Hur skapas neutronerna?

Acceleratorn

Hela processen börjar i ena änden av den linjära acceleratorn med att skurar (pulser) av positivt laddade vätejoner (protoner) skapas i kraftfulla jonkällor (brun byggnad i övre vänstra hörnet). Eftersom dessa är elektriskt laddade kan de accelereras av starka elektriska radiofrekventa fält längs hela den linjära acceleratorn. Protonerna når snabbt en kinetisk energi på 1.34 GeV vilket motsvarar 91% av ljushastigheten. Efter accelerationen träffar de ett mål där ”långa” pulser (millisekunder) av neutroner skapas. För att hålla protonstrålen på plats under accelerationen används supraledande magneter.

I ESS referensdesign från 2002 användes negativa vätejoner, vilka förutom att skjutas mot långpulsmålet också skulle böjas av in i en kompressorring. Efter att ringen fyllts på under en viss tid skulle den tömmas i en kort, intensiv skur mot ett mål för korta pulser (mikrosekunder).

ESS Scandinavia föreslår att enbart en anläggning för produktion av långa pulser byggs i Lund. Kostnadsbesparingen som görs, jämfört med det ursprungliga designförslaget är väsentlig och kan i stället användas för att bygga fler experimentuppställningar och neutroninstrument.

Målstationen

I målstationen träffar protonerna neutronrika atomkärnor i ett målmaterial och slår loss neutroner. Processen kallas spallation.

Målmaterialet kan vara flytande bly, bly/vismut eller kvicksilver eller fast volfram/tantal. Neutronerna som skapas i målmaterialet har för hög energi och hastighet för att kunna användas direkt i instrumenten och de bromsas därför till lämpliga hastigheter i moderatorer. Därifrån leds neutronerna vidare ut till experimentuppställningarna som omger målstationen i ett stjärnformat mönster.

Instrument

Det finns ca 20 st instrument som är specialbyggda för att undersöka olika egenskaper hos material. Ett kan till exempel genomlysa en bilmotor och ge bilder av hur den fungerar. Ett annat kan avslöja hur molekyler i ett smörjmedel packar sig och ett annat berätta hur ett läkemedel binder till ett protein.

Neutronerna leds alltså i rör från målstationen till instrumenten där de träffar det material man vill undersöka. I provet ändrar neutronerna riktning och hastighet (spridning och interferens av neutonens de Broglievåg) och genom att mäta förändringen kan man förstå hur materialet är uppbyggt och fungerar. Pulsstrukturen hos neutronskurarna tillsammans med den höga neutronintensiteten gör att man snabbt kan mäta dynamiska förlopp t ex inom kemi och biokemi, men även hos mekaniska konstruktioner.