Jyväskylä universitet

av Ragnhild Artimo Forum 1990-19-20, sida 10-11, 13.12.1990

Taggar: Orter: Jyväskylä Teman: forskning

Jyväskylä universitet:

JÄTTEMENY AV PARTIKLAR MED NYA CYKLOTRONEN

Text: Ragnhild Artimo

Den nya tungjonscyklotron som Jyväskylä universitet snart får ta i bruk öppnar nya vägar för acceleratorbaserad kärnforskning i Finland. Cyklotronen, som blir det dyraste enskilda forskningsinstrumentet i landet, placerar JU:s acceleratorlabb i exklusiv världsklass.

alvt ingrävd i marken blickar forskningsbunkern ut över Jyväsjärvi från Ylistönrinne sluttning. Ljusen ylä city på andra sidan sjön redet vintersvarta vattnet. siter har fått en av staässigt bästa tomter för biologiska. kemiska och fysikaliska institutionernas nybygge. Högre upp på Ylistönrinne växer Jyväskylä teknologiby, Tietotaujama (se Forum 6/87), som arbetar med kommersiellt tillämpad kunskap.

JYFL (Jyväskylä universitets fysikaliska institution) kommer då det nya acecleratorlaboratoriet blir klart och tas i bruk. att ha till sill förfogande republikens dyraste forskningsapparatlur, tungjonscyklotronen K130. 30.5 Mmk; själva byggnaden går i första skedet på bara 22,5 Mmk. Bygghertre är Byggnadsstyrelsen. Haka-Rakentajat är entreprenör, och arkitekter Arkkitehtitoimisto Arto Sipinen. Elplaneringen svarar Ekono för.

Beslutet om den nya partikelacceleratorn till Jyväskylä ingick i statsbudgeten 1987. och byggnadsarbetena på laboratorieutrymmena inleddes för drygt ett år sc 1 dan. Första skedet av projektet innefattar laboratorierna för KI30-cyklotronen och ECR-jonkällan, samt utrymmen för bibliotek och underhållsverkstad. Budget: 22,5 Mmk. Andra skedet inkluderat uttrymmena för forskningsverksamheten, och byggarbetena inleds våren eller sommaren 1991 och blir klara 1992 på våren. Huvuddelen av det senare skedet utgör en 14 m hög och 1 200 m? stor hall till vilken jonstrålen leds från cyklotronen och där den förgrenas till de olika foörskningsstationerna, som isoleras från varandra med 0,5…2,0 m tjocka strålskyddsväggar. Hallen får en 12,5 tons kran för förflyttning av skyddsggar och tung utrustning. Andra skedet i byggprojektet går på 19 Mmk.

Från 4 partiklar till 200!

Acceleratorlaboratoriet kommer i färdigt skick att förfoga över flera acceleratorer för olika energinivåer och användningsområden, men absolut primadonna är tungjonscyklotronen. Det är inte prislappen som gör den unik, utan ”produktionskapaciteten”. KI30 är optimerad för undersökningar av atomkärnors strukturer — Menyn för cyklotronen KI30 täcker alla grundämnen från det lättaste, väte, till xeno som är nummer 54 i periodiska systemet, säge docent Esko Liukkonen. — Den gamla acceleratorn klarade bara fyra partiklar, den nya nära 200.

IGISOL, Ilon Guide Isotope Separator On-Line, är en isotopseparator som tagits fram vid JYFL under tedning av Ävstö. Med IGISOL har man redan upptäckt 13 neutronrika — isotoper av teknetium, rutenium, — rodium och palladium. JYFL — förhandlar nu om en IGISOL till CERN — — Undersökning — uv kärnfenomen kommer också an kasta ljus över sambander mellan kaotiska och icke-kaotiska system, säger docent Juha Ävstö vid Jyväskylä universitet. — Det nya acceleratorlaboratoriet breddar på ett avgörande sätt dessa forskningsmöjligheter i Finland. —— och representerar på denna smala specialsektor exklusiv världsklass.

