Aarhus University Seal / Aarhus Universitets segl

Hvordan man accelererer et atom til en hastighed af 48.000 km pr. sekund

Om tandemacceleratoren på Det fysiske Institut og dermed om noget meget væsentligt for arbejdet

Af: Robert Stensgaard

Blandt det eksperimentelle udstyr på Det fysiske Institut indtager tandem acceleratoren en særstilling som det kostbareste og mest omfattende udstyr, der endnu er anskaffet. På grund af strålingsfaren og den høje udnyttelsesgrad vil der kun sjældent være adgang for offentligheden til at se dette spændende anlæg. Denne artikel skal derfor tjene som en "rundvisning" for Information og Debats læsere.

Fig. 1  Den elektrostatiske generator. Foran den 11 m lange tryktank injektoren, i baggrunden analysemagneten


For den uindviede vil rundgangen være et yderst forvirrende billede: 40 meter lange haller dybt under jorden fyldt med blanke stålrør, store beholdere, blinkende lamper og farvestrålende trykknapper. Lad os derfor først kort gennemgå princippet for acceleratoren:
Fysikeren, der i laboratoriet ønsker at undersøge atomets eller atomkernens egenskaber, må have et "værktøj", der er sammenligneligt med atomets ufatteligt små dimensioner. Som værktøj anvendes andre atomer, der er accelereret til høje hastigheder og som projektiler rammer de undersøgte atomer, der herved får tilført energi. Nu studeres reaktionen på denne energitilførsel, der f. ex. kan være afgivelse af energetisk:   stråling eller en elementarpartikel. Da de elektrisk ladede atomkerner frastøder hinanden, må projektilerne op på fantastiske hastigheder for at trænge ind på det undersøgte atom. Til at bibringe atomerne disse hastigheder er der i løbet af de sidste 50 år blevet udviklet stadigt større acceleratorer.
Alle acceleratorer benytter som grundprincip den kendsgerning, at et ladet atom, der anbringes i et elektrisk felt, vil accelereres i feltets retning. Den hastighed, der herved opnås, er proportional med spændingens størrelse, og store acceleratorer er derfor kendetegnet ved, at de frembringer høje spændinger. Dette kan være en besværlig proces, og i visse acceleratortyper anvendes den frembragte spænding derfor flere gange. En af disse er tandemacceleratoren.
Centralt i anlægget står den elektrostatiske generator, se fig. 2. Den består af en 11 m lang tryktank, i hvis midte en blank metalelektrode er isolerende anbragt. Op til denne elektrode løber et motordrevet gummibælte, meget lig et transportbånd. En strømforsyning ved tankens ene ende lægger elektrisk ladning på bæltet, der fører den til midterelektroden, som herved gradvist oplades. Ved dette princip, kendt som Van de Graaff princippet, kan midterelektroden oplades til en spænding på 6 millioner volt. Hvis denne imponerende spænding blev påført en elektrode i fri luft ville resultatet blive et formidabelt lynnedslag. Når spændingen alligevel kan opretholdes i tanken med en afstand til tankvæggen på kun 70 cm, skyldes det, at en isolerende gas, hovedsageligt bestående af kvælstof, er påfyldt tanken ved 16 atmosfærers tryk.
Den elektrostatiske generator, der anvendes på Instituttet, har en lang forhistorie, idet den fra 1961 til 1970 har arbejdet på Niels Bohr Instituttets afdeling på Risø, hvorfra den solgtes til Århus i forbindelse med udskiftning til en endnu større model med 9 millioner volts terminalspænding. Den øvrige del af acceleratoranlægget er bygget eller projekteret af Instituttets egne teknikere.

Atomets vej

Lad os nu forsøge at følge et atom på dets vandring fra ionkilde til target, stadig ved hjælp af fig. 2 samt de ledsagende fotos.
Turen begynder i ionkilden, der sidder monteret på en mini accelerator kaldet injektoren. Til ionkilden føres det stof, man ønsker at accelerere – oftest på luftform.

Fig. 2  Principskitse af tandemacceleratoren

Her udsættes stoffet for et voldsomt elektronbombardement samt en temperatur på over 1000 graders celsius. Herved vil nogle af stoffets atomer miste en elektron, andre vil binde en ekstra elektron til sig og blive negativt ladet. Det er de sidste, der er interessante ud fra et tandem synspunkt. Tænker vi os at ionkilden blev tilført brint, kan vi med en positiv spænding trække negative brintatomer ud af ionkilden og udsætte dem for injektorens acce-lerationsspænding, hundred tusinde volt. En negativ brintatom, der gennem løber dette spændingsfald, vil accelereres op til en hastighed på 4400 kilometer pr. sekund.
Med denne hastighed løber atomet op mod acceleratortanken. Transporten foregår i et lufttomt stålrør, idet tilstedeværelsen af luft ville betyde kollision med vort brintatom. Stålrøret holdes lufttomt ved hjælp af et omfattende pumpesystem, hvis effektivitet bedst belyses ved, at man sammenligner atmosfærens tryk, 760 mm kviksølv, med stålrørets vakuum, en milliontedel mm kviksølv.
Ved indgangen til den elektrostatiske generator vil terminalspændingen, 6 millioner volt, påføre det negative brintatom en ny voldsom hastighedsforøgelse, således at det ved ankomsten til midterelektroden har en hastighed på 34.000 km pr. sekund.
Her afsløres tandem acceleratorens hemmelighed: ved at lade det negative brintatom passere et tyndt kulfolie afrives den påhæftede elektron samt endnu en. 

Fig. 3  Analysemagnet og skiftemagnet. I forgrunden analysemagneten, der giver 90° afbøjning. Til venstre skiftemagneten med 8 udgange. Imellem de to magneter det lufttomme stålrør, hvor atomstrålen løber.

Resultatet er at brintatomet nu pludseligt er positivt ladet. Terminalspændingen som før virkede tiltrækkende på brintatomet vil derfor nu virke frastødende og endnu engang accelerere det, således at sluthastigheden ved acceleratorens udgang er 48.000 km. pr. sekund. Denne hastighed kunne i en enkelttrinsaccelerator kun være opnået i en maski-ne med terminalspændingen 12 millioner volt. Fordelen ved dette princip bliver endnu mere indlysen-de ved tungere atomer: et iltatom, der foruden sin påhæftede elektron afrives seks af sine egne, vil få en hastighed svarende til over 40 millioner volts terminalspænding!
Med sin nye hastighed, ca. 1/6 af lysets, gennemløber brintatomet nu et lufttomt rørsystem gennem acceleratorens øvrige komponenter. Først analysemagneten, en kæmpe elektromagnet med en vægt på ca. 8 tons. Den virker afbøjende på de accelererede atomer, idet feltet indstilles, så kun atomer med den ønskede hastighed slipper igennem. Atomer med højere hastighed afbøjes mindre, atomer med lavere hastighed afbøjes mere. Magneten virker altså sorterende.

Eksperimentet

Herefter gennemløbes skiftemagneten, hvis funktion kan opfattes som et skiftespors: hvis man afpasser feltet rigtigt kan strålen af accelererede atomer bøjes ind i et ud af i alt 8 rør. For enden af disse rør finder eksperimentet sted.
I et lufttomt kammer forbundet med acceleratorens rørsystem anbringes det stof, man ønsker under-søgt, kaldet target. Hvis vi vil undersøge aluminiums reaktion på et bombardement med hurtige brintatomer, anbringes et stykke aluminiumfolie som target. Når brintatomet, vi har fulgt på dets vej fra ionkilden, ankommer, vil det kollidere med et aluminiumsatom i foliet, og resultatet kan f . ex. være, at der frigives en neutron fra target, eventuelt at der udsendes en gammastråle. I begge tilfælde kan det opfattes ved hjælp af detektorer, som fysikeren har tilsluttet sit måleapparatur med henblik på videre analyse.

Fig. 4  Kontrolpulten. I pulten sidder knapper til styring af acceleratoren. Tavlen over pulten er påmalet en tegning af anlægget med 500 lysende lamper, der viser acceleratorens status. Dataskærmen til højre foretager beregninger over acceleratorens indjustering og udskriver alarmmeddelelser i tilfælde af fejl.

Måske rammer brintatomet slet ikke et aluminiumsatom, men da acceleratoren nemt udsender 1013 atomer pr. sekund, er sandsynligheden for flere tusinde sammenstød pr. sekund alligevel stor.
Det turde være indlysende, at styringen af atomstrålen den lange vej fra ionkilde til target ikke er nogen let opgave. En væsentlig del af acceleratoren er derfor et omfattende elektronisk styresystem, der tillader operatøren at dirigere strålen af ladede atomer samt at måle dens udstrækning og styrke.
Acceleratorer af denne størrelse er i stand til at producere en betragtelig mængde farlig stråling. Hele anlægget er derfor anbragt to etager under jorden og omgivet af én meter tykke betonmure. Et elektronisk sikkerhedssystem overvåger til stadighed acceleratoren og slår alarm, hvis der opstår en potentielt farlig situation for personalet.
Hele anlægget er blevet indkørt i løbet af foråret 1974, og er nu i regelmæssig drift som et stærkt redskab for den eksperimentelle fysik ved Aarhus Universitet.