Text: Alarik Haglund
Det finns idag ett flertal forskningsanläggningar i Europa som utnyttjar neutronkällor för att studera material på molekyl- och atomnivå. De flesta befintliga neutronkällor är emellertid baserade på kärnkraftsreaktorer, vilket inte längre räcker till om man vill fortsätta att utveckla den här typen av forskning. Därför byggs nu den sameuropeiska forskningsanläggningen ESS (European Spallation Source), som ska bli världens mest kraftfulla neutronkälla, i universitetsstaden Lund, granne med den världsledande synkrotronljusanläggningen MAX IV som invigdes i juni 2016.
Vare sig man vill studera motorer, läkemedel, plaster eller proteiner är neutronspridning ett utmärkt redskap för att undersöka strukturen hos ett material på molekylär och atomär nivå. För att göra mer detaljerade undersökningar krävs det emellertid neutronkällor som kan producera fler neutroner än vad som är möjligt med hjälp av de kärnkraftsreaktorer som används i dagens neutronkällor. Forskare och ingenjörer har därför utvecklat en ny generation neutronkällor som istället är baserade på partikelacceleratorer och spallationsteknik (se faktaruta).
Den europeiska storsatsningen ESS (European Spallation Source), som för närvarande håller på att byggas i Lund, är en flervetenskaplig forskningsanläggning som kommer att utnyttja spallation för att leverera neutronstrålar som är upp till 100 gånger starkare än vad som kan åstadkommas i nuvarande anläggningar. Det betyder att skillnaden mellan nuvarande neutronkällor och ESS är jämförbar med skillnaden mellan att ta ett foto i skenet av ett stearinljus och att använda blixt.
Den mer kraftfulla neutronkällan ställer emellertid även större krav på de instrument och detektorer som utvecklas för ESS. Dessutom betyder en bättre neutronkälla och bättre instrument att mängden data som måste samlas in och analyseras ökar exponentiellt.
Gränsöverskridande samarbete
Europeiska forskare förespråkade redan i början av 1990-talet en ambitiös satsning på en kraftfull spallationskälla och projektet gavs till slut klartecken vid ett möte i Bonn 2002. 2009 meddelades sedan att Lund valts som plats för ESS framför Debrecen i Ungern och Bilbao i Spanien.
Ursprungligen etablerades ESS som ett aktiebolag, som ägdes till 75 procent av den svenska regeringen och till 25 procent av den danska regeringen, och bygget av anläggningen påbörjades i oktober 2014.
Sedan 2015 är ESS organiserat som ett europeiskt forskningsinfrastrukturkonsortium (ERIC). De ursprungliga medlemsländerna är Danmark, Estland, Frankrike, Italien, Norge, Polen, Schweiz, Storbritannien, Sverige, Tjeckien, Tyskland och Ungern, men även observatörsländerna Belgien, Nederländerna och Spanien har för avsikt att bli medlemmar.
Projektets internationella prägel är tydlig i hela organisationen. Till exempel består personalen i Lund redan av forskare och ingenjörer från 48 olika länder.
Supraledande accelerator
En viktig grundförutsättning för forskningsanläggningens verksamhet är partikelacceleratorn, som blir den mest kraftfulla linjära protonaccelerator som någonsin byggts och som kommer att kunna producera en protonstråle med en genomsnittlig effekt på 5 megawatt. Detta gör den genom att 14 gånger per sekund leverera 2,86 millisekunder långa protonpulser med en energi på 2 gigaelektronvolt.
I acceleratorn leds protonerna från en jonkälla, där vätgas värms upp så att elektronerna lämnar molekylerna och endast ett plasma av protoner återstår, till ett långt rör som tömts på luft. I rörets vakuum accelereras sedan protonerna med hjälp av elektromagnetiska fält, samtidigt som magneter runt röret fokuserar och styr strålen av protoner i rätt riktning. Efter ungefär 50 meter har protonerna fått tillräckligt hög hastighet för att de ska kunna fortsätta att accelereras med hjälp av supraledande kaviteter, som kyls ner till minus 271 grader Celsius av flytande helium.
Anläggningen för kryogen heliumkylning, som kommer att ge kylning till det kryogena distributionssystemet och de upp till 58 kryomoduler som kommer att vara placerade längs den cirka 300 meter långa supraledande delen av acceleratorn, ska levereras av det schweiziska företaget Linde Kryotechnik AG. Utrustningen kommer att vara på plats under sommaren 2017 och därefter kommer installation och uppstart av anläggningen att pågå fram till sommaren 2018. Den kryogena anläggningen kommer, för att stödja ESS mål om en hållbar forskningsanläggning, att vara optimerad för lägsta strömförbrukning och ha värmeåtervinning för fjärrvärmenätet.
