A neutronfizikai kutatások már a korábbi évtizedekben is hihetetlen tudományos eredményekkel szolgáltak. Ez a legújabb forrás azonban további izgalmas felfe­dezések reményét nyújtja. A neutronforrás és a köré elhelyezett berendezések lehetővé teszik, hogy a kutatók a vizsgált anyagokban ne csak az elektronburkot, hanem az atom­magok elhelyezkedését is lássák, így járulva hozzá új gyógysze­rek, molekulák, nanoszerkezetek megalkotásához.

Az ESS befogadására Magyarország is pályázott, de végül egy nemzetközi bizottság Svédország mellett döntött. Ettől függetlenül hazánk tagja az ESS konzorciumnak, és három fizikai intézettel – Atommagkutató Intézet (ATOMKI), az Energiatudományi Kutatóközpont és a Wigner Fizikai Kutatóközpont – vesz részt az ESS berendezéseinek megépítésében. Az ATOMKI, mint a magyar gyorsítóközpont, az ESS számára olyan gyorsítótechnikai fejlesztést vállalt, amely a nagy teljesítményű gyorsító bonyolult egységeinek elektronikus védelmét látja el, és biztosítja a ki­szolgáló­rendszerek működésének összhangját.

Az SCB egység bemérése az ATOMKI Elektronikai Laboratóriumában. (Fotó: ATOMKI/Nagy Álmos Tas)

Magyarország alapító tagja az ESS ERIC (European Spallation Source, European Research Infrastructure Consortium; Európai Spallációs Forrás, 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 országok egyrészt Svédország, ahol maga a részecske­gyor­sító épül, másrészt Dánia, ahol egy adat­kezelési szerver­központ biztosítja az infor­mati­kai hátteret. További tagországok: Csehország, Észtország, Francia­ország, Német­ország, Olasz­ország, Norvégia, Lengyel­ország, Spanyol­ország, Svájc és Egyesült Királyság. Az ESS alap­kövét 2014-ben rakták le Svéd­ország déli részén, Lund városának határában.

Az ESS a neutronokat magreakcióban (spalláció) állítja elő, amihez nagyenergiás, nagy intenzitású protonnyalábot használnak. 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 egy 600 méter hosszú, egyenes földfelszíni alagútban kapott helyet, míg a működtető- és kiszolgálóegységek az alagút mellett párhuzamosan futó műszer­csarnokban helyezkednek el. A protonok gyorsítása több fokozaton keresztül történik. A fénysebesség 96 százalékára felgyorsított protonokat a gyorsítócső végén lévő, 2,5 méter átmérőjű, 4,9 tonnás kerek volfrám céltárgyra lövik. A becsapódó protonok hatására a volfrám atommagokból nagy energiájú neutronok fröccsennek szét. Ez a jelenség a spalláció. Az így keletkezett neutronokat a kutatási és alkalmazási feladatok elvégzéséhez megfelelően lelassítják, és a tudományos mérőberendezésekbe terelik.

A gyorsítóalagút mellett párhuzamosan futó műszercsarnok egy részlete a biztonsági rács mögött elhelyezkedő működtető- és kiszolgálóegységekkel. A folyosó szélességét a rackszekrények sora érzékelteti, hossza a biztonsági rács irányában 600 méter. (Fotó: ESS/Ulrika Hammarlund)

Az ESS a tervek szerint a ma működő neutronforrásoknál százszor fényesebb lesz, azaz 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 ATOMKI által leszállított elektronikus egységek a műszercsarnok egyik rackszekrényében, teszte­lésre készen. Az SCB az ATOMKI saját gyártmánya. Alatta a SIM ESS-ATOMKI közös fejlesztése, melynek prototípusát a Bauviv Kft. vitte gyártásba. (Fotó: ESS/Ulrika Hammarlund)

A neutronokkal végzett roncsolásmentes mérések eredményei alapján az anyagok atomi szintű vizsgálatával feltárhatóvá válnak azok az anyagjellemzők, amelyekkel az eszközeink könnyebbé, erősebbé és – nem elhanyagolható mértékben – olcsóbbá tehetők. A neutronokkal vizsgálhatóvá válik a DNS szerkezete, a biológiai minták molekuláris, atomi szintű felépítése. Ezek a mérések segíthetnek a központi idegrendszerre ható új generációs gyógyszerek fejlesztése útján az öregedés problémáinak kezelésében. Más jellegű mérések hozzájárulhatnak ahhoz, hogy védjük a természetes környezetünket, és ezáltal hosszú távon is élhető, virágzó formában hagyjuk azt örökül a jövő nemzedékeire.

Az ESS felkérésére az ATOMKI – mint az ország gyorsító­tech­niká­val leg­jobban felszerelt magfizikai kutatóintézete – gyorsítótechnikában és nuk­leáris elektronikában szerzett több évtizedes kísérletes tapasztalata alapján, dr. Molnár József műszaki igazgató szakmai vezetésével vállalta a gyor­sító­modulok védelmét szolgáló elektronikus egységek kifejlesz­tését. Ennek megfelelően az ATOMKI beszállítóként egyedi elektronikus műszerek­kel vesz részt a lineáris gyorsító speciális felügyeleti rendszerének kifejlesztésében és legyártásában. Ez az ún. RF Local Protection System (RF Interlock) felügyeli a 2 GeV (gigaelektronvolt) végenergiára tervezett lineáris protongyorsítónak a 120 darab egyedi alrendszerét. Az RF Interlock egységei – SCB, SIM, FIM, CIB – mérik az alrendszereken telepített szenzorok jeleit, és folyamatosan analizálva a fizikai jellemzőket, azok dinamikáját, figyelik az alrend­szer optimális üzemtől való eltérésének mértékét, és a működési para­métereket a rendszer stabilitását biztosító sávban tartják. Az ATOMKI által a svéd­országi gyorsítóhoz kiküldött elektronikus egységek most kerültek végleges helyükre.

SCB (Signal Conditioning Box), azaz jelátalakító doboz

Feladata a lineáris részecskegyorsítót alkotó üregrezonátor modulok és az azokhoz kapcsolódó alrendszerek (klisztron, modulátor, vákuumrendszer, hűtőrendszer és ezek tápegységei) működését jelző ipari érzékelők (szenzorok) és beavatkozószervek (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, és biztosítja a gépek védelmét.

SIM (Slow Interlock Module), azaz lassú feldolgozó- és beavatkozóegység

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, végálláskapcsolók (reteszelők) működése.

FIM (Fast