Synkrotronerne myldrer frem

Rundt omkring i verden nærmest skyder synkrotroner op af jorden. Den intense røntgenstråling, som oprindelig var en stærkt uønsket egenskab i forbindelse med partikelfysikernes enorme maskiner, har nu fundet så store anvendelser inden for bioteknologi, medicinalindustri, materialeforskning og selv inden for arkæologi og historie, at behovet for nye maskiner vokser og vokser.

I Sverige har man besluttet at etablere en topmoderne synkrotron, MAX IV, i Lund til en pris af to-tre milliarder kroner. En endelig rapport om finansieringen skal forelægges for det svenske undervisningsministerium 1. marts. Det vil tage omkring fire år at bygge anlægget, som altså tidligst kan stå færdig i 2013.

Som tidligere omtalt i Ingeniøren arbejdes der også med aktiv dansk støtte på at skaffe international opbakning til at bygge neutronfaciliteten European Spallation Source til henved 10 milliarder kroner i Lund. Får man held med det, vil området rykke op i samme klasse som Grenoble, der i dag er Europas førende sted for røntgen- og neutronstråling - og det vil også få stor afsmittende effekt i Danmark.

En måde at sammenligne synkrrotroner på er i forhold til elektronernes energi. Den måles traditionelt i elektronvolt eller milliarder af elektronvolt - gigaelektronvolt.

MAX IV kommer med en energi på 3 GeV til at minde om det nyeste anlæg i Europa: Sole il på Saclay-plateauet sydvest for Paris. Her suser elektroner rundt i en 354 meter ring med en energi på 2,75 GeV. En fast medarbejderstab på 350 personer sørger for, at anlægget fungerer for de omkring 2.000 brugere, der forventes at komme hvert år.

Parasitten fik overtaget

Det er et fundamentalt fysisk princip, at elektroner, der bevæger sig i cirkulære baner med hastigheder ganske tæt på lysets, konstant taber lidt af deres energi, og at denne energi udsendes som elektromagnetisk stråling.

For partikelfysikerne, som vil bruge elektronerne til energirige kollisioner, er det et problem, som de må imødegå ved konstant at tilføre energi til elektronerne.

Ingen er bedre end Danmarks Mr. Synkrrotron, professor emeritus Jens Als-Nielsen, til at forklare, hvordan dette problem er blevet til et universalværktøj.

Jens Als-Nielsen er uddannet civilingeniør i elektrofysik og var gennem en årrække ansat på Risø, blandt andet som leder af fysikafdelingen. I 1995 blev han ansat som professor i eksperimentel faststoffysik ved Københavns Universitet. Han modtog for en måned siden Veluxfondens Hæderslegat på en halv million kroner for sin mangeårige forskning inden for neutron- og røntgenspredning.

»Det var på Brookhaven i USA, at man i 1960'erne for alvor fandt på at udnytte den røntgenstråling, der udsendes i forbindelse med elektronernes tab af energi. I Europa var det noget, man begyndte at studere ved DESY (Deutches Elektronen-Synchrotron, red.) i 1970'erne, og som vi på Risø var tæt involveret i. Partikelfysikerne havde dog ikke særligt høje tanker om vores brug af maskinerne til disse formål. Vores tid blev kaldet "parasitic beamtime" - vi var altså en slags parasitter,« siger Jens Als-Nielsen.

Partikelfysikernes maskiner var første generation af synkrotroner. De var dog få og ikke optimeret til røntgenstråling. Efterhånden opstod der et behov for dedikerede maskiner, der var konstrueret direkte til udsendelse af røntgenstråling.

I midten af 1970'erne begyndte man at designe disse maskiner, og i 1981 stod både Synchrotron Radiation Source (SRS) i Daresbury i England og National Synchrotron Light Source (NSLS) ved Brookhaven National Laboratory færdig. De var de første af anden generation af synchrotroner.

Et nyt skridt fremad skete i 1994, da European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) som den første tredjegenerationsmaskine stod færdig i Grenoble. Den blev henholdsvis to og tre år senere fulgt af Advanced Photon Source ved Argonne National Laboratory og SPring-8 i Japan.

