Ørsted Laboratoriet

   

I forbindelse med et besøg på Niels Bohr Instituttet har vi kikket ind på Ørsted Laboratoriet. Her eksperimenterer man bla. med at danne mikrokrystaller. Man arbejder helt nede på atomart plan. For at forstå lidt af, hvad der foregår, må du kende acceleratoren.

Acceleratoren

Det er mærkeligt at forestille sig, at når man skal undersøge stoffernes mindste dele, kræves der de største og dyreste apparater/maskiner til det.

For at undersøge atomkernernes opbygning bruger man oftest en accelerator. Det er et apparat, der kan accelerere: elektrisk ladede partikler (protoner, elektroner og ioner) op til meget høje hastigheder. Med de hurtige partikler bombarderer man et materiale, og ud af dette bombardement kan man spore nye partikler og måle og beregne kernernes opbygning.

De to største acceleratorer er cirkulære og 27 km i omkreds. De findes på det europæiske CERN-laboratorium i Schweitz og Fermilab laboratoriet i USA - et par gigantiske projekter. I USA har man været i gang med at bygge en accelerator på 87 km i omkreds, men på grund af de enorme summer, den vil koste, standsede kongressen byggeriet i 1993, da 20% var bygget. Prøv at lave en hurtig beregning over, hvad disse kæmper vil fylde i området, hvor I bor.

Princippet i en accelerator er ret enkelt.

Et TV-billedrør viser stort set de anvendte grundprincipper:

Fig. 1

Billedrøret er en næsten lufttom glaskolbe.

Bagest sidder en metalplade, der ophedes ved hjælp af en glødetråd. Metalpladen afgiver så elektroner.

I et kraftigt elektrisk felt accelereres elektronerne op, så de får så meget fart på, at de kan fare ud til indersiden af glaskolbens skærm.

Her bombarderer de nogle påsmurte stoffer, som afgiver lys (fotoner), når de bliver ramt.

For at styre elektronstrålen hen over skærmen, så der dannes et billede, er der to sæt metalplader vinkelret på hinanden. Deres spænding styres af det signal, TV-modtageren får fra TV-antennen.

Billedet som helhed styres af magneter (lodret og vandret justering af billedet).

I en accelerator er der også et lufttomt rør, en partikelkilde, høj accelerationsspænding, styremagneter og et mål, der skal bombarderes.

For at få stor fart på partiklerne styrer man dem med magneter rundt i ring, hvor de for hver runde én eller to gange kommer ind i et kraftigt elektrisk felt og får et nyt "spark" (yderligere acceleration).

Når man synes, de bevæger sig hurtigt nok, ledes de ud i et kammer, hvor "skydeskiven" (det stof, man vil bombardere) sidder. I dette kammer sidder så de nødvendige måleinstrumenter og andet udstyr, som man analyserer bombardementets resultat med.

Fig. 2

I princippet kan man lade dem køre i ring, lige så længe man vil, og få dem op på stadigt større hastighed, men i praksis støder man hovedet mod loftet, når partiklerne bevæger sig meget hurtigt. De bliver nemlig tungerere, jo nærmere man kommer lyshastigheden (Einsteins relativitetsteori), og dermed stadigt vanskeligere at accelerere.

Desuden udsender ladede partikler, der accelereres (accelerationen sker her især i form af selve afbøjningen), elektromagnetisk stråling (lys, røntgenstråling osv.). Det kaldes også bremsestråling eller synkronstråling. Derved mister partiklerne energi, der samtidigt må erstattes.

Hvad er det så, man kan undersøge med acceleratoren? Det er først og fremmest atomkernens opbygning. I grundskolen lærer man som regel, at der findes to slags partikler i atomkernen Protoner og neutroner. Faktisk har man efterhånden opdaget flere hundrede slags partikler, som kommer fra kernen. Jo kraftigere acceleratorer, man bygger, desto flere partikler dukker der op fra kernerne i det stof, der danner skydeskive. Partiklerne produceres på grund af de store energiudvekslinger ved bombardementet.

Niels Bohr Institutet, Ørsted Laboratoriet

På Ørsted Laboratoriet har man en accelerator, der bruges som "ionkanon" og til at analysere materialer med. Den er specielt konstrueret til at adskille forskellig slags ioner og beskyde et mål med de udvalgte ioner. Det drejer sig især om tunge ioner, derfor kaldes den også en tungion-generator.

Ionerne skal dels have fart på (accelereres), dels skal den udvalgte slags kunne skilles ud fra de andre.

fig. 3

Hvis det blot drejer sig om at få fart på ionerne, kan man nøjes med et lige apparat, hvor en katode med et hul i midten tiltrækker dem (hvis de er positive) og derved giver dem et "spark".

fig. 4

For at skille lette fra tunge ioner, må røret være krumt og en kraftig magnet med poler under og over røret vil tvinge partiklerne rundt. De tunge partikler kræver større kraft end de lette for at bøje af. Ved at regulere magnetens styrke (eller partiklernes hastighed) kan man så selv bestemme, hvilken slags ioner, der skal ind ad hullet til et ekstra spark i "postacceleratoren".

Foruden de to acceleratorer er der elektroder i hver ende til at samle ionstrålen. Disse sæt af elektroder kalder man elektrostatiske linser.

Acceleratoren på Ørsted Laboratoriet er bygget som vist på fig. 4, men den er rigtignok noget mere kompliceret. Herunder er et foto af ionkilden, tredie targetkammer (der er i alt tre "skydeskiver") og kontrolpanelet.

Denne accelerator bruger man bl.a. til at skyde ioner ind i metalplader, så de "vokser sammen med" metallets eget krystalgitter og danner mikroskopiske krystaller inde i pladen.

F.eks. beskyder man Al-plader med Tl-ioner, så der bliver små Tl-krystaller inde i Al-pladen. Med elektronmikroskop undersøger man, hvordan Tl-krystallerne er opbygget, og hvad der sker, når man sætter Al-pladen med Tl-krystallerne under meget højt tryk, 4 GPa (4 milliarder pascal eller 40.000 atmosfæres tryk ).

Fig. 5 fig. 6. Ionkilde target 3

Fig. 7. Kontrolpanelet

Hvad forskningen skal bruges til, ved man ikke i forvejen. Det er grundforskning, man laver, fordi man er nysgerrig efter at vide, hvordan materialer opfører sig under specielle forhold.

Den viden, man får, offentliggøres i videnskabelige tidsskrifter, og så kan andre forskere måske på et tidspunkt bruge den til det arbejde, de er i gang med.

Det kunne være forskere på en stor virksomhed, hvor udviklingsafdelingen skal lave nye typer af materialer til specielle formål, eller geologer, der ønsker at finde ud af, hvad der sker langt ned i jorden, hvor trykket er stort (f.eks. 4 GPa). Eller måske kunne det være astronomer, der vil forske i meteoritter - hvor varme, de har været, og hvordan de er blevet afkølet under deres tur gennem jordens atmosfære.