Konsten att spåra en neutron

Hur spårar man bäst en neutron? En liten grupp materialforskare
vid Linköpings universitet kom på en innovativ lösning som ger staden en nyckelroll i megaprojektet ESS, European Spallation Source som hösten  2014 börjar byggas i Lund.

Carina Höglund anställdes som forskare vid European Spallation Source dagen efter sin disputation i tunnfilmsfysik, en vetenskap där man atomlager för atomlager skapar extremt tunna skikt av ett material. Tekniken är vardagsmat i prylar som glasögonbågar, elektronik och verktyg. Men nu skulle det visa sig att den får en avgörande betydelse för mångmiljardsatsningen i Lund, där materiens innersta skrymslen ska kunna studeras med hjälp av neutroner.

Metod utvecklad vid LiU

Fram till den första projektstarten 2019 ska 6 000 kvadratmeter neutrondetektorer tillverkas med en metod utvecklad av materialforskare vid Linköpings universitet.

– Vi kämpade för att få den produktionen hit till Linköping, säger Carina Höglund.ess

Och så blev det. Under sommaren har en mindre fabrik – där hjärtat är ett beläggningssystem för tunnfilm – installerats i Wahlbecks företagspark i centrala staden.

ESS-projektet har kantats av kriser och perioder nära haveri, men när detta skrivs är anläggningen redo att lyfta från ritbordet. Arkeologerna är klara och grävskoporna på väg in. Mitt i sommaren blev finansieringen klar sedan Tyskland skrivit på för 11 procent av totalkostnaden 1,84 miljarder euro. Sverige står för 35 procent.

I början av 2000-talet var det Linköpingsprofessorn Karl-Fredrik Berggren som lotsade projektet förbi ett antal kritiska blindskär. Som talesman för ESS-S, det skandinaviska initiativet i konkurrensen om att få värdskapet, hade han motståndare såväl bland politiker som forskare. Projektet var skört och på väg mot konkurs men räddades tack vare ekonomiskt stöd från Knut och Alice Wallenbergs stiftelse och politiskt från dåvarande utbildningsministern Lars Leijonborg.

Bor blev räddningen

Men i elfte timmen dök ett nytt problem upp. ESS är i grund och botten ett jättelikt mikroskop där forskare ska kunna granska det innersta i sina prov med extremt hög upplösning, med hjälp av neutroner. Men neutroner låter sig inte detekteras hur som helst. Det normala är att de går rakt igenom alla hinder utan att lämna några spår efter sig.

En isotop av ädelgasen helium, helium-3, som produceras som en biprodukt vid tillverkning av kärnvapen, är ett av de få ämnen som fungerar. När det blev alltmer sällsynt och priserna skenade ringde larmklockan. Problemet behövde lösas och det snabbt.

Intresset riktades då mot ett helt annat, fast material. I stället för att fångas upp i ett heliumgasmoln skulle neutronerna kunna passera genom en rad detektorer av halvmetallen bor-10. Men för att fungera som detektor måste tjockleken kontrolleras väl och ligga kring 1 µ. ESS-ledningen vände sig till LiU:s materialforskare, där professorerna Lars Hultman och Jens Birch delegerade uppdraget till Carina Höglund som då var inriktad på grundforskning om materialtillväxt.

Efter många långa dagar och nätter i tunnfilmslabbet på Campus Valla började den rätta kompositionen ta form. Borisotopen bakades ihop med en del kol och materialet fick de egenskaper som krävdes, bland annat tålighet mot neutronstrålningen.

– Våra filmer klarar en stråldos motsvarande många hundra års användning, konstaterar Carina Höglund.



Fakta:

Spallation betyder ursprungligen ”sönderdelning”, från början använt i gruvindustrin, slå sönder malm till mindre bitar. I en neutronkälla bombarderas en bit kvicksilver eller wolfram (som i ESS) med protoner av hög energi. Då frigörs neutroner, som dirigeras till experimentstationer där de tränger in i proven. De motsvarar de fotoner som används i en röntgenapparat eller elektronstrålarna i ett elektronmikroskop.
När neutronerna passerat genom objektet – utan att påverka det – fångas de upp av detektorer som mäter förändringar i hastighet och riktning. Dessa data ger detaljerad information om den innersta strukturen i provet.
Planeringen för ESS har pågått i 20 år. Minst 17 länder är involverade med Sverige, Danmark, Norge och Tyskland som största finansiärer. Anläggningen erbjuder möjligheter för forskare inom livsvetenskaper, energi, miljöteknik, kulturarv och grundläggande fysik. De första projekten beräknas starta 2019 och 2025 ska ESS vara i full drift.
Bor är ett naturligt grundämne med två stabila isotoper, 10B och 11B. 10B är en neutroninfångare som bland annat används i kärnreaktorer. Världens största fyndigheter av bormineral finns i Boron, Kalifornien, och i Kirka, Turkiet.

Text: Åke Hjelm
Foto: Anna Nilsen


Senast uppdaterad: 2015-06-04