Tredjegenerations synkrotroner bruger mere avancerede komponenter til at danne intens synchrotronstråling i bestemte bølgelængdeområder.

Hvor det tidligere udelukkende var magneter, der bøjede elektroner forholdsvis blødt rund i banen, indførte man nu komponenter - de såkaldte undulatorer - der fik elektronerne til at gennemløbe en slalombane, hvor der ved passage af hver slalomport blev udsendt røntgenstråling, hvis intensitet derved blev mangedoblet.

ESRF er stadig det europæiske flagskib inden for synkrotroner og vil med et planlagt upgrade-program kunne fastholde denne position også i fremtiden. Men siden ESRF er der bygget flere tredjegenerationsmaskiner i både store og små europæiske lande. Selv Schweiz med umiddelbar nærhed til ESRF har etableret sit eget anlæg, Swiss Light Source, ved Paul Scherrer Institut i form af en 2,4 GeV synchrotron.

I Danmark har Aarhus Universitet gennem mange år opereret mindre lagerringe, som kan udsende synkrotronstråling.

I december 2008 modtog man en bevilling på 37 millioner kroner til at bygge en ny lagerring, kaldet ASTRID2. Den vil få en omkreds på 46 meter og bl.a. kunne generere blød røntgenstråling med en bølgelængde omkring en nanometer.

Fremtidens minisynkrotron

Alle de betydende synkrrotroner har omkredse, der måler flere hundrede meter - for ESRF er den 844 meter.

Intens stråling i en tredjegenerations synkrotron opstår i undulatorene. Her sker afbøjningen med magneter, og det giver elektronstrålens slalombevægelse en periodelængde, der typisk er nogle få centimeter.

Skal man opnå hård røntgenstråling med en bølgelængde omkring en ångstrøm (0,1 nanometer), så skal elektronerne have en energi på flere gigaelektronvolt - og det kan de kun opnå i synchrotroner, der måler flere hundrede meter i omkreds

Men der findes faktisk et alternativ, der kan give hård røntgenstråling fra en ring, der kun har en omkreds på nogle få meter.

Ronald Ruth fra Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) foreslog første gang i 1998 en Compact Light Source (CLS), som han siden 2004 har udviklet i sit eget firma Lyncean Technologies i Palo Alto i Californien. Ruth udnytter et fysisk princip, der kaldes invers Compton spredning. I CLS dannes røntgenstrålingen ved, at elektronerne vekselvirker med et laserfelt, som har en periodelængde på ca. en mikrometer.

Da periodelængden er et par tusinde gange mindre end i de traditionelle synkrotroner, betyder det, at elektronerne kan nøjes med at have en energi, der er omkring 50 gange mindre, end hvad der er nødvendigt i de store synkrotroner. Det kan opnås i lagerringe med en omkreds på under 10 meter.

For fire-fem år siden lykkedes det faktisk Jens Als-Nielsen at opnå en ekstern bevilling på 20 millioner kroner til indkøb af en CLS til Københavns Universitet, og faktisk burde der have stået en CLS på Københavns Universitet i dag. Men ét er et princip, et andet er at få bygget en velfungerende maskine.

»Ruth har stadig problemer med sin CLS. Det fysiske princip er veldokumenteret, men der er stadig meget, der skal optimeres ud fra et ingeniørmæssigt synspunkt, før den er fuldt sammenlignelig med de traditionelle synchrotroner,« siger Jens Als-Nielsen.

Han har dog langtfra opgivet håbet om, at intense minisynkrotroner et stykke ud i fremtiden kan blive hvermands eje for universiteter og større hospitaler.

Emner : Stråling
sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

Ingen tvivl om at den såkaldte "compact light source" er interesant som strålingskilde, men at kalde den for en minisynkrotron er en overdrivelse. Hvis/når kilden fungerer vil den være en interessant laboratoriekilde, væsentlig mere intens end de største røntgengeneratorer, men den vil være størrelsesordener under intensiteten fra en synkrotronstrålingskilde. Og hvis vi taler brillians, taber den kompakte yderligere sammenlignet med en moderne synkrotron.

  • 0
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten