ASTRID2

Synkrotronstråling er elektromagnetisk stråling, der dækker hele området fra infrarødt lys til røntgenstråling. Denne stråling opstår, når elektronstrålen bliver udsat for en kraft. Det sker bl.a. i magneterne, der sørger for at afbøje strålen, så den kan fortsætte rundt i acceleratoren. Kraften fra et magnetfelt på en elektron i bevægelse kan beregnes ud fra Lorentz-kraften.

Desuden er der tre steder i ASTRID2 monteret systemer af mindre magneter (undulatorer og wigglere), der giver meget intens stråling, men hvor spektret ikke er kontinuert, som det er tilfældet med synkrotronstråling fra de store elektromagneter, der afbøjer partiklerne for at styre dem rundt i acceleratoren.

De to synkrotroner er både de eneste synkrotroner i Danmark og landets største acceleratorer. ASTRID er 40 meter i omkreds, mens ASTRID2 er 45,7 meter i omkreds. Denne størrelse er nødvendig for at få plads til de elementer, der skal styre og fokusere elektronstrålen.

Styringen gøres med dipolmagneter, dvs. magneter med to poler, og fokuseringen med kvadrupoler, dvs. magneter med 4 poler. Herudover skal der være plads til diagnostik, så strålens position og svingninger kan måles og om nødvendigt korrigeres, samt til vakuumpumper, der holder trykket så lavt som muligt.

Der skal også være plads til accelererende strukturer, som er nødvendige for at bringe elektronernes energi op på 580 MeV i ASTRID samt for at holde energien konstant i ASTRID2, hvor partiklernes energitab til udsendelse af synkrotronstråling konstant skal erstattes.

I ASTRID2 lagres typisk en elektronstrøm på 150-200 mA (milliampere = 0,001 ampere). Elektronerne tabes gradvist ved kollisioner med de luftmolekyler, der er i ringen, samt med hinanden, og ca. hvert 10. minut må der efterfyldes elektroner fra ASTRID, så en nogenlunde konstant strøm i ASTRID2 kan opretholdes.

Hele anlægget er under vakuum for at mindske tab af elektroner som følge af sammenstød med luftmolekyler og for dermed at øge levetiden for de lagrede elektroner. Sammenstød elektronerne indbyrdes kan man kun mindske ved at gøre strålen større og dermed reducere tætheden af elektroner. Dette er dog ikke ønskeligt, idet man i de eksperimenter, der foregår med synkrotronstrålingen, gerne vil kunne fokusere høj intensitet ned på et lille areal – og det er kun muligt, hvis kildepunktet for strålingen er lille.

Elektronernes energi i ASTRID2 og styrken af de magnetfelter, de udsættes for, gør, at synkrotronstrålingen primært udsendes i den infrarøde (IR), synlige og ultraviolette (UV) del af den elektromagnetiske strålings spektrum.

Energien af den brugbare del af strålingen strækker sig op til godt 1 keV (1000 elektronvolt) med en intensitet, der kan være op til mange tusinde gange større end den, man kan opnå med andre strålingskilder, fx UV-lamper og røntgenrør.

Det at ASTRID2 udsender det meste af sin stråling under en energi på 1 keV er specielt for synkrotronstrålingskilder, idet langt de fleste andre synkrotroner i verden kører med meget højere energi end 580 MeV. Der er imidlertid mange eksperimenter, som kræver intensiv UV-stråling. Her vil man ofte helst undgå den højenergetiske røntgenstråling, der følger af en meget højere elektronenergi, og derfor er ASTRID2 meget populær blandt forskere i hele verden. Cirka 25 % af de forskere, der benytter ASTRID2, er fra udlandet.

Mikrotronen er en meget kompakt elektronaccelerator. Den er ca. 1 m bred og 3 m lang. Den type, der benyttes i ASTRID2-anlægget, er en racetrack-mikrotron (efter det engelske ord for væddeløbsbane). Navnet kommer af, at elektronernes baner i maskinen minder om klassiske væddeløbsbaner: to parallelle strækninger forbundet af halvcirkler i enderne.

Elektronerne udsendes fra en elektronkanon (katode), præcis som det skete i gammeldags billedrør. Herefter styres elektronerne igennem en 40 cm lang, lineær, accelererende struktur, en såkaldt linac, der ved hver passage øger elektronernes energi med 5,3 MeV. Således forøges elektronernes energi og dermed masse, da de er superrelativistiske. De får således større og større radius i de store magneter i maskinens ender. Disse magneter sørger for, at elektronerne passerer strukturen 19 gange, hvorved energien øges, inden de trækkes ud af maskinen for at blive styret ind i ASTRID. Energien ved udgangen af maskinen er derfor ca. 100 MeV.

