, strahlt es Licht ab: Synchrotronlicht. Je schneller (energiereicher) das Teilchen und je stärker die Ablenkung, desto härter (kurzwelliger) und heller ist das Licht – bis in den Röntgenbereich.
Protonen strahlen viel weniger als Elektronen mit gleicher Energie, weil sie rund 1836-mal schwerer sind (die Abstrahlung sinkt mit der vierten Potenz der Masse). Darum nutzt man Elektronen als Lichtquellen (SLS, SwissFEL) und Protonen zum Erzeugen anderer Teilchen und für die Therapie (HIPA, PROSCAN).

HIPA – Hochstrom-Protonenbeschleuniger

590 MeV Protonen

Drei Stufen (Cockcroft-Walton, Injektor-2-Zyklotron, Ringzyklotron) bringen Protonen auf 79 % der Lichtgeschwindigkeit, mit bis zu 2,4 mA (1,4 MW) – Weltrekord für Zyklotron-Anlagen. Der Strahl erzeugt Neutronen (SINQ), Myonen (SμS) und Pionen für Materialforschung und Teilchenphysik.

Pionen und Myonen: Der Strahl trifft zuerst auf zwei rotierende Graphit-Räder, Target M (5 mm) und Target E (40 mm). Dort entstehen Pionen, die in Myonen zerfallen. Die Myonen nutzt die Myonenquelle SμS, unter anderem für μSR-Messungen (Myonen als winzige Magnetfeld-Sonden in Materialien). In den 1980er-Jahren waren die Targets aus Beryllium; sie hielten dem Strahl nicht stand und sind seit den 1990er-Jahren aus Graphit. Geplant ist HIMB (High-Intensity Muon Beams) mit rund 100-mal mehr Myonen.

Isotope für die Medizin: HIPA-Protonen werden auch direkt zur Herstellung radioaktiver Isotope genutzt; heute schon an der Bestrahlungsstation IP2 mit einem Teil des 72-MeV-Strahls. Dafür entsteht TATTOOS («Targeted Alpha Tumour Therapy and Other Oncological Solutions»), eine neue Anlage, die einen Teil des 590-MeV-Strahls (rund 100 µA) auf Tantal-Targets lenkt. Bau und Inbetriebnahme sind für 2029–2032 geplant, gemeinsam mit Universität und Universitätsspital Zürich. Zuerst sollen die Terbium-Isotope Tb-149, Tb-152 und Tb-155 entstehen.

Tb-149: Alpha-Therapie (zerstört Tumorzellen auf kurze Distanz)
Tb-152: Bildgebung mit PET
Tb-155: Bildgebung mit SPECT
Tb-161: Beta-Therapie; heute schon in Studien am Universitätsspital Basel, aber mit Neutronen ausserhalb des PSI hergestellt, nicht mit HIPA

Die Idee heisst Theranostik: dasselbe Element zuerst zum Aufspüren des Tumors, dann zur gezielten Bestrahlung von innen.

Ort: PSI West (genaue Koordinate in OSM nicht gefunden, Punkt ungefähr). Quellen: psi.ch – HIPA, psi.ch – Targets, Meson-Targets (Beryllium-Historie), psi.ch – TATTOOS, psi.ch – TATTOOS (IMPACT), psi.ch – Radiopharmazie (Zeitplan), Sci. Rep. 2024 (Tb-Isotope), Kiselev (HIMB)

PROSCAN / COMET – Protonentherapie

250 MeV Protonen

COMET ist ein supraleitendes Zyklotron, seit 2007 in Betrieb, nur für die Medizin. Ein Graphit-Abbremser stellt die Energie zwischen 70 und 250 MeV ein, je nachdem, wie tief ein Tumor liegt. Behandelt wird an Gantry 2, Gantry 3 und der Augen-Station OPTIS2.

Ort: PSI West, Zentrum für Protonentherapie (OSM «Proton Therapy (WPTA)»). Quellen: Kiselev 2021 (PSI), Cyclotrons 2007

SLS – Swiss Light Source

2,7 GeV Elektronen

Speicherring mit 288 m Umfang. Seit dem Umbau zur SLS 2.0 (Abschaltung ab Oktober 2023, rund 15 Monate) läuft er mit 2,7 GeV statt früher 2,4 GeV, mit etwa 100-mal hellerem Licht. Das Licht entsteht in Ablenkmagneten (breites Spektrum, z. B. Superbends) und in Undulatoren: Magnetreihen, die die Elektronen im Slalom führen und dadurch sehr helles Licht bei ausgewählten Wellenlängen erzeugen.

Beispiele: Proteinkristallografie an den Strahllinien PXI, PXII und PXIII (Struktur von Eiweissen, z. B. für Medikamente). Tomografie an S-TOMCAT und I-TOMCAT (3-D-Röntgenbilder bis unter einen Mikrometer).

Quellen: psi.ch – Storage ring, Willmott 2024 – SLS 2.0, psi.ch – TOMCAT

SwissFEL – Röntgen-Freie-Elektronen-Laser

bis ca. 6 GeV Elektronen

Ein 740 m langer Linearbeschleuniger. Die Elektronen laufen danach durch lange Undulatoren (Aramis: 12 Stück über 60 m) und senden dabei laserartige, kohärente Röntgenblitze aus, die nur 1 bis 60 Femtosekunden dauern. Aramis (harte Röntgenstrahlung) läuft mit 2,2 bis 6,2 GeV (Auslegung: max. 5,8 GeV), Athos (weiche Röntgenstrahlung) mit rund 3 GeV.

Ort: im Würenlinger Wald, angrenzend an das PSI-Gelände (Ost-Seite der Aare, Gemeinde Würenlingen). Quellen: psi.ch – SwissFEL, Paraliev 2022

Die Standorte sind auch in der GPS-Liste auf der PSI-Seite.