Spørg Scientariet: Hvordan skaber man vakuum i en partikelaccelerator?
more_vert
close

Få de daglige nyheder fra Version2 og Ingeniøren. Læs mere om nyhedsbrevene her.

close
By signing up, you agree to our Terms & Conditions and agree that Teknologiens Mediehus and the IDA Group may occasionally contact you regarding events, analyzes, news, offers, etc. by telephone, SMS and email. Newsletters and emails from Teknologiens Mediehus may contain marketing from marketing partners.

Spørg Scientariet: Hvordan skaber man vakuum i en partikelaccelerator?

Illustration: Nikola C. Jones

Vores læser Niels Monberg spørger:

Hvordan skaber man absolut vakuum i et stort hulrum som f.eks en partikelaccelerator?

Jeg kan forstå, hvordan man kan suge de første mange luftmolekyler ud, men efterhånden må der jo blive så langt mellem de sidste, at de ikke længere skubber til hinanden?

For det er vel nødvendigt at fjerne dem alle sammen, for at de accelererede partikler ikke skal støde ind i dem ved et uheld, når man skal lave sine forsøg?

Læs også: Spørg Scientariet: Hvordan får man protoner til at støde sammen?

Scrollpumpe. Illustration: Nikola C. Jones

Søren Vrønning Hoffmann, seniorforsker på Institut for Fysik og Astronomi på Aarhus Universitet, svarer:

Et godt vakuum er meget vigtigt i enhver partikelaccelerator. De partikler, som accelereres, vil dog altid støde ind i restgasmolekyler i vakuummet. Ideelt ville det naturligvis være, hvis der slet ikke er nogle restgasser tilbage i det vakuum, man danner, men i praksis er det umuligt.

Hvor godt, vakuummet skal være i en partikelaccelerator, afhænger lidt af typen. I en almindelig lineær accelerator, hvor partikler bliver dannet i den ene ende, accelereres op og rammer deres mål i den anden ende, er kravet ikke så stort som i ringformede acceleratorer, hvor partiklerne lagres over længere tid. Ved sammenstød med et restgasmolekyle vil partiklen blive tabt, og derfor ikke være lagret mere.

Et eksempel på en ringformet accelerator er synkrotronstrålingskilden ASTRID2 ved Aarhus Universitet. Her lagres elektroner med hastigheder meget tæt ved lysets hastighed, og med en omkreds på ca. 46 m vil elektronerne komme forbi samme punkt 6,5 millioner gange hvert sekund.

For at kunne lagre elektroner i timevis er det derfor nødvendigt med et meget højt vakuum. Det typiske vakuum, vi opererer med, er i størrelsen 10^-10 til 10^-9 mbar, altså mindst tolv størrelsesordener under normalt atmosfærisk tryk (1013 mbar).

Læs også: Hvor tæt kan partikler komme på hinanden?

Turbopumpe. Illustration: Nikola C. Jones

For at opnå sådanne lave tryk benytter vi os af en række forskellige vakuumpumper. Som grove vakuumpumper bruger vi roterende spiraler ('scroll pumper'), der skubber luften ud. Disse kan sænke trykket fra atmosfæretryk og ned i 10^-3 til 10^-2 mbar området.

Ved disse lave tryk er der allerede så langt imellem de enkelte restgasmolekyler, at de rammer kammervæggene oftere, end de rammer andre molekyler. Der er derfor ikke længere et viskøst flow af gas, som ved indsugningen til en støvsuger.

Men pga. molekylernes konstante bevægelse rundt i kammeret vil de alligevel med tiden komme ned i pumpen og bliver fjernet fra vakuumkammeret.

For at opnå endnu lavere tryk bruger vi turbopumper. Disse pumper kan bedst sammenlignes med jetmotorer, hvor hurtigt roterende blade skubber molekylerne fra indsugningssiden til bagside af pumpen, hvorefter en scroll pumpe fjerner dem helt. Med disse pumper kan man pumpe ned i 10^-7 til 10^-8 mbar området.

Læs også: Spørg Scientariet: Hvordan virker fusionsmetoden ’focus-fusion’?

Ionpumper. Illustration: Nikola C. Jones

For at komme det sidste stykke ned i tryk, og for at holde trykket nede, udbages vakuumkammeret ved ca. 150 grader C, gerne i flere dage, for at fjerne de molekyler (som f.eks. vand og kulmonooxid), der sidder på indersiden af kammervæggene.

Efter endt udbagning tager ionpumper over. Disse pumper fjerner ikke restgasmolekyler fra vakuumkammeret, men binder dem til et titaniumlag i pumpen via en ionisation af molekylet i et højspændingsfelt (typisk 5-7 kV).

Ionpumperne er ofte suppleret med sublimationspumper, hvor et frisk lag af titanium dannes med jævne mellemrum (f.eks. en gang om ugen). Under de rette betingelser vil sådanne ion- og sublimationspumper kunne opretholde et vakuum helt ned til 10^-11 mbar området i mange år, uden at disse pumper rent faktisk fjerner molekylerne fra kammeret.

Spørg fagfolket

Du kan spørge om alt inden for teknologi og naturvidenskab. Redaktionen udvælger indsendte spørgsmål og finder den bedste ekspert til at svare – eller sender spørgsmålet videre til vores kloge læsere. Klik her for at stille dit spørgsmål til fagfolket.

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Der er meget stor kvalitetsforskel på de svar der kommer i Scientariet. Hvis der findes en pris for årets svar vil jeg meget gerne nominere dette, det er absolut blandt de bedre.

Hvordan introducerer man nye partikler til test i acceleratoren, uden at ødelægge vakuummet?

  • 12
  • 0

Enig i at Søren har givet et godt svar.

Jeg vil lige supplere lidt. Her i Lund, Sverige, har vi også lagerringe for elektroner. Ud over de nævnte pumper, bruger vi NEG belægninger i store dele af vores systemer. Lidt løst sagt fungerer belægningen som fluepapir for de fleste molekyler (efter aktivering). Molekylerne indlejres i belægningen lige som i ionpumperne.

NEG:
https://en.wikipedia.org/wiki/Non-Evaporab...

Et svar til Mogens Hansens spørgsmål:

I de tilfælle hvor man skal have gasser eller "beskidte" materialer, som skal være i direkte forbindelse med ultra høj vakuum (UHV), uden membraner eller vinduer imellem, kan man bruge differentialpumpning . Differentialpumpning kan man udføre ved at have et antal kamre imellem UHV og det højere tryk. Imellem hvert kammer er der et lille hul eller kapillærrør hvor molekylerne har svært ved at ramme igennem. Hvert kammer pumpes typisk med turbo- eller ionpumper. På den måde kan man have en trykforskel på 5 størrelsesordener over en meters penge - selv om der er direkte hul for det lys eller andet, man vil have igennem fra UHV til det urene område.

Denne teknik bruges i vid udstrækning på eksperimentstationer hvor man vil måle på gasser, væsker eller urene prøver.

Ved vore acceleratorer bruger vi elektroner og de er meget lettere at have med at gøre. De introduceres på samme måde som i gammeldags TV, radiorør, osv. Man varmer et stykke metal op så elektroner frigøres og derefter accelereres de med en spænding.

  • 2
  • 0