MAX IV: 528 meter lang accelerator er gigantisk røntgenapparat

Midt mellem rapsmarker og bondegårde rager en 528 meter lang metallisk skinnende ring op i det skånske landskab.

Den runde bygning er et såkaldt synkrotronstråle-anlæg, hvor elektroner bliver accelereret op i svimlende hastigheder. Dermed udsender de røntgenstråling, og snart vil forskere fra hele verden komme rejsende til Lund for at udnytte røntgenstrålerne til deres eksperimenter.

»Byggeriet er næsten ved at være færdigt. Vi forventer, at vi kan begynde at sende de første røntgenstråler afsted i begyndelsen af næste år, og i sommeren næste år er vi klar til rigtigt at gå i gang,« fortæller danske Jesper Andersen, som er videnskabelig direktør for synkotronstråleanlægget MAX IV, som hører under Lund Universitet.

Når MAX IV står færdigt vil det ifølge egen beskrivelse blive »den klareste røntgenkilde i verden«, og forskerne vil kunne bruge røntgenstrålerne som en form for ’mikroskop’, der kan afsløre, hvordan bittesmå atomer, celler, elektronik og lignende ser ud og opfører sig.

Bliver 'et kraftcenter' for forskningen

Kun få hundrede meter fra Max IV er byggeriet af et andet prestigefuldt forskningscenter – European Spallatian Source (ESS) - gået i gang for få måneder siden. Hele 250 arbejdere er beskæftiget alene på byggepladsen, og syv kraner er i gang med at opføre det store forskningsanlæg.

»Vores mål er, at vi skal være verdens førende materialeforsknings-facilitet,« lyder det fra Mats Lindroos, som er nuklearfysiker og leder af accelerator-afdelingen ved ESS.

Når European Spallatian Source står klar til brug i 2023, skal det ligesom MAX IV fungere som et gigantisk ’mikroskop’. Men til forskel fra Max IV vil ESS-anlægget imidlertid få øje på verdens mindste byggesten ved hjælp af neutroner – læs mere i denne artikel.

Både politikere og forskere regner med, at de to nye forskningsanlæg vil forvandle de skånske marker til en magnet for kloge hoveder og virksomheder fra hele verden – eller som det danske forskningsministerium formulerer det, vil det blive »et internationalt kraftcenter inden for forskningsområderne materialevidenskab, biotek, medicin, pharmaci og telekommunikation.«

ESS regner med at få 400-500 fastansatte medarbejdere og 2.000-5.000 besøgende forskere hvert år, mens MAX IV regner med at kunne modtage omkring 2.000 forskere årligt, når anlægget er fuldt udbygget.

»Det er meget stærkt rent forskningsmæssigt, at der bliver mulighed for at arbejde med både neutroner og røntgenstråler i to anlæg lige ved siden af hinanden,« fortæller Mark Hagen, som er leder af ESS’s datacenter, som vil blive placeret i København.

Røntgen eller neutroner?

Men hvad er forskellen på de to gigantiske mikroskoper – og hvordan fungerer de?

Hvis vi begynder med røntgenanlægget MAX IV, så producerer anlægget elektroner - små negativt ladede partikler.

Elektronerne bliver sendt ind i en kæmpestor ring, hvor de accelereres op til ekstremt store hastigheder. Og mens de suser rundt i ringen, bliver deres bane afbøjet, og det får dem til at udsende røntgenstråling – eller rettere synkrotronstråling.

»Almindelig røntgenstråling, som vi for eksempel kender fra røntgenapparater på hospitalerne, bliver sendt ud i alle retninger. Men i et synkrotronanlæg bliver røntgenstrålingen kun udsendt i en meget lille vinkel. Den er altså en meget mere fokuseret stråling,« forklarer Jesper Andersen, som er videnskabelig direktør for synkotronstråleanlægget MAX IV.

»Det er ikke et mikroskop, men et nanoskop«

Når røntgenstrålerne er blevet udsendt af elektronerne i den store ring, bliver strålingen sendt videre ind på det materiale, som forskerne vil undersøge – det kunne for eksempel være et lægemiddel, et metal eller en elektronisk komponent, som man ønsker at zoome ind på.

Røntgenstrålerne rammer materialeprøven og ryger derefter videre ud i en detektor, som kan give forskerne informationer om, hvordan et stof er opbygget helt ned på atom-niveau. Med andre ord tager forskerne altså et avanceret røngenbillede af, hvordan materialets bittesmå byggesten ser ud.

»Jeg ser ofte journalister skrive, at vi bliver verdens bedste mikroskop. Men jeg synes ikke om udtrykket mikroskop, for vi har en opløsning, som er meget bedre end mikrometer. Vi er helt nede på nanometer, så jeg foreslår i stedet at kalde det et ’nanoskop’,« siger Jesper Andersen.

Ny teknik revolutionerer synkrotronstråleanlæg

Der findes i forvejen en række synkrotronstråleanlæg i andre lande; Aarhus Universitet har eksempelvis det 46 meter lange synkrotronstråleanlæg ASTRID2, og der findes kæmpestore synkrotronstrålefaciliteter i blandt andet i USA og Frankrig.

Og selvom anlæggene i USA og Frankrig måske nok kan bryste sig af at være større – og dermed måske bedre – end anlægget i Lund, så mener Jesper Andersen, at MAX IV bliver det bedste og mest effektive synkrotronstråleanlæg i sin egen størrelsesklasse.

