Image
Hilde Lynnebakken

Protonene i ESS akselereres i en mer enn 600 meter lang akselerator. Fra venstre: Kyrre Næss Sjøbæk, Cyrille Thomas fra ESS, Erik Adli og Eric Fackelman. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

ESS: Verdens største nøytronmikroskop under bygging

Verdens kraftigste nøytronmikroskop vil gi et stort løft for forskningen i Europa. Anlegget gir nye muligheter for å utvikle batterier og medisiner.

Når det står klart i 2027 vil forskningsanlegget European Spallation Source (ESS) ved Lund i Sverige være en av de beste forskningsinfrastrukturene i verden. Viktig utstyr til overvåking av den kraftige protonstrålen som skal til for å lage nøytronene er bygget ved Universitetet i Oslo.

Helmut Schober, leder for ESS, viste Ola Borten Moe (til høyre) omkring på anlegget i mai 2022. Foto: Julia Öberg/ESS

– ESS-prosjektet vil gi Norge og de andre medlemslandene en fantastisk ny infrastruktur som kan bli brukt på mange forskjellige områder, sa Forsknings- og høyere utdanningsminister Ola Borten Moe da han besøkte anlegget i fjor.

– Det er imponerende å se hvordan norske forskere bidrar til å realisere dette mega-prosjektet, la han til.

Mange fordeler med nøytroner

ESS kommer til å bli den kraftigste nøytronkilden i verden.

Nøytronet er den litt unnselige følgesvennen til protonet i atomkjernene. Som navnet sier har det ingen ladning, det er nøytralt.

Fordelene ved å bruke nøytroner er mange. Partiklene passerer lett gjennom de fleste materialer. Dermed kan de brukes til å studere store gjenstander eller materialer under ekstreme forhold som høy temperatur og trykk.

Med nøytroner er det også mulig å se hydrogen. Det gjør metoden velegnet til studier av biologiske materialer.

Lager nøytroner ved å skyte protoner på metall

Nøytroner er imidlertid ikke hyllevare, de må lages på stedet. Ved ESS skal dette skje ved å bombardere metallet wolfram med protoner. Når protonene treffer atomkjernene i wolfram spruter det ut nøytroner med høy energi. Prosessen kalles spallasjon og har gitt navn til anlegget.

I det protonstrålen nærmer seg målet har den svært høy energi. Hvis den er for intens eller feilstyrt kan den gjøre stor skade på maskinen.

– Det er viktig at strålen er slik den skal være, hvis ikke må hele anlegget stoppes, sier fysikkprofessor Erik Adli.

Han og kolleger ved UiO har fått i oppdrag fra ESS å utvikle teknologi for overvåking av den kraftige protonstrålen, og skal levere flere systemer for fotografering av strålen.

Jonas Skara Ringnes ved Instrumentverkstedet på UiO med deler til systemet som skal overvåke protonstrålen ved ESS. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

I kjernen av maskinen er ikke den oppgaven helt enkel.

For høy stråling for kameraer

– Inne i selve target-området er det veldig høy nøytronstråling, derfor er det begrenset hvilke teknikker som kan brukes til å ta bilder, sier Adli.

Kamerautstyr plassert her ville rett og slett blitt ødelagt av strålingen.

Forskerne har løst dette med å smøre inn et område av target med et materiale som sender ut lys når ladde partikler går gjennom.

Lyset blir reflektert ved hjelp av spesielle speil som tåler strålingen, til et sted over 10 meter unna hvor det er trygt å plassere et kamera.

UiO-utstyr skal overvåke protonstrålen

UiO skal også levere utstyr for overvåking av protonstrålen under innkjøring av anlegget. Protonene skal komme fra den kraftigste lineære protonakseleratoren som noen gang er bygget.

Håvard Gjersdal ved Elektronikklaboratoriet på UiO med deler av overvåkingssystemet som nå er levert til ESS. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

– Det er en stor jobb å få strålen i god nok stand, forteller Adli. Det kan ta mange måneder eller kanskje år før den er klar til å brukes i nøytronproduksjonen, tror han.

Fakta

ESS

ESS er et europeisk prosjekt med 13 land som medlemmer.

Anlegget består av en lineær akselerator for protoner, et target hvor nøytronene produseres for deretter å fordeles til ulike instrumenter for nøytronforskning.

Forskningen ved ESS kommer til å brukes innen medisin, farmasi, ren energi, IT og arkeologi, for å nevne noe.

Norge er et av medlemslandene og bidrar med 2,5 prosent av budsjettet.

– Systemene er designet og bygget her på Blindern, med teknikere og ingeniører på Instrumentlaboratoriet og Elektronikklaboratoriet, forteller Adli.

De første systemene fra UiO, de som skal brukes under igangkjøringen av ESS, ble levert i sommer.

ESS kommer til å starte igangkjøring i løpet av 2024, anslår Adli. Hele anlegget skal etter planen stå ferdig i 2027.

Viktig for norsk batterisatsing

– Jeg var der, i Lund for 22 år siden, da norske, svenske og danske forskere bestemte seg for å forsøke å få bygget ESS i Norden, forteller Helmer Fjellvåg, professor i kjemi ved UiO.

Nøytronanlegg er mye brukt av kjemikere til å studere materialer. Særlig viktig for norske forskere er biologiske stoffer og funksjonelle materialer for batterier, hydrogenlagring og magnetisme.

Eksperimenthall: Bak de blå blokkene skal nøytronene produseres og føres ut til eksperimenter som skal bygges her i hallen. Foto: Hilde Lynnebakken/UiO

– Selv om vi i Norge ligger litt etter våre naboer, kommer det nå flere gigafabrikker for batterier også her, sier Fjellvåg.

Med ESS vil forskerne kunne studere batterimaterialer under lading og bruk. Også for studier av proteiner og enzymer beskrives ESS som en banebrytende infrastruktur.