Mikrotronen producerer pulser af elektroner. Hver puls er ca. 1 mikrosekund lang og kan have en strøm i pulsen på op til 10 mA. Der kan udsendes op til 10 pulser i sekundet. Mikrotronen blev bygget i forbindelse med konstruktion af ASTRID-synkrotronen.

ASTRID startede som en accelerator og lagerring for ioner i 1990. Den var oprindelig kun tænkt som en accelerator for ioner med henblik på eksperimenter inden for bl.a. elektron- og laserkøling. Derfor har ASTRID ret lange lige strækninger forbundet af 90 graders afbøjningsmagneter. De lange strækninger giver en effektiv vekselvirkning med en laserstråle, der kan sendes ind i vakuumrøret gennem et kvartsvindue og bringes til at overlappe ionstrålen. Ionerne blev produceret i en lille ionaccelerator af Cockcroft-Walton-typen, der accelererede ioner op til en energi på 150 keV.

ASTRID var en stor succes som ionaccelerator. Der blev lagret mange forskellige ioner til diverse eksperimenter, lige fra den letteste ion, en proton, til tunge klynger af kulatomer op til C⁷⁰, såkaldte fullerener, der vejer 840 gange så meget som en proton.

Senere i planlægningen af ASTRID blev det besluttet også at gøre det muligt at accelerere elektroner i ASTRID for at kunne producere synkrotronstråling. Det førte til nogle ændringer i designet og til beslutningen om at bygge mikrotronen.

En accelererende struktur (radiofrekvens kavitet) i ASTRID kunne accelerere ionerne. De mest energetiske ioner accelereret i ASTRID var protoner, der blev accelereret fra 150 keV til ca. 80 MeV. Acceleration af ioner er vanskeligere end for elektroner, for mens elektronerne er meget relativistiske, og derfor har en næsten konstant hastighed (lyshastigheden, ca. 300.000 km/s), og dermed konstant omløbsfrekvens (ca. 7,5 MHz), varierer ionernes hastighed og dermed omløbstid i ringen under accelerationen. Dvs. ikke alene må feltet i de styrende og fokuserende magneter vokse i takt med, at energien øges, men frekvensen i den accelererende enhed må også øges for at passe til den stigende omløbsfrekvens.

Senere begyndte ASTRID også at blive benyttet som elektronaccelerator og lagerring. Den første elektronstråle blev accelereret og lagret i 1991. Der blev opbygget eksperimentelle stationer, og i en årrække blev der skiftet mellem ion- og elektronoperation, med interval på ca. 3 måneder.

I 1998 begyndte ionaktiviteterne at flytte over på en nykonstrueret elektrostatisk lagerring, ELISA. Den var på det tidspunkt enestående i verden. I 2005 overtog ELISA de sidste ioneksperimenter, og herefter kørte ASTRID videre som elektronsynkrotron/lagerring på fuld tid.

ASTRID var ikke optimeret til at være elektronaccelerator. Den havde bl.a. derfor ikke en specielt koncentreret elektronstråle. Da elektronstrålen er kildepunkt for udsendelsen af synkrotronstråling, betyder det, at strålingen ikke kan fokuseres ned på en udstrækning, der er mindre end kildepunktet.

I begyndelsen af 2000-tallet opstod der derfor et ønske om en ny synkrotron/lagerring, der var designet til produktion af synkrotronstråling, og som dermed ville have et meget mindre kildepunkt og bedre kontrol med positionen af strålingen.

En sådan ring blev designet med 12 lige sektioner forbundet af tolv 30 graders afbøjningsmagneter. Af de 12 lige sektioner er de seks optaget af de magneter, der kræves for at fokusere og korrigere strålens position, mens to benyttes til den accelererende struktur og injektionsmagneten, og tre benyttes til enheder, der producerer specielt intens stråling (undulatorer).

Elektronstrålen i ASTRID2 har en størrelse, der er mere end end ti gange mindre end i ASTRID. I 2008 blev ASTRID2-ringen finansieret, og i 2012 startede ringen med at lagre elektroner med en energi på 580 MeV. Efterhånden blev de eksperimentelle stationer flyttet fra ASTRID til ASTRID2, og nye stationer er senere blevet opbygget, således at der i 2023 var syv eksperimentelle stationer på ASTRID2.

En af de store fordele ved ASTRID2 i forhold til ASTRID er, at ASTRID fungerer som booster, således at elektroner kan efterfyldes med fuld energi, efterhånden som de går tabt i ASTRID2. ASTRID2 kører således med fuld intensitet 24 timer i døgnet overvåget af software, der kan løse simple problemer og tilkalde en operatør om nødvendigt.