Världen följer efter Max IV

2017-05-03 06:00  

Världens största synkrotronljusanläggningar drar nytta av den tekniska utvecklingen som ledde fram till Max IV. I Lund kan nästa steg vara en frielektronlaser.

En av världens största anläggningar med synkrotronljus heter Spring-8 och ligger i södra Japan. Den har en lagringsring som är nära tre gånger större än Max IV både i omkrets och i elektroenergi. Men både elektronstrålen och den ljusstråle som anläggningen producerar är av lägre kvalitet än vid Max IV i Lund. Max IV har en emittans, vilket är en kvalitetsfaktor hos ljusstrålen, på 0,2–0,3 nanometerradianer, nm rad. Spring-8 har en emittans på 2,4 nm rad. I synkrotronljusvärlden är det en stor skillnad.

När Spring-8 stod klar i skiftet 1990-talet och 2000 hade forskare vid Max-laboratoriet i Lund precis börjat nå fram till den teknik som i dag finns i Max IV, som gör att det går att få en mycket hög briljans i en ljusstråle utan att bygga en så stor ring, och även med lägre elektroenergi.

Nu tar flera synkrotronljuskällor i världen efter teknikutvecklingen från Lund.

– Max IV:s teknik har revolutionerat sättet att bygga på. Det implementeras nu i andra anläggningar, säger Nils Mårtensson, seniorprofessor i fysik vid Uppsala universitet och fram till 2011 föreståndare för Max-laboratoriet i Lund.

Det revolutionerande handlar om de magneter i lagringsringen som böjer av elektronstrålen och håller den inom en cirkulär bana. Med ett nytt koncept för hur olika magnetfunktioner kombineras har Max IV fått en kvalitet på sin elektronstråle som just nu är bäst i världen.

Läs mer:

Läs mer: Här ska forskare få syn på det okända

– Det man vill öka är briljansen. Det är den som avgör hur mycket ljus man får på sitt prov, säger Nils Mårtensson.

En möjlig vidare utveckling är att bygga en frielektronlaser, eftersom även en sådan använder en accelererad elektronstråle som källa. På Max IV finns möjligheter att bygga en frielektronlaser, först inriktad mot mjukare röntgenstrålning men senare också mot hårdröntgen. En fullt utbyggd beräknas kosta en miljard kronor, men något beslut är inte taget än.

Med en frielektronlaser skickas extremt korta och energirika ljuspulser mot det som ska undersökas. Pulsernas längd mäts i femtosekunder, som är en tusendels biljondel av en sekund. Laserstrålens hetta förstör visserligen det prov som ska undersökas. Men ljuspulsen hinner först avbilda provet, som till exempel kan vara ett virus, och kan ge ny kunskap om till exempel extremt snabba kemiska processer.

Frielektronlasrar med hårdröntgenljus finns i dag vid Spring-8 i Japan och i Stanford i USA. I Hamburg tas den europeiska frielektronlasern XFEL i drift i år.

Max IV är inte fullt utbyggd än på flera år, men redan finns planer för hur anläggningen ska uppgraderas för att få ett ännu mer briljant ljus, genom att magnettekniken förfinas ytterligare.

Vad är det som driver på utvecklingen för anläggningarna?

– Det finns starka krafter. Industriintresset är stort. Inom en massa områden vill man framställa nya material, nya läkemedel. Räknar man ihop hur mycket pengar som satsas nu är det massor av miljarder. Men många skulle säga att vi inte har råd att inte satsa, säger Mikael Eriksson, professor i acceleratorfysik i Lund och tidigare maskindirektör vid Max IV.

Förra året lämnade han den tjänsten efter 40 år, men ägnar nu mycket tid åt att vara rådgivare till anläggningar som ska byggas och uppgraderas.

Läs mer:

Läs mer: Max IV kan värma busshållplatser

När andra anläggningar kommer ikapp, finns det en roll för Max IV?

– Det finns mellan 50 000 och 100 000 användare i världen. Max IV kommer att ha en världsledande ställning under hela sin livstid, som beräknas till 30 år.

Det finns en gräns för hur hög briljans det går att nå på röntgenljusstrålen, när en mer fokuserad ljusstråle inte bidrar till att kunna se mer. Det kallas diffraktionsgränsen Abbes gräns, efter Ernst Abbe som visade detta redan 1873. Gränsen ligger vid 10 picometerradianer, vilket motsvarar 0,01 nm rad.

– Då lönar det sig inte att göra en stråle som är mindre, helt enkelt. Men målet är att komma ned till diffraktionsgränsen. Där är vi inte än, säger Mikael Eriksson.

Vid franska ESRF ska uppgraderingen ge en emittans på 0,15 nm rad, APS i USA strävar efter en emittans på 0,07 nm rad och vid tyska Petra IV kan emittansen bli så låg 0,02–0,04 nm rad.

Prenumerera på Ny Tekniks kostnadsfria nyhetsbrev!

Synkrotronljus i världen

Det finns ett 50-tal synkrotronljusanläggningar i världen, varav USA och Japan har sju var, Ryssland fyra, Kina tre och Europa ett tjugotal.

ESRF i franska Grenoble (bilden) är en samägd europeisk anläggning. Lagringsringen som är 844 meter i omkrets uppgraderas nu, liksom strålrören, till en kostnad av 330 miljoner euro. Ett mål är att öka briljansen hos synkrotronljusstrålen cirka hundra gånger högre jämfört med i dag.

Det finns 13 frielektronlasrar i världen, som producerar laserljus inom olika våglängdsområden.

Anna Orring

Kommentarer

Välkommen att säga din mening på Ny Teknik.

Principen för våra regler är enkel: visa respekt för de personer vi skriver om och andra läsare som kommenterar artiklarna. Alla kommentarer modereras efter publiceringen av Ny Teknik eller av oss anlitad personal.

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Debatt