Spetsforskning för att effektivisera MAX IV

Forskningsanläggningen MAX IV i Lund, världens första fjärde generationens synkrotronljuskälla, har öppnat unika möjligheter inom materialforskningen. Men den intensiva ljusstrålen som används är så stark att den typ av monokromator som nu används för mjukröntgen inte fungerar optimalt, något som skapar stor tidsfördröjning i mätningarna. Med en bättre design av monokromatorn kan genomströmningen av experiment öka radikalt, vilket i sin tur möjliggör fler avgörande forskningsresultat.

Forskare vid Lunds universitet söker en lösning på ett problem som ända sedan starten av MAX IV har medfört att vissa experiment tagit väldigt lång tid.
– Problemet är en effekt av att den ljusstråle som skapas i anläggningen har ett mer precist och upp till hundra gånger starkare ljus (briljans) än tidigare ljuskällor. Det är av avgörande betydelse för de experiment man utför, men medför också en stor ökning av speglarnas deformation på grund av den höga temperaturen, förklarar Peter Sjöblom, gruppchef, MAX IV, Tekniska divisionen.

Hög temperatur medför problem
Den höjda temperaturen orsakar problem i de monokromatorer som används för att välja ut en specifik våglängd i ljuset. När dessa utvecklades för 20–30 år sedan var uppvärmning av optiken inget problem och den mekaniska lösning som användes löste många av dåtidens problem.
– Nu visar det sig att den lösning monokromatorerna använder, med en stor spegel som ljusstrålen sveper fram längs med, inte fungerar lika bra med den intensiva ljusstrålen. Strålen är väldigt fokuserad och träffar bara en liten del av spegeln vilket medför en så hög temperatur att spegeln deformeras lokalt, konstaterar Marcus Agåker, forskningsingenjör vid MAX IV, Forskningsdivisionen.
När sedan strålen flyttas träffar den en yta som först måste värmas upp för att deformeras på samma sätt så att strålens reflektion blir densamma efter varje flytt.
– Forskarna måste därför vänta många timmar om man väljer en annan våglängd på ljuset som passar andra atomer under experimentet, fortsätter han.

Ny design är lösningen
Deras lösning på problemet med värmeöverföringen bygger på en förändring i designen av monokromatorn. I stället för att ljusstrålen sveper fram längs med spegeln och reflekterar mot provet använder de en liten spegel som strålen träffar och låter spegeln röra sig i stället.
– På det sättet kommer spegeln att ha en fast temperatur och kan behålla sin ideala form genom hela experimentet. Forskarna behöver då inte vänta på att spegeln ska återta sin form varje gång strålen träffar en ny punkt på den, förklarar Louisa Pickworth, forskningsingenjör vid MAX IV, Forskningsdivisionen.

Många fördelar
Den främsta fördelen med den nya lösningen är att forskningsanläggningen kommer kunna nyttjas mer effektivt framöver. Eftersom anläggningen ger unika möjligheter för att bättre förstå allt från material och kemiska processer till fenomen inom livsvetenskap har den en stor betydelse för samhällsutvecklingen.
– I dag har vi många forskare som ansöker om att få utföra experiment, men på grund av att experimenten tar så lång tid kan vi bara bevilja en av tre. Med den nya designen på monokromatorn kanske vi kan bevilja två av tre. Vinsten med det är flerfaldig eftersom fler viktiga forskningsresultat kan genereras. Kostanden per experimenten för anläggningen blir därmed betydligt lägre och MAX IV kan även fortsatt vara världens ledande forskningsanläggning inom sitt område, konstaterar Peter Sjöblom.
Deras lösning kommer inte bara att gynna MAX IV utan även andra forskningsanläggningar som börjar uppgradera sina anläggningar mot en fjärde generationens synkrotonljuskälla.
– Eftersom vi var först följer andra noga vad vi gör och lär av oss, så vi bidrar på det sättet till bättre forskning över hela världen på sikt, fortsätter han.

Viktigt för Sverige
Att effektivisera forskningen som bedrivs på MAX IV har även stor betydelse för Sverige. Många samhällskritiska områden drar nytta av forskningsresultat därifrån, som energimaterial för solceller och batterier, hälsoforskning om exempelvis Alzheimers sjukdom eller antivirala läkemedel samt inom teknik med starkare och lättare stål.
– Att experimenten har tagit så pass lång tid har begränsat möjligheten att undersöka proverna fullt ut. Det har medfört att vissa forskare kan ha tvekat att använda anläggningen, något som på sikt hade kunnat bli problematiskt, avslutar Marcus Agåker.