Nedräkning för neutronforskning – accelerator i Lund snart startklar

Spårvagnen från centrala Lund går ända fram till forskningsanläggningen ESS i Brunnshög strax nordost om lärdomsstaden. De stora vita byggnaderna höjer sig över slätten som ett främmande inslag mellan åkrar och vindkraftverk. Huvudbyggnaden har prytts med ett brätte av aluminiumlameller som påminner om den böjda kanten på en mexikansk hatt – så kallas den också för byggnadens ”sombrero”.

ESS (European spallation source) är ett jätte­likt internationellt projekt på svensk mark för forskning med hjälp av neutroner. Neutroner kan användas på många olika sätt för att avbilda och analysera sådant som inte syns med andra metoder. Nu pågår de sista förberedelserna för att anläggningens partikelaccelerator ska kunna skapa en neutronstråle och göra de första experimenten. I framtiden är tanken att tusentals forskare ska komma hit varje år.

Bygget startade 2014 och den ursprungliga planen var att göra de första experimenten 2019. Olika hinder har dykt upp på vägen. Den senaste missräkningen inträffade i november 2025, då anläggningen råkade ut för ett oväntat spänningsfall i elförsörjningen som ledde till att en pump stannade. Som en följd av detta frös en del av moderatorsystemet sönder – det system som reglerar neutronernas energi.

Att byta ut det är inte gjort i en handvändning. Nu är i alla fall alla delar på plats och förberedelser pågår för att skapa och använda neutroner. Flera instrument står redo för de första experimenten som väntas i början av 2027.

Mycket nära ligger en annan stor forskningsanläggning: synkrotronljuskällan Max IV. Även den bygger på en stor accelerator, men där skapas en särskild typ av röntgenljus. Synkrotronljus och neutroner kan ge kompletterande information om samma sorts material, så förväntningen är att många forskare kan vilja använda båda anläggningarna.

Neutroner är de neutrala partiklarna som finns i de flesta sorters atomkärnor. Eftersom de är elektriskt neutrala kan de tränga igenom många material ganska obehindrat där annan strålning stoppas. Däremot påverkas de mycket av lätta atomkärnor som väte och litium.

Det betyder att till exempel en metall som stoppar röntgenstrålning är genomskinlig för neutroner, medan material som vatten och plast hindrar dem från att tränga igenom. Det gör det möjligt att skapa en sorts alternativa ”röntgenbilder” av insidan av föremål, där helt andra strukturer framträder.

Andra typer av experiment bygger på att se hur neutronerna sprids när de träffar på atomerna i ett prov. Neutroner känner också av magnetfält som påverkar deras bana, och det gör att de kan ge information om magnetisk struktur i ett material.

Neutroner finns inte fritt i omgivningen, för fria neutroner sönderfaller, med en halveringstid på knappt en kvart, till en något lättare proton och en elektron. När neutroner sitter i en atomkärna är de däremot stabila. Neutronerna har en viktig roll för att hålla ihop stora atomkärnor, så att de inte faller isär på grund av att de elektriskt laddade protonerna stöter bort varandra.

Den som vill ha neutroner i sin verktygslåda måste alltså plocka ut dem ur atomkärnan, och det är inte så lätt. ESS använder sig av en 600 meter lång accelerator som sätter fart på protoner, som sedan skjuts på ett strålmål av metallen volfram. Volframkärnor är tunga och innehåller gott om neutroner. I kollisionen spjälkas neutroner loss från atomkärnorna och kastas ut i omgivningen, där de kan tas till vara i olika experiment.

Rikard Linander står på det runda locket över strålmålet och förklarar hur kylsystemet fungerar. Han är chef för avdelningen som ansvarar för strålmålet, eller target som folk här oftast kallar det med det engelska ordet. Här kommer själva neutronerna att produceras.

Fotografen ber Rikard Linander att stiga upp på stegen som står intill för att ta en bild, men säkerhetsreglerna gäller även chefen.

– Man måste ha gått stegkursen för att gå på stegar. Jag har inte den, säger Rikard Linander.

Konstruktionen vi står på kallas monoliten. Vi kan inte se själva volframhjulet som neutronerna ska komma ifrån, för det är inkapslat inuti tusentals ton av väggar av stål och gjutjärn som inte släpper ut joniserande strålning. Dessutom är alltihop omgivet av betong för att fånga upp de neutroner som ändå smiter igenom. En annan viktig funktion har moderatorerna, med vatten respektive flytande väte som bromsar ner neutronerna till lämpliga energier för de olika experimenten.

Strålmålet är ett hjul på två och en halv meter i diameter. Det innehåller 3,5 ton volfram i form av 7 000 små brickor i tårtbitsformade kassetter. En bit nedanför plattformen vi står på ska proton­strålen träffa en yta lite mindre än min hand. Under tiden roterar hjulet för att strålen inte ska träffa samma fläck hela tiden och förstöra den. Strålen behöver nämligen vara mycket intensiv för att man ska kunna få ut så mycket neutroner som planerat. Det är mycket energi som avsätts på en liten yta. Målhjulet kyls med helium, som har fördelen att vara i stort sett genomskinligt för neutroner.

Flera olika instrumentstationer står redo för att ta emot forskare så snart det finns neutroner. Fram till dess handlar arbetet om att försäkra sig om att alla delar fungerar så att driften blir pålitlig. Enligt Helmut Schober, generaldirektör för ESS, finns det många forskare som väntar på att få tillgång till anläggningen som sätter en ny standard för fältet.

– Europa är världsledande inom neutronforskning men användarna väntar på nästa generations neutronkälla, säger Helmut Schober.

I början kommer det ändå att krävas lite tåla­mod, för det blir en period då mycket arbete kommer att gå ut på att trimma in de olika delarna. Helmut Schober tycker att det är viktigt att sätta förväntningarna rätt i början.