Nydesignad målstation
Efter att de lämnat acceleratorn, som allt som allt accelererar protonerna till hela 96 procent av ljusets hastighet, är nästa anhalt för protonerna målstationen, där själva spallationsprocessen sker och de neutroner som forskarna behöver för att kunna studera olika material produceras.
Eftersom utformningen av det mål som träffas av protonerna från acceleratorn direkt påverkar antalet neutroner som bildas har det en avgörande betydelse för framgången av anläggningens framtida forskning.
Målet utgörs i ESS fall av ett heliumkylt, roterande volframhjul, som väger över fyra ton och har en diameter på 2,5 meter. Hjulet, som tillverkas i Bilbao i Spanien, är indelat i 36 sektioner med sammanlagt 7 000 volframbrickor.
Eftersom de mål som används i dagens spallationskällor inte är gjorda för att hantera ESS kraftfulla protonstråle är målet det första i sitt slag i en spallationskälla.
– ESS målhjul kommer att ha en ny design på det roterande volframmålet, som gör det möjligt att fördela värmen över en större volym än vad som bestrålas av protonstrålen vid en given tidpunkt. Tillsammans med heliumkylningen kan denna design producera ett mål med en lång livslängd på ungefär fem år, förklarar Ulf Odén, som leder arbetet med målhjulet.
Målstationen består även av moderatorer, placerade ovanför och under målhjulet inuti en reflektor av beryllium, som med hjälp av flytande väte och vatten bromsar de snabba neutronerna från målet till hastigheter som lämpar sig för neutronspridningsexperiment.
Hela målstationen omges dessutom av 6 000 ton stål, som innesluter den gammastrålning och de snabba neutroner som skapas och släpper ut de kraftfulla strålarna av långsamma neutroner genom mer än 40 stråltuber.
Skräddarsydda instrument
Neutronspridning kan användas vid en lång rad olika experiment och beroende på hur de instrument som registrerar de spridda neutronerna är utformade kan de ge olika information om det prov som studeras och svara på olika frågor.
Totalt kommer 22 skräddarsydda instrument att konstrueras till ESS. Dessa smarta och flexibla instrument väljs ut bland de instrumentkoncept som utvecklas vid olika laboratorier i medlemsländerna och än så länge har 16 instrument som fyller olika funktioner fått klartecken.
För att instrumenten ska kunna utnyttja de unika möjligheter som ESS erbjuder till fullo krävs det sofistikerad hårdvara. Flera tekniska grupper med olika specialområden kommer därför att testa, diagnostisera och förbättra existerande hårdvarulösningar och tillhandahålla teknisk expertis under designen och konstruktionen av ESS instrument. Dessa grupper kommer även att finnas till hands för att ge stöd i samband med de experiment som bedrivs efter att ESS tagits i drift.
Den stora mängd forskningsdata som genereras av ESS instrument kommer att lagras och analyseras vid ESS Data Management and Software Centre, som är placerat i Köpenhamn i Danmark. De ansvarar även för utvecklingen av förstklassiga mjukvarulösningar för de olika instrumenten.
Paradigmskifte för neutronforskningen
Den förbättring i prestanda som ESS representerar kommer att ta neutronforskningen till en ny nivå och utöka användningen av neutronspridning inom forskningsvärlden.
Förutom att ESS kommer att kunna leverera starkare neutronstrålar, med fler neutroner än dagens bästa reaktorbaserade neutronkällor och högre toppintensitet än någon annan spallationskälla, innebär ESS långa neutronpulser stor flexibilitet. Genom att justera pulsbredden kan upplösningen och bandbredden justeras, vilket möjliggör undersökningar av strukturer och dynamik över större längd- och tidsskalor.
Eftersom forskningen strävar efter att förstå allt mer komplexa fenomen, som representerar verkligheten, kommer dessutom toppmodern utrustning och toppmoderna laboratorier, i kombination med den mer kraftfulla neutronkällan, att göra det möjligt att studera mindre och mer komplexa prover. Det betyder att ESS till exempel kommer att kunna undersöka heterogena prover hämtade från verkligheten i sin naturliga och ibland extrema miljö.
Vardagsvetenskap
Eftersom neutronspridning kan tillämpas för att besvara en lång rad vetenskapliga frågor, inom till exempel fysik, kemi, geologi, biologi och medicin, är det bland annat ett viktigt redskap vid utveckling av nya och bättre vardagsprodukter, som datorchip, smink, tvättmedel, färg, bränsle, läkemedel och batterier.
Genom att studera hur läkemedel fungerar i kroppen skulle ESS till exempel kunna bidra till att göra dem mer effektiva och minska biverkningarna.
ESS kommer också att få stor betydelse för utvecklingen av bland annat vätedrivna bränsleceller, tack vare att forskarna kommer att kunna studera vätebaserade strukturer i detalj, kostnadseffektiva och pålitliga solceller med hög verkningsgrad, etanolbränsle utvunnet ur cellulosarika material och litiumjonbatterier som varar längre och kan laddas fler gånger, genom att det går att följa hur litiumjonerna rör sig i batteriet.