— Cyklotronen kommer att vara den enda i sin klass i Finland, säger Juha Äysfö, docent vid fysikaliska institutionen. — I Norden kommer det bara att finnas två i denna kategori; den andra vid Uppsala universitet. Räknar man med hela Europa, går antalet upp till ett halvt dussin, som

ECR-jonkällan har konstruerats vid JYFL och blir det nya laboratoriets för accelerator. Den fungerar som en stor mikrougn och sliter loss elektroner från neutrala atomer varvid atomerna blir positivt laddade.

f 19-20/1990 FÖRUN inkluderar både cyklotroner och lineäracceleratorer — de fungerar enligt olika princip, men är komparabla vad användningsområdet gäller. I USA finns för närvarande bara fem inrättningar mot motsvarande forskningsmöjligheter: Berkeley University, Michigan State University, Texas College Station, Argonne National Laboratory och Oak Ridge National Laboratorv — där uranet till den första atombomben i tiden separerades inom ramen för Manhattanprojektet.

Det är professor Juhani Kantele som i tiden har inlett forskningen på denna scktor vid Jyväskylä universitet.

JYFL:s gamla partikelaccelerator anskaffades för över femton år sedan, och det finns fortfarande jobb för den, men den klarar inte de nyaste forskningsutmaningarna, berättar docent Esko Liukkonen.

— Dess kapacitet räcker bara till för acceleration av fyra olika partiklar — vätekärnor eller protoner, tunga vätekärnor eller deuteroner, helium-3 samt helium-4 eller alfapartiklar — till sådana encerginivåer att de företer kärnreaktioner.

— Att tränga in i atomkärnan kräver en viss minimicnergi, olika för olika kärnor. Den nya cyklotronen Kl30 kan accelerera ett brett spektrum joner till energinivåer som ger möjlighet att studera kärnornas strukturer. Menyn omfattar alla grundämnen från det lättaste, väte, till xenon som är nummer 54 i periodiska systemet. Genom att många av grundämnena har ett stort antal isotoper — helium har två stabila isotoper, medan t ex tenn har hela tio — täcker produktionsprogrammet runt 200 olika partiklar.

Egna innovationer i ”maskinparken”

Acceleratorhallen kommer att med flyttbara strålskyddselement indelas i åtta forskningsstationer med instrumentering för de olika forskningsfunktionerna. ”Maskinparken” är skräddarsydd, och inkluderar såväl apparatur från utomstående leverantörer som egna innovationer utvecklade vid JYFL.

Huvudkomponenterna till den nya cyklotronen har levererats av svenska Scanditronix AB, men en betydande del av den till 30,5 Mmk budgeterade anläggningen har konstruerats med inhemska resurser under ledning av fysikaliska institutionen. Den massivaste biten i KI30, en cyklotronmagnet på 320 ton, transporterades i 16 delar i maj från Uppsala till Jyväskylä i sex järnvägsvagnar. Apparaturens datorbaserade styrningssystem är från Altim Control i Varkaus.

JYFL har själv konstruerat och byggt ECR-jonkällan (Electron Cyclotron ResoHance), som representer: färsk teknik att en lämplig anläggning inte stod att uppdriva då JYFL 1987 började planera det nya acceleratorlaboratoriet. Med denna föraccelerator framställs högladdade jonstrålar som möjliggör optimalt utnyttjande av Kl30 som fungerar som huvudaccelerator och accelererar partiklarna till högre energi i andra potens av deras laddning.

— ECR är ett slags stor mikrovågsugn, som sliter loss elektroner från neutrala atomer, varvid atomerna får en positiv

FORUN, 19-20/199 laddning, säger Liukkonen. — En viktig fördel med en sådan föraccelerator är dess materialsnålhet: råmaterialförbrukningen vid jonframställningen är en tusendedels gram i timmen, vilket betyder att vi kan framställa jonstrålar också av mycket sällsynta och värdefulla grundämnen.