– Somliga tror att man bara kan slå på maskinen och köra den, precis som man köper en bil och kör den direkt, säger han.

Det är inte bara maskiner som måste vara på plats och fungera, utan en forskningsanläggning av den här typen måste vara redo att stötta användarna på många olika sätt. Den som vill ta reda på något om en organisk molekyl eller ett arkeologiskt föremål kanske inte har möjlighet att bli expert på neutroner. Därför behöver de kunna få stöd med att omvandla råa mätdata till något som de kan tolka och använda. Det kommer att göras vid ett centrum för datahantering i Köpenhamn.

– Vi måste kunna ta emot alla typer av användare och ge dem vad de behöver. Vi vill att de ska kunna resa hem och tycka att de har haft en positiv upplevelse, säger Helmut Schober.

Själva acceleratorn är färdig och testad. 2025 testades strålen, som då bara skickades in i en absorberande vägg.

Vi går ner i tunneln med acceleratorn tillsammans med Natalia Milas, som arbetar med strål­dynamik, och Domenic Nicosia, som varit med och byggt upp en del av acceleratorn under de senaste fyra åren. Vi går längs en del av den 600 meter långa acceleratorn och tittar på olika tekniska finesser för att forma och övervaka strålen.

Även om det inte finns någon stråle igång just nu finns det saker för acceleratorteknikerna att göra. De behöver kontrollera alla delar och se till att de fungerar felfritt tills det är dags att köra igång.

När vi ska gå tillbaka ut ur acceleratortunneln passerar vi flera olika sensorer, där vi får kontrollera att händer och fötter inte blivit kontaminerade med något radioaktivt. Det är viktigt med säkerhet. Till slut ska vi ut genom en sorts sluss, som vi måste gå igenom en och en. Den yttre dörren öppnas inte. Vi testar en i taget, utan framgång. ”Unauthorized entry” säger felmeddelandet. Till slut listar någon ut att det gäller att vrida sig 90 grader efter att den inre dörren har stängts för att den yttre ska öppnas, så vi behöver inte tillbringa kvällen i tunneln.

Mycket få kommer att behöva gå in till acceleratorn i framtiden. De flesta kommer att vara vid de olika instrumentstationerna. För att se några av dem får vi gå genom enorma hallar med traverser i taket och stora vita betongblock som strålbarriärer kring strålgångar och experiment.

Varje station har tre olika sorters utrymmen: ett avskärmat rum för instrumenten, ett separat kontrollrum och så intill detta ett laboratorium eller en verkstad, där proverna förbereds.

Det här blir tydligt när biokemisten Zoë Fisher visar sin instrumentstation, som heter NMX. Först går vi in i laboratoriedelen. Det känns lite som att gå in i en fraktcontainer, men inuti finns all utrustning som behövs och Zoë Fisher är redan i fullt arbete med att framställa kristaller av komplicerade organiska molekyler.

– Det är en långsam övning att göra tillräckligt stora kristaller. Ibland har man tur, då tar det en till två månader. Men oftast tar det längre tid, säger Zoë Fisher.

Detta är något som hon och hennes grupp är experter på, och hon kommer att arbeta nära de användare som kommer hit och hjälpa dem att skapa sina kristaller.

Hon berättar att försöken i NMX ska fungera på liknande sätt som röntgenkristallografi, som hon gör vid grannlaboratoriet Max IV: den inkommande strålningen sprids i en kristall, och kristallens struktur gör att spridningen förstärks i vissa riktningar. Mönstret av fläckar som den spridda strålningen bildar används sedan för att räkna ut hur atomerna är fördelade i molekylerna som bygger upp kristallen.

Det som blir annorlunda här är att NMX ska använda neutroner i stället för röntgenljus, och neutroner sprids mest av väteatomerna i stället för av de tyngre atomerna i provet. Därför kan NMX ge viktig kompletterande information som inte syns i röntgenexperimenten vid Max IV.

– Hälften av alla atomer i proven är väte, och vätet är där det händer saker, säger Zoë Fisher.

Att förstå hur molekylerna är uppbyggda är viktigt bland annat för att optimera läkemedel.

Härnäst går vi in till själva experiment­upp­ställningen. Mekaniken ser mycket avancerad ut. Det finns robotarmar som ska lyfta upp och hålla de känsliga proverna. Dessutom finns tre stora robotarmar som ska hålla själva detek­torer­na som fångar upp neutronerna, och vrida dem runt för att mäta från olika vinklar.

– Jag tycker ärligt talat att de här robotarmarna är lite läskiga, säger Zoë Fisher.

När det väl är dags för experiment kommer ändå ingen att behöva vara här inne, utan i stället sköts robotarmarna från kontrollrummet intill.

Alla instrumentstationer ser mycket olika ut, eftersom det finns så många olika typer av experiment som kan göras med neutroner. Vid en station som heter Odin har någon medarbetare satt en liten blå plastbyst av den egyptiska drottningen Nefertiti där strålen ska passera, för att illustrera att man här bland annat ska kunna lysa igenom arkeologiska föremål och förstå hur de är uppbyggda på insidan. Vid stationen Dream ser vi en kammare med detektorer i metallblanka höljen, och en mycket speciell provhållare för batterier, nanomaterial med mera.

Bifrost, härnäst, är uppkallad efter regnbågsbron i den nordiska mytologin, men den flera meter höga apparaten är inkapslad i anonyma svarta paneler. Här är planen att utforska högteknologiska material, bland annat supraledare som leder ström utan motstånd.

När neutronstrålen väl startar kommer det bli mycket aktivitet. De tålmodiga forskare som får göra sina försök under den första perioden medan allt trimmas in håller på med sina förberedelser. De kommer att vara redo.