ATOMKI-s műszerek a svédországi részecskegyorsítóban

Média Sajtóközlemény
Időpont 2021.11.29
Egyéb információ

Beszerelést követően üzembe helyezték a debreceni Atommagkutató Intézet (ATOMKI) által leszállított elektronikus egységeket a svédországi Lundban épülő részecskegyorsító berendezés, az ESS (European Spallation Source – Európai Spallációs Forrás) műszercsarnokában. Az egységek a tesztelést követően várják majd a próbaüzemet és végül a teljes kapacitású működést. Az ATOMKI a részecskegyorsító utolsó két szakaszához tartozó helyi védelmi rendszer tervezésében és elkészítésében vállal szerepet. Ennek feladata a bonyolult gyorsítórendszerben felmerülő esetleges zavarok esetén lekapcsolni, kiiktatni a megfelelő részegységeket, ezzel megelőzve a baleseteket és a súlyos anyagi károkat.

 

Magyarország alapító tagja az European Spallation Source ERIC (European Research Infrastructure Consortium – Európai Kutatási Infrastruktúra Konzorcium) együttműködésnek, amelynek célja egy olyan nagyberendezés megépítése és működtetése, amelynél neutronok segítségével hajthatók végre alap- és alkalmazott kutatási feladatok. A befogadó ország egyrészt Svédország, ahol maga a kutatóintézet épül, másrészt Dánia, ahol az adatkezelési és szoftverközpont kapott helyet. További tagországok: Csehország, Észtország, Franciaország, Németország, Olaszország, Norvégia, Lengyelország, Spanyolország, Svájc és Egyesült Királyság. Az ESS alapkövét 2014-ben rakták le Svédország déli részén, az évszázadok óta egyetemet működtető Lund városának határában.

 

Mint minden részecskegyorsító berendezés, az ESS is egy ionforrással kezdődik; itt hidrogénből állítják elő a gyorsítani kívánt részecskéket, a protonokat. Az ionforrás és a gyorsítócső elemei egy 600 méter hosszú egyenes alagútban kapnak helyet, míg a működtető és kiszolgáló egységek az alagút mellett párhuzamosan futó hatalmas műszercsarnokban helyezkednek el. A protonok gyorsítása több fokozaton keresztül, úgynevezett rádiófrekvenciás üregrezonátorok segítségével történik. Az első szakaszokon még szobahőmérsékleten, az utolsó szakaszokon már szupravezető állapotban vannak az üregrezonátorok, a -271 °C hőmérsékletet folyékony hélium segítségével biztosítják.

 

A fénysebesség 96%-ára felgyorsított protonokat a gyorsítócső végén lévő, 2,5 méter átmérőjű, kerék alakú wolfram céltárgyra lövik. A 4,9 tonnás wolfram kereket függőleges tengelye körül folyamatosan forgatják és hűtik, hogy a beérkező és lefékeződő protonnyaláb ne tudja azt megolvasztani. A becsapódó protonok hatására a wolfram atommagokból nagyenergiájú neutronok fröccsennek szét, sebességük a fénysebesség 10%-a. Ez a jelenség a spalláció. A spalláció során keletkezett neutronokat a kutatási feladatoknak megfelelően lelassítják. A wolfram kerék körül legyezőszerűen helyezkednek el a nyalábcsatornák, amelyekbe a neutronokat beterelik. Ezek végén zajlanak majd a kísérletek az adott célra tervezett detektorok segítségével.

 

Az ESS nagyberendezése a tervek szerint a ma működő neutronforrásoknál legfeljebb százszor fényesebb lesz, azaz ennyiszer intenzívebb neutronnyalábot fog szolgáltatni. Majdani működése során választ adhat az anyagtudomány, a mágneses és elektromos jelenségek, a gépészeti anyagok, a földtudományok, az archeológia, a kulturális örökség megőrzése, az élettudományok és a részecskefizika izgalmas, más módon megválaszolhatatlan kérdéseire. Az előállított neutronokkal roncsolásmentes mérések végezhetők, jobb betekintést nyerhetünk az anyag atomi szintű felépítésébe és viselkedésébe. Az anyagszerkezet mélyebb megértése könnyebb, erősebb, olcsóbb és fenntarthatóbb anyagok előállítását teszi majd lehetővé. A neutronok segítségével többet tudhatunk meg a DNS-ről, a fehérjékről és a biológiai anyagokról molekuláris és atomi szinten. Ezáltal jobban megérthetjük az öregedési folyamatokat, a betegségek lefolyását, végső soron pedig hatékonyabb gyógyszerek fejleszthetők. Az itt elvégzett  mérések hozzájárulhatnak ahhoz, hogy védjük a természetes környezetünket és hosszútávon is élhető, virágzó formában hagyjuk azt örökül a jövő nemzedékekre.

