lu.se

Vattenhallen Science Center

Lunds universitet

Denna sida på svenska This page in English

Experimentstationer - ESS & MAX IV


ESS

PROTONKANON

Protonkanonen frigör protoner som senare accelereras i hög hastighet i linjäracceleratorn. För att producera protoner används väte. När man tar bort en elektron från en väteatom får man kvar en proton. Detta görs genom att hetta upp vätgas med ett snabbt varierande elektriskt fält, då lossnar elektroner från vätemolekylerna och kvar är protonerna. Principen är densamma som att koka vatten i en mikrovågsugn, men frekvensen är mycket högre och effekten mycket starkare. 

(Elektronkanon MAX IV)

LINJÄRACCELERATOR

Protonerna accelereras i en 500 meter lång linjäraccelerator med hjälp av högfrekventa elektriska fält. En bra acceleration kräver att timingen av de högfrekventa elektriska fälten är optimal. Längs med hela acceleratorn finns magneter som fokuserar och leder strålen i rätt bana. Efter ca 40 m har protonerna fått upp tillräckligt med fart så att accelerationen kan ske med hjälp av supraledande kaviteter. Dessa är kylda utifrån med flytande helium till -271 grader Celsius. 

(Linjäraccelerator MAX IV)

SPALLATION

Spallation innebär att neutroner frigörs när en proton i hög hastighet träffar en atomkärna. Protonerna som accelererats i linjäracceleratorn skjuts in mot en roterande skiva av volfram där en viss mängd av volframatomerna kommer att träffas. Tack vare protonernas höga hastighet kan varje proton frigöra cirka 30 neutroner. 

EXPERIMENTSTATIONER ESS

I experimentstationerna används neutron-strålarna av forskarna för att studera sina prover. Det prov som ska undersökas placeras i neutronstrålen i instrumentet. Neutronerna tränger in i preparatet och vissa av dem sprids, studsar, mot atomkärnorna i materialet. Genom att mäta hastigheten och riktningen på neutronerna när de kommer ut ur provet får man med avancerad mjukvara ett så kallat spridningsmönster. Detta spridningsmönster analyseras och ger information om hur atomerna sitter gentemot varandra inne i provet och hur de rör sig. Detta avslöjar alltså hur provet ser ut och fungerar på molekylär nivå. 

(Experimentstationer MAX IV) 

MAX IV

ELEKTRONKANON

Elektronkanonen frigör elektroner som senare accelereras i hög hastighet i linjäracceleratorn. Elektroner kan frigöras genom uppvärmning. När elektronkanonens katod av bariumoxidbelagd volfram värms till ca 1000 °C kommer elektroner att frigöras och bli fritt flygande. De fritt flygande elektronerna accelereras från vila upp till nära ljusets hastighet av starka elektriska fält.  

(Protonkanon (ESS) 

Elektronacceleratorn

Här i form av ett evakuerat katod-strålrör med accelerationsspänningen 3 000 V. Det betyder att elektronerna lämnar elektronkanonen med ca 33 miljoner m/s. 

Denna hastighet har de fått genom att ha passerat ett elektriskt fält med en fältstyrka på 300 000 V/m mellan katoden och anoden sträckan 10 mm. 

 
Elektronerna kommer från en katod (metallrör), som värmts upp till en så hög temperatur, att elektronerna har kastats loss från katoden. Katoden värms av en glödtråd av mycket temperaturtålig volfram, och har ett tunt lager av bariumoxid på sig. Detta tillsammans gör, att ett moln av elektroner frigörs i katodens närhet. 

 
En kort bit därifrån finns en anod som ser nästan likadan ut (de påminner om kopparna runt värmeljus), som är positivt laddad. Den kommer att dra till sig en del av de negativa elektronerna från katoden genom en smal vertikal spalt. Anoden är försedd med en smal horisontell spalt, som får en del av de accelererade elektronerna att formas till en elektronstråle som är smal i höjdled och lite bredare i sidled.

 
Elektronstrålen träffar sedan en sned skärm med en fluorescerande beläggning, där elektronerna ritar en grön linje.

På varsin sida om röret står två magnetspolar. Då man skickar ström genom dem uppstår ett magnetfält, som får elektronerna att avvika från den räta linjen och i stället bilda en del av en cirkulär bana.

Om den magnetiska fältstyrkan varit tillräckligt hög, skulle strålen ha kunnat rita en hel cirkel på skärmen. Lagringsringen i MAX IV fungerar nästan så, men med mycket högre hastighet hos elektronerna. 

Vid så hög hastighet, som kallas relativistisk hastighet, har elektronernas massa ökat 6 000 gånger! Den krökta banan, som är lagringsringen i MAX IV, medför att elektronerna accelererar i kurvan; de dras av en kraft som beror på magnetfältets styrka mot cirkelbanans mitt. Det är då den mycket bredbandiga elektromagnetiska synkrotronstrålningen uppstår. 

Här finns den effekten också, men den är mycket svag. När magnetfältet är avstängt, kommer elektronerna att fortsätta fram till rörets slut där de slår in i glaset och bromsas och absorberas. Vid inbromsningen uppstår det en mycket svag (mjuk) röntgenstrålning.