Medan principen för cyklotroner är av mycket gammalt datum — Lawrence fick Nobelpriset för uppfinningen redan 1939, och nuvarande koncept härstammar från 50-talet — har jonkällan för acceleratortillämpningar utvecklats under 80-talet, och finslipas fortfarande.

ECR, som har kostat ca 1,5 Mmk, kommer att fungera som cyklotronens primära jonkälla och är avsedd främst för jonisering av medeltunga grundämnen. Effektivt utnyttjande av acceleratorlaboratoriet förutsätter emellertid på sikt minst två jonkällor — bi a för att service och underhåll inte skall göra avbrott i forskningsprogram. Också den andra jonkällan skall konstrueras av institutionen själv och preliminär tidtabell är 1993.

En annan innovation som JYFL:s forskarteam under Aystös ledning utvecklat under flera år är I/GISOL, en on-line isotopscparator (Jon Guide Isotope Separator On-Line). Med IGISOL har man redan upptäckt 13 neutronrika isotoper av teknetium, rutenium, rodium och palladium. Apparaluren har inom ramen för det internationella vetenskapliga samarbetet kopierats för ett tiotal acceleratorlaboratorier i Europa och Japan. JYFL förhandlar nu med CERN om en ny IGISOL-tillämpning för ett nytt acceleratorlaboratorium där. Vid JYFL leds utvecklingsarbetet på nästa IGISOL-gencration professor Kalevi Valli.

Av det nya acccleratorlaboratoriets övriga specialinstrumentation kan nämnas en magnetisk rekylseparator för analys av egenskaperna hos de rekylkärnor som uppstår vid kärnreaktioner. Detta instrument utvecklas också vid JYFL av ett forskarteam under ledning av docent Matti Leino ”utlånad” av Helsingfors universitet.

Ett samnordiskt projekt är NORDBALL, en gammaspektrometrisk multidetektoranläggning, för vilken Jyväskyläteamet under ledning av docent Raimo Julin har anskaffat fyra detektorenheter och också varit engagerat i konstruktionen vu Skissen visar JYFL:s rekylseparator som bla kommer att användas vid undersökning av exotiska, extremt instabila kärnor.

Den gammaspektrometriska multidetektoranläggningen NORDBALL finns just nu på Niels Bohr Institutet i Danmark, men skall flyttas över till det nya acceleratorlaboratoriet i Jyväskylä för vidareutveckling.

av systemet. NORDBALL är installerat på Niels Bohr Institutet i Roskilde i Danmark just nu, men skall då JYFL:s nybypge tas i bruk flyttas över hit för vidareutveckling.

Exotiska och andra kärnor

Den forskningsverksamhet som den nya tungjonscyklotronen öppnar nya och bättre möjligheter till vid Jyväskylä universitet är grundforskning inom kärnfysiken, materialfysik samt tillämpad acceleratorfysik.

— De närmaste fem åren kommer vi i det nya acceleratorlaboratoriet att framför allt koncentrera oss på atomkärnor i extrema förhållanden, säger Juha Äystö. — Denna grundforskning spjälks upp på tre huvudprojekt: exotiska, heta och snabbt roterande kärnor.

Exotiska kärnor, som befinner sig långt från de stabila kärnornas område, uppstår vid kärnreaktioner som åstadkoms med lätta och tunga joner. Dessa exotiska kärnor uppvisar fenomen som inte kan undersökas 1 stabila, i naturen förekommande kärnor, bla extrem instabilitet och nya former av radioaktivitet. Exotiska kärnor uppstår också i stjärnornas inre och vid supernovaexplosioner under de processer som slutligen leder till uppkomsten av de i naturen förekommande grundämnena.

Med högenergipartikelstrålar som utvecklas av JYFL:s nya cyklotron kan atomkärnor exciteras till ett tillstånd där kärnans neutroner och protoner befinner sig i sk jätteresonans, vilket motsvarar de förhåltanden som råder då kärnan befinner sig i extremt hög temperatur. Med tungjonscyklotronen kan man åstadkom fortsättning på sid 33