Dessutom kommer forskningen vid ESS kunna leda till nya och smarta material, som material som är supraledande vid rumstemperatur, material som är starkare och lättare och material som kan användas i bland annat LED-lampor för hushållsbruk eller för att påskynda utvecklingen av mindre och snabbare datorer med hjälp av så kallad jättemagnetoresistans.
Grundforskning
Samtidigt är forskningen med neutroner viktig när det handlar om att tackla några av vetenskapens äldsta och största utmaningar.
Till exempel skulle den överlägsna förmåga att kartlägga och skapa tredimensionella modeller av proteiner som ESS kraftfulla och sofistikerade instrument kommer att erbjuda att kunna hjälpa forskarna att besvara frågor som hur DNA upprätthåller liv på molekylär nivå och att ta reda på den exakta strukturen och funktionen hos de proteiner som det är uppbyggt av.
Med hjälp av ESS kommer nästa generations neutronforskare även att kunna lära sig mer om den mänskliga hjärnan, dess neurala nätverk och hur minnet fungerar. Dessa upptäckter skulle i sin tur kunna tillämpas för att föra vetenskapen om artificiell intelligens framåt.
Dessutom skulle arbetet vid ESS kunna undersöka universums ursprung, försöka förena de inkompatibla teorierna för gravitation och kvantfysik och leda till andra genombrott bortom vår vildaste fantasi.
Källa: European Spallation Source (ESS)
Del 2: I del 2 av vår djupdykande artikelserie om ESS kommer vi bland annat att berätta mer om bygget av forskningsanläggningen och arbetet med att testa komponenter till ESS vid Ångströmslaboratoriet i Uppsala.
Vad är Spallation?
Spallation är en kärnreaktion som sker då partiklar med hög energi, i form av till exempel protoner accelererade i en partikelaccelerator, kolliderar med tunga atomkärnor i ett mål. Vid spallation avger atomkärnorna, för varje partikel som träffar dem, ett stort antal så kallade spallationspartiklar, i form av bland annat neutroner. Dessa neutroner bromsas sedan med hjälp av moderatorer ner till användbara energier och leds vidare till olika instrument för neutronspridningsexperiment. Neutronerna ger detaljerad information om ett provs egenskaper eller dynamik, beroende på vilken typ av instrument som används.
Varför neutroner?
Neutronspridning har utvecklats till en varierad uppsättning forskningsmmöjligheter, som tack vare neutronernas unika egenskaper kan ge mer information om en mängd olika materials egenskaper och beteende än till exempel optisk spektroskopi eller undersökningar med elektronmikroskop.
Bland annat gör neutroner det möjligt att studera både strukturen och rörelsen hos atomer och molekyler i ett material över en stor mängd avstånd och tider. De passerar även enkelt genom de flesta material, vilket gör det möjligt att studera stora prover och prover som befinner sig vid exempelvis höga temperaturer och tryck, samtidigt som de tack vare att de inte växelverkar starkt med materia är ett verktyg med mycket hög precision. Eftersom neutroner sprids av atomkärnor kan de även tala om vilka ämnen och vilka isotoper som finns i materialet och eftersom de trots att de inte har någon elektrisk laddning agerar som små magneter kan de användas för att studera ett materials magnetiska egenskaper. Dessutom kan man genom att studera själva protonerna sprida ljus över hur elementarpartiklar och de fundamentala naturkrafterna bildades under de första bråkdelarna av en sekund efter universums födelse eller hur de flesta tyngre grundämnen bildades i supernovaexplosioner.
Vid neutronspridning är antalet neutroner viktigt eftersom varje enskild neutron hjälper till att avslöja det studerade materialets hemligheter genom att antingen kollidera med dess molekyler, passera igenom det eller påverkas av dess eventuella magnetiska krafter. Varje extra neutron bidrar därför till en mer högupplöst bild av provet.
Fakta
ESS neutronkälla
Linjär accelerator:
Maximal längd: 602 meter
Djup under marken: 4 meter
Genomsnittlig stråleffekt: 5 megawatt
Maximal effekt: 125 megawatt
Protonenergi: 2 gigaelektronvolt
Genomsnittlig pulsström: 62,5 milliampere
Pulslängd: 2,86 millisekunder
Pulsfrekvens: 14 hertz
Partikelhastighet: 287 800 000 meter per sekund
Målstation:
Målhjulets diameter: 2,5 meter
Målhjulets massa: 4,9 ton
Protonstrålens värmebelastning: 2,7 megawatt
Protonstrålens fotavtryck på målet: 6 x 18 centimeter
Neutronproduktion: 1000 000 000 000 000 000 neutroner per sekund
Stålsköld: 6 000 ton