På grund av tyngdkraften skulle elektronerna annars (om det hade gått) ha fortsatt längs en kastparabel, ungefär som när man kastar en sten rakt ut. Vid den höga hastigheten de har skulle de ha sjunkit till skärmens underkant efter att ha passerat Sverige på längden en och en halv gånger. 

Tyvärr går inte detta, eftersom elektroner, som inte är i vakuum, krockar eller förenar sig med atomer och molekyler i luften och försvinner nästan genast. I MAX IV är alltså allt väldigt mycket större – här accelereras elektronerna med 3 000 Volt medan motsvarande siffra för MAX IV är 1 000 000 gånger större! 

3 000 000 000 Volt (3 gigavolt) ger i torr luft en gnista, som är 1 km lång. Därför använder man andra metoder för att accelerera elektronerna till nära ljusets hastighet, innan de går in i lagringsringen för att producera världens briljantaste ljus. 
 

LINJÄRACCELERATOR

Elektronerna accelereras i en linjäraccelerator som finns i en 300 meter lång underjordisk tunnel. Linjäracceleratorn accelererar elektronerna med hjälp av högfrekventa elektriska fält. En bra acceleration kräver att timingen av de högfrekventa elektriska fälten är optimal. Längs med hela acceleratorn finns magneter som fokuserar och leder strålen i rätt bana. I linjäracceleratorn färdas elektronerna i nära ljusets hastighet och deras energi ökar under passagen genom acceleratorn. 

(Linjäraccelerator ESS)  

LAGRINGSRING

Efter linjäracceleratorn åker elektronerna in i lagringsringen. De styrs av magneter som böjer elektronstrålen till en cirkelformad bana. När elektronerna far fram i lagringsringen passerar de, på raksträckan före strålröret, en anordning av magneter som kallas wiggler. En wiggler består av en lång serie magneter som får en passerande elektron att svänga ungefär som en skidåkare som åker slalom. När elektronerna svänger sänder de ut intensivt synkrotronljus som färdas rakt fram, ut i strålröret. I slutet på strålröret når ljuset experimentstationen och forskarens prov. Elektronerna fortsätter att åka runt i lagringsringen. 

EXPERIMENTSTATION MAX IV

På MAX IV kommer det att finnas många olika experimentstationer där materialprover undersöks på olika sätt. Ett vanligt sätt är att belysa provet med synkrotronljus. Ljuset sprids mot elektronerna som finns i materialet och bildar ett spridningsmönster eller ett så kallat diffraktionsmönster. Detta mönster behandlas numeriskt i en dator för att skapa en bild av de molekyler eller atomer som undersöks. 

(Experimentstationer ESS)  

MONOKROMATOR

På MAX IV kan forskarna välja att använda ljus med olika våglängder, från infrarött ljus till röntgenljus. Forskarna plockar ut en bestämd våglängd för att undersöka sitt prov. De kan göra detta genom att filtrera bort de våglängder de inte vill ha. Filtret kallas monokromator och består vanligtvis av speglar, ett gitter och en spalt. Gittret är en yta med ett litet mönster som upprepar sig. Det kan vridas mekaniskt så att ljus med en bestämd våglängd passerar spalten. 

  • Synkrotonljus är elektromagnetisk energi som består av röntgenstrålning och synligt ljus. Synligt ljus består av alla regnbågens färger. Det som skiljer färgerna åt är att de ha olika våglängd.

ESS & MAX IV

SPEKTRALANALYS 

Ett spektrum är en uppdelning av ljus i olika färger, ett slags fingeravtryck av det ämne som lyser. Varje ämne ger en unik uppsättning av färger. Genom att analysera ett spektrum hos en okänd gas kan man ta reda på vilka atomer gasen innehåller. På MAX IV belyser man prover med synkrotronljus och forskarna analyserar ljuset från proverna. Det utsända ljuset talar om vilka ämnen provet innehåller, till exempel vilka järnföreningar som finns i Vasaskeppet. På ESS heter motsvarande mätmetod neutronspektroskopi. Neutroner med en viss energi skickas in i provet och så mäts deras energi när de kommer ut. Skillnaden i energi ger information om materialets dynamiska tillstånd till exempel vibration och rotation. 

LJUS GER FÄRG 

Forskare kan analysera ett och samma prov på både ESS och MAX IV. De får då kompletterande information om sitt prov. På MAX IV belyses proverna med ljus. Beroende på vilken färg på ljuset som används får man olika information om provet. För att studera så små saker som molekylstrukturer används ultraviolett ljus eller röntgenljus, ju kortare våglängd desto mindre strukturer kan mätas. På ESS ska proverna beskjutas med neutroner. Med hjälp av dessa undersökningar fås ytterligare en bild av materialet som undersöks.  

Målning av Diane Sandall


ELEKTROMAGNETISM 

Elektromagnetism är den del av fysiken som förenar elektriska och magnetiska fenomen. De elektromagnetiska krafterna förmedlas av fotoner och växelverkar med alla partiklar som har laddning. Den elektromagnetiska kraften ger upphov till de flesta vardagliga fenomen, såsom induktion, friktion, normalkraft (den kraft som hindrar föremål från att flyta in i varandra), kemiska reaktioner och så vidare. Källa: Wikipedia