ESS jonkälla invigd – så fungerar den

2018-11-16 12:55  

För att skapa världens kraftigaste neutronkälla behövs först massvis av protoner. Anläggningen för att skapa dem har nu invigts på ESS i Lund.

Forskningsanläggningen European Spallation Source (ESS) som just nu byggs strax utanför Lund ska fungera som ett sorts mikroskop. Genom att rikta världens kraftigaste neutronstråle mot det man vill undersöka kan forskarna lära sig massor. Neutronstrålen fungerar på liknande sätt som röntgenstrålning och är särskilt användbar när metaller ska studeras.

Att framställa den enorma mängd neutroner som behövs låter sig dock inte göras i en handvändning. Först krävs massor av protoner. Maskinen som framställer dessa kallas för jonkälla och invigdes på torsdagen vid ESS, av det svenska kungaparet samt Italiens president Sergio Mattarella.

- Ni är journalister och vet då att det krävs en bra inledning för att berätta en historia. Det är precis vad jonkällan handlar om för ESS, att ge en bra början till det som ska bli slutresultatet, sa Santo Gammino, forskningschef på italienska INFN-LNS, den institution som har designat, utvecklat och byggt jonkällan inom ramen för ESS-samarbetet.

Så hur framställs protonerna? Jo, det börjar med att vätgas utsätts för kraftig mikrovågsstrålning. Effekten uppgår till flera hundra kilowatt. Molekylen vätgas, (H2), består av två väteatomer. Väteatomen är den enklaste av alla atomer och består i sin tur endast av en positivt laddad proton och en negativt laddad elektron.

Anläggningen kallas för jonkälla eftersom den tar bort elektroner från atomer, vilket skapar en positivt laddad jon. När vätgas används, vilket ESS gör, blir det endast en proton kvar men i princip hade också andra ämnen kunnat användas, berättar Mats Lindroos, chef för acceleratordivisionen på ESS.

Vätgasen hettas upp tills den når det fjärde aggregationstillståndet plasma, som kommer efter gas. Då lösgörs bidningarna så att elektronerna rör sig fritt från protonerna. Plasmat innesluts i en aluminiumbehållare och hålls på plats av ett magnetfält. Aluminiumbehållaren är inte särskilt stor, ungefär som en handboll.

Behållaren har ett litet hål som protonerna kan ta sig ut genom och spänningssätts med 75 kilovolt. Som jämförelse byggs det svenska elstamnätet i dag för 400 kilovolts spänning.

Omgivningen runt behållaren jordas. När protonerna hittar till hålet accelereras de därför mot jordpotentialen.

Därefter förs protonerna vidare till en del som kallas för LEBT (Low Energy Beam Transport). Italienska INFN-LNS har konstruerat också denna del av anläggningen.

Syftet med LEBT är att samla ihop protonerna så att de antar formen av en koncentrerad stråle i stället för en bred kvast. Detta görs bland annat genom att tillsätta gas, till exempel argon. Elektroner frigörs ur gasen vilka modererar de positivt laddade protonerna innan de fortsätter sin väg mot acceleratorn.

Ila Sjöholm, som nu ska koordinera resten av acceleratorbygget, berättar att precisionen vid installationen av jonkällan var hög.

- Det är extremt små toleranser. LEBT:ens läge justerades vid ett tillfälle med så lite som 0,3 millimeter, säger han.

När protonerna lämnar jonkällan har de en relativt låg hastighet, bara någon procent av ljusets. Efter energitillförseln i den drygt 600 meter långa acceleratorn har de nått omkring 95 procent av ljushastigheten. Därefter dundrar de med full kraft in i en volframskiva så att neutroner slits loss. Det är dessa neutroner som sen riktas ut mot forskningsstationerna där framtidens material ska undersökas. Läs mer om hur hela anläggningen ska fungera här.

Mats Lindroos, disputerad i kärnfysik och med 20 års erfarenhet från partikelacceleratorn Cern i Schweiz, lovordar den italienska insatsen som nu gjort så att jonkällan finns på plats.

- Ett så stort samarbete som ESS kan ibland innebära utmaningar, men också möjligheter. Hade vi gjort det här arbetet själva i Sverige hade det tagit 10 till 15 år längre tid, säger han.

Fakta: European Spallation Source

ESS är en forskningsanläggning i form av en neutronkälla som byggs strax utanför Lund. Neutronkällan fungerar som ett slags extremt högupplöst mikroskop. Här kommer forskare bland annat kunna studera olika material på atomnivå.

Bakom anläggningen finns ett konsortium bestående av medlemmar och observatörer från 15 länder.

Totalkostnaden för hela anläggningen är cirka 18 miljarder kronor. Tester ska påbörjas under 2019, forskning 2023 och anläggningen ska stå helt klar när 2025 är slut.

ESS är placerad jämte Max IV. Båda använder sig av partikelacceleratorer men Max IV producerar synkrotronljus i form av elektroner i stället för som i ESS fall en neutronpuls.

Johan Kristensson

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.

Här är reglerna för kommentarerna på NyTeknik

  Kommentarer

Dagens viktigaste nyheter

Aktuellt inom

Debatt