Verdens kraftigste neutronmikroskop er ved at blive opført i Lund. Et hold nuklearforskere fra DTU Nutech har været med til at forbedre kernen i det kommende anlæg med en faktor 2,5.
På en mark uden for Lund i det sydlige Sverige er verdens kraftigste neutronkilde, European Spallation Source (ESS), ved at blive opført. Anlægget er en form for mikroskop, hvor forskere ved hjælp af neutronstråling kan ’se’ ind i biologiske materialer og metaller og få et detaljeret billede af, hvordan det er opbygget helt ned på atomniveau.
Se video om ESS i Lund:
[video:1]
I hjertet af ESS sidder et anlæg, hvor man danner neutroner ved at accelerere partikler op til høj hastighed og sende dem ind i det tunge metal wolfram, der så udsender neutroner. Det er det, der kaldes en spallationsproces. Dernæst sløves neutronerne ned i en såkaldt moderator, hvorefter de kan sendes ud af en ’beamlinje’. Hver beamlinje har sit specialinstrument, alt efter hvilken type undersøgelser der skal foretages på linjen. Her vil neutronerne ramme materialet og – uanset om det er blødt, som f.eks. en biologisk prøve, eller hårdt som f.eks. metal – trænge dybt ind i det uden at beskadige det.
At arbejde med neutroner er dog ikke helt ligetil, forklarer nuklearfysiker Luca Zanini, der leder Neutronics- gruppen på ESS:
”Neutroner har ikke nogen ladning, og derfor kan de ikke styres på samme måde som ladede partikler. Forestil dig, at ud af en million neutroner, som skabes i spallationsprocessen, ender måske kun én neutron der, hvor forskerne ønsker det.”
Man tager en proton…
I hjertekammeret af ESS finder man en rund skive med en diameter på cirka 2,5 meter. Skiven er lavet af det ekstremt hårde grundstof wolfram. Når man med en fart, der nærmer sig lysets hastighed, skyder protoner ind i wolframmet, fordamper partikler af kernerne, og dermed frigives de neutroner, som efterfølgende kan bruges til at studere materialeprøver. Over wolframskiven sidder den såkaldte moderator, der er lavet af flydende brint, et ekstremt koldt stof, der med sine minus 253 grader celsius tager farten og energien ud af de vilde neutroner og gør dem kolde, så de kan guides videre til forsøgsopstillingerne. Wolframskiven og moderatoren er omgivet af grundstoffet beryllium, som er specielt velegnet til at reflektere neutroner. Derved bliver mange af de neutroner, som ellers ville gå tabt, reflekteret tilbage i moderatoren.
Men som udgangspunkt spreder neutronerne sig i alle retninger, og udfordringen er at få maksimeret antallet af neutroner, der kan ledes ud til de omgivende 22 beamlinjer. Den udfordring har en gruppe forskere, heriblandt ph.d.-studerende Troels Schönfeldt og postdoc Esben Klinkby fra DTU Nutech, taget op.
Sammen med Neutronics-gruppen i Lund har DTU Nutech-forskerne lavet radikale ændringer af både designet og placeringen af moderatoren.
”I første omgang gjaldt det om at få en dybere forståelse af, hvad der sker i selve processen, og derefter rykke på de forskellige parametre med simuleringsværktøjer for at optimere på resultatet. Nogle gange får man en god idé og kan derfor tage et stort skridt fremad. Og det er, hvad vi har gjort i dette tilfælde,” forklarer Troels Schönfeldt og fortsætter:
”Typisk ligner moderatoren en spand med flydende brint eller metan placeret ved siden af en vandbalje. Men gennem computersimuleringer har vi vist, at en flad moderator giver mange flere brugbare neutroner til eksperimenterne. Denne opdagelse ledte os til et nyt og innovativt design, som vi kalder sommerfuglen, hvor vandmoderatoren er placeret centralt mellem to flade vinger med flydende brint. Dette giver os cirka 2,5 gange flere neutroner end forventet.”
Det er en markant forbedring af selve kernen i ESS, som ESS’ Luca Zanini glæder sig over:
”Gennem historien har det vist sig at være utrolig kompliceret at øge antallet af neutroner. Det er derfor en virkelig imponerende præstation, at DTU-forskerne med det nye design kan øge neutron-outputtet med ikke mindre end en faktor 2,5,” siger han.
Hele ESS-faciliteten, der forventes at stå færdig i 2019, kommer til at koste tæt på to milliarder euro.
| Udstyret på illustrationen udgør en lille kerne på cirka 2,5 meter i diameter midt i det enorme spallationsanlæg i Lund. |
 |
- Forskere fra DTU Nutech har ændret moderatorens design radikalt fra en cylinderformet enhed til to flade dele, der tilsammen danner en karakteristisk sommerfugleform. Designet øger antallet af neutroner, der transporteres ud i beamlinjer, med en faktor 2,5.
- Moderatoren er placeret i et vandbad ved stuetemperatur, der i sig selv sænker farten på neutronerne. Neutroner, der passerer vandbadet, kaldes for termiske og bruges enten alene eller sammen med de kolde neutroner fra moderatoren af forskellige forskningsgrupper, som forsker i områder, der dækker alt fra fundamental fysik, kemi og bioteknologi til energimaterialer og arkæologi.
- Vandlaget rundt om moderatoren er gjort større, så flere af de hurtige neutroner kan indfanges og gøres termiske.
- Der vil være 22 beamlinjer, som fører kolde eller termiske neutroner ud til forskernes forsøgsopstillinger. Afhængigt af hvilket eksperiment der skal udføres, kan forskerne ønske, at neutronerne er kolde, termiske eller en kombination af de to.
- Målet for protonstrålen er wolframskiven, som er inddelt i lagkagelignende stykker for at undgå overophedning. Skiven roterer, så et nyt stykke af den hele tiden eksponeres for den voldsomme protonstråling.