 

Az ESS tagországai közösen finanszírozzák az építési és működési költségeket. Ennek egy részét megválthatják megfelelő értékű természetbeni beszállítással, azaz szakértői-tervezői tevékenységgel és a nagyberendezéshez szükséges részegységek leszállításával. Magyarország részéről három (egykor az MTA-hoz, ma az ELKH-hoz tartozó) intézet kapott lehetőséget a természetbeni beszállításra: az Atommagkutató Intézet, az Energiatudományi Kutatóközpont és a Wigner Fizikai Kutatóközpont.

 

Az ATOMKI – mint az ország gyorsítótechnikával legjobban felszerelt magfizikai kutatóintézete – a gyorsítótechnikában és a nukleáris elektronikában szerzett több évtizedes kísérletes tapasztalata alapján vállalta el az ESS felkérésére a gyorsítómodulok védelmét szolgáló elektronikus egységek kifejlesztését Dr. Molnár József műszaki igazgató szakmai vezetésével. Az ATOMKI által a tavalyi év során a svédországi gyorsítóhoz kiküldött egységek most végleges helyükre kerültek és várják, hogy a helyi védelmi rendszer részeként elláthassák feladatukat.

 

A most beépített egységek a részecskegyorsító utolsó előtti, úgynevezett közepes béta paraméterű (Medium Beta – MB) szakaszához tartoznak: 36 db MB-SCB (Signal Conditioning Box), 36 db MB-SIM (Slow Interlock Module) és 9 db MB-CIB (Cooling Intermediate Box). Az ATOMKI által vállalt kötelezettség teljesítéséhez hátravan még a gyorsító utolsó, úgynevezett nagy béta paraméterű (High Beta – HB) szakaszához tartozó hasonló egységek legyártása, melyre a közeljövőben kerül majd sor.

 

  • SCB (Signal Conditioning Box), azaz jelátalakító doboz:
    Feladata a lineáris részecskegyorsítót alkotó üregrezonátorok és az azokhoz kapcsolódó alrendszerek (klisztron, modulátor, vákuumrendszer, hűtőrendszer és ezek tápegységei) működését jelző ipari érzékelők (szenzorok) és beavatkozó szervek (aktuátorok) fizikai jellemzőinek átalakítása (kondicionálása) olyan elektronikus jelekké, amelyek alkalmasak a feldolgozó számítógépek általi fogadásra. Az SCB egy jelátalakító, amely galvanikusan leválasztott, optikailag izolált kapcsolatot biztosít, kiszűri a zavaró elektromágneses zajokat, biztosítja a gépek védelmét.
  • SIM (Slow Interlock Module), azaz lassú feldolgozó és beavatkozó egység:
    Feladata az üregrezonátorok lassú válaszidejű jeleinek érzékelése, feldolgozása és visszacsatolása. A lassú jelek időtartama a 10-100 milliszekundum tartományba esik; ezerszer lassabbak, mint a gyors jelek. Lassú jelek: a hőmérséklet, páratartalom és légnyomás változása, a hűtővíz áramlásának mérése, feszültség, áramfelvétel, végállás kapcsolók (reteszelők) működése.
  • CIB (Cooling Intermediate Box), azaz a hűtőrendszer vezérlőjének illesztő doboza:
    Az elektronikus alrendszerek hűtésével kapcsolatos feladatokat látja el. Eredetileg a SIM szerves részét képezte, azaz minden SIM-be egy CIB volt beépítve. A fejlesztés során azonban a CIB kikerült a SIM belsejéből, és mint önálló egység most már egyszerre négy SIM-et képes kiszolgálni.

 

Az ESS jelenleg kb. 80%-os készültségi állapotban van. A helyszínen nagyjából 500 fő dolgozik a megvalósításon, amelynek menetrendjét jelentősen befolyásolja a pandémiás helyzet. Az első kutató-felhasználók várhatóan 2025-ben vehetik birtokba a spallációs neutronforrást.

 

Az ESS weboldala: https://ess.eu


 

Kattintson a képekre a megtekintéshez.

Fényképek szerzői: 1. Király Beáta (Atomki), 2-3-4. Ulrika Hammarlund  (ESS)

 

  1. kép: Az ATOMKI által gyártott MB-SCB elektronikus egység.
  2. kép: A gyorsítóalagút mellett párhuzamosan futó műszercsarnok egy részlete a biztonsági rács mögött elhelyezkedő működtető és kiszolgáló egységekkel. A folyosó szélességét a rack-szekrények sora érzékelteti, hossza a biztonsági rács irányában 600 méter.
  3. kép: Az ATOMKI által leszállított elektronikus egységek a műszercsarnok egyik rack-szekrényében, tesztelésre készen. Az MB-SCB az ATOMKI saját gyártmánya. Alatta az MB-SIM egység, melynek legyártását közbeszerzési eljárásban a Bauviv Kft nyerte el.
  4. kép: Az ATOMKI által ésszerűen áttervezett, a Bauviv Kft által legyártott MB-CIB elektronikus egység önálló dobozban, bonyolult részrendszerekkel körülvéve a műszercsarnokban.