SYNKROTRONSTRÅLNINGEN FRÅN MAX

Ljus har alltid använts av människan för att undersöka föremål. Först bara solens strålar, men tidigt också konstgjorda ljuskällor. Det ljus vi kan se är en elektromagnetisk vågrörelse, men det finns också annat som är elektromagnetiska vågor; radiostrålning, värmestrålning, infrarött- och ultraviolett ljus, röntgenstrålning och gammastrålning. De olika slagen av strålning har olika våglängd och man kan rita en skala, ett elektromagnetiskt spektrum, efter våglängdens storlek:

Som synes upptar det ljus vi kan se bara en mycket liten del. Den moderna forskningen har gett oss helt nya verktyg att undersöka världen omkring oss. Urladdningsrör, radio- och mikrovågsgeneratorer och lasrar t.ex. Ingen av dessa strålningskällor ger oss emellertid strålning av alla våglängder. Synkrotronljuset som kommer ur MAX ringarna däremot, är en intensiv, riktad och polariserad elektromagnetisk strålning av alla våglängder, från radiovågor till hård röntgenstrålning.

Man undersöker lättast ett föremål med strålning vars våglängd är kortare än föremålet självt. En radaranläggning, som utnyttjar halvmeterlånga vågor, ser en båt men inte en svala. Om man vill studera utseendet på ett HIV virus måste man ha tillgång till röntgenstrålning med en våglängd som är mindre än atomernas typiska storlek.

Elektromagnetiska vågor skapas av elektriska laddningar som avböjs, bromsas eller accelereras. I en radioantenn far elektroner fram och tillbaka, i en lampa accelereras elektronerna i själva atomerna. I en synkrotronljuskälla har man först gett elektronerna en hastighet nära ljusets, mer än 99,9999% av ljushastigheten. De är då s.k. relativistiska eftersom man måste ta hänsyn till Einsteins relativitetsteori. Synkrotronljuset kommer från sådana relativistiska elektroner som avböjs i ett magnetfält.

Elektronerna ...

... vid MAX-lab får sin hastighet i fyra steg. Först använder man en elektronkanon där elektroner dras ut från en glödande metallbit, sedan skickas de till en föraccelerator, mikrotronen. Därefter sänds de in i MAX I. Efter att ha accelererats i MAX I sänds elektronerna över till MAX II där de ytterligare accelereras och lagras i flera timmar. Både MAX I och MAX II genererar synkrotronstrålning. Eftersom elektronerna utsänder strålning förlorar de energi som måste ersättas. Därför passerar de en gång per varv ett accelerationsgap och får en knuff framåt. Om elektronerna löpte i luft skulle de kollidera med luftmolekylerna och studsa bort. De måste därför löpa i ett vakuumrör. Eftersom hastigheten är lika stor som ljusets rör de sig under några timmar en sträcka som är lika lång som avståndet från jorden till en avlägsen planet. MAX II ringen är ca 90 m i omkrets så elektronerna snurrar sisådär 100 miljarder varv i ringen, och de får inte träffa en enda luftmolekyl på vägen. Det vakuum som krävs kallas ultrahögvakuum.

Magneter finns på flera ställen i MAX ringarna och där avböjs elektronerna varvid de sänder ut synkrotronljus. Man har tagit upp hål i magneterna och anslutit rör, strålrör, där synkrotronstrålningen kommer ut. Strålröret måste innehålla en anordning som väljer ut en viss våglängd av strålningen, en monokromator. Ofta måste man dessutom använda röntgenspeglar och annan modern avancerad optik för att strålningen skall hamna på rätt plats och i rätt mängd vid experimentet.

MAX II är en mer avancerad synkrotronljuskälla än MAX I. Strålningen där produceras huvudsakligen i s.k. wigglare och undulatorer där elektronerna får gå i slingrande banor i periodiska magnetfält. Genom att elektronerna avböjs många gånger i anordningen så ökar intensiteten på synkrotronljuset med upp till tio tusen gånger och dessutom kan man få ut kortare våglängder än ur böjmagneterna.

FORSKNINGEN ...

... vid MAX laboratoriet bedrivs inom biologi, fysik och kemi. Laboratoriet är byggt som en nationell anläggning för dessa ämnesområden och används av forskare från hela världen.

Inom fasta tillståndets fysik, ytfysik och materialfysik låter man synkrotronstrålning infalla mot en yta varvid elektroner slås ut från atomerna. Dessa elektroner kan analyseras i en elektronspektrometer, vilket ger information om ytors fysik och kemi. Ungefär 90 % av de kemiska reaktioner vi människor använder oss av i olika tekniska och biologiska sammanhang sker på en yta! Om vi ser ytan lager för lager av atomer så kan vi idag detektera ner till en tusendel av ett atomlager av en kemisk förening på en yta och kemiskt analysera föreningen!

Studier av fasta material och ytfysik utgör för närvarande den största delen av forskningen vid MAX laboratoriet. Speciellt studerar man s.k. katalysreaktioner, halvledare och polymera material (t.ex. elektriskt ledande plaster).

Molekylfysiken, atomfysiken och den fysikaliska kemin använder röntgenstrålningen från MAX laboratoriet för att studera elektronstrukturen. Nästan alla molekylers egenskaper beror av elektronernas fördelning i atomerna och molekylerna. Man belyser helt enkelt provet med synkrotronljus och studerar ljusutsänding (fluorescens) i en optisk spektrometer, utslagna elektroner i en elektronspektrometer eller laddade joner i en masspektrometer. Sammantaget ger dessa mätningar en grundläggande kunskap om atomernas och molekylernas elektronstruktur och ger ledtrådar till förståelsen av bl.a. de kemiska bindningarna.

För kristallografi och studier av stora biologiska molekyler erbjuder elektron acceleratorn unika möjligheter eftersom den ger både kortvågig, oerhört riktad och intensiv röntgenstrålning. Detta medger korta mättider, varvid man kan studera bräckliga biologiska jättemolekyler.

Spektromikroskopin använder att synkrotronljuset kan koncentreras till en mycket liten fläck, så liten som ca en tusendels millimeter. Därefter kan man analysera de elektroner som kommer ut från provet med en elektronspektrometer . Genom att flytta fläcken över provet erhålls en mikroskopisk, kemiskt analyserad bild av provet.

Röntgenlitografi är en metod under utveckling vid bl.a. MAX laboratoriet. Genom att använda kortare våglängder med hög intensitet än traditionellt kommer man kunna producera ännu mindre elektroniska kretsar.

Acceleratorfysikforskningen rör själva synkrotronen och dess komponenter. Dessutom arbetar man kring wigglare och undulatorer samt s.k. frielektronlaser (FEL).

Kärnfysikforskningen utnyttjar den höga energin i MAX I acceleratorns elektroner för att studera egenskaperna hos hela och delar av atomkärnor.