Det er blandt andet, fordi MAX IV’s maskindirektør Mikael Eriksson har fået en række nye ideer til, hvordan synkrotronstråleanlægget i Lund kan bygges mere effektivt, fortæller Jesper Andersen.

»Mikael Eriksens ideer har revolutioneret teknologien til synkrotronstråleanlæg.«

»Man bruger kort fortalt magneter til at afbøje og fokusere elektronerne. Og det er sådan, at jo flere magneter du kan klemme ind i den store ring des bedre. Mikael Eriksens teknologi betyder at vi kan klemme langt flere magneter ind, og derfor ryger kvaliteten og præcisionen af elektronstrålen op. Og det samme gælder røntgenstrålingen, som den udsender,« fortæller Jesper Andersen, mens han viser rundt i forskningsanlægget.

Anlægget er næsten færdigbygget, men teknikere er fortsat i gang med at montere de sidste lange kobberrør, som elektronerne skal suse igennem, når de næste år begynder at cirkulere rundt i den 528 meter lange ring.

Render i jorden er starten på neutronmikroskop

Få hundrede meter fra den store ring, er byggeriet af forskningsanlægget ESS stadig ved sin spæde start.

Der er gravet store, lange render i jorden, og rundviserne på byggepladsen forklarer, at det er her, protonerne (positivt ladede partikler) vil blive accelereret op i ekstremt høj fart – op til 96 procent af lysets hastighed.

For enden af den lange, lige accelerator vil protonerne blive slynget ind i et afkølet metal – wolfram. Når protonerne rammer metallet med den høje fart, bliver der slået neutroner løs fra metallet (neutroner er partikler, som sidder i kernen af et atom, og som er kendetegnet ved ikke at have nogen ladning).

I ESS-anlægget er det netop neutronerne, der skal bruges til at kigge ind i materialer og ’tage et billede af’, hvordan de er opbygget – på samme måde som røntgenstrålerne gør det i MAX IV-anlægget.

»Neutronerne har en evne til oftest at gå igennem materialer, og det kan man udnytte til at få informationer om materialets opbygning. På bagsiden af materialet opstiller man detektorer – ofte flere hundrede detektorer. De måler for eksempel, hvor svækket signalet fra neutronerne er blevet af at gå igennem materialet, og hvordan neutronerne er blevet spredt,« har professor Henning Friis Poulsen fra Institut for Fysik på Danmarks Tekniske Universitet (DTU) tidligere fortalt til Videnskab.dk

Hvad er forskellen?

Ud fra oplysninger fra detektorerne kan forskerne altså analysere sig frem til en masse detaljer om det materiale, de undersøger.

Men hvad er så forskellen på at bruge røntgenstråler og neutroner til at undersøge materialer?

Accelerator-fysiker Mats Lindroos fra ESS forklarer, at de to metoder ikke er lige gode til at zoome ind på de samme materialer.

For nogle materialer vil MAX IV-anlægget udgøre det bedste 'mikroskop', mens det vil give mere mening at bruge ESS' neutroner til at zoome ind på andre materialer.

»Det er svært at bruge røntgenstråler til at se på lette grundstoffer såsom brint. Her er det bedst at bruge neutroner. Og omvendt når man skal på tungere grundstoffer. På den måde supplerer de to metoder hinanden rigtig godt,« fortæller Mats Lindroos.

Forskellen på de to metoder kan også forklares ved at forestille sig, at man gerne vil undersøge en motor nærmere.

»Hvis man tager et røntgenbillede af motorblokken, ser man alt stålet, mens neutronerne derimod trænger igennem motorblokken og giver et billede af dieselen eller de vanddampe, som måtte være derinde. Neutronerne er rigtig gode til at vise de bløde og biologiske materialer,« lyder forklaringen fra professor Henning Friis Poulsen fra DTU.

Det kæmpestore 'røntgenapparat' MAX IV skal zoome ind på materialer og kortlægge, hvordan de ser ud i mindste detalje. (Foto: Wikimedia Commons)

European Spallatian Source (ESS) skal også fungere som et højteknologisk mikroskop og bruger neutroner til at zoome ind på materialer. Byggeriet af ESS gik i gang i efteråret 2014. Der er gravet store, lange render i jorden, og rundviserne på byggepladsen forklarer, at her vil blive accelereret op i ekstremt høj fart – op til 96 procent af lysets hastighed. (Foto: Lise Brix)

Danske Jesper Andersen, som er videnskabelig direktør ved MAX IV, viser rundt i synkrotronstråle-anlægget, som ventes at være færdigt i sommeren 2016. (Foto: Lise Brix)

I øjeblikket er ESS en ren byggeplads. 250 arbejder i alt på byggepladsen, hvoraf 132 er bygningsarbejdere, og 118 er ansatte, der arbejder på byggeriets kontor. (Foto: Lise Brix)

Synkrotronstråleanlægget MAX IV ligger kun få hundrede meter fra neutronstråleanlægget ESS. Her er arbejdet med at opføre anlægget næsten færdigt, men teknikere fortsat er ved at klargøre det sidste arbejde. (Foto: Lise Brix)

På MAX IV skal elektroner accelereres op i hastigheder tæt på lysets hastighed i et 528 meter langt kobber-rør. Når elektronerne afbøjes udsender de røntgenstråling. Rundt om kobberrøret sidder magneter og avanceret elektronik. (Foto: Lise Brix)

1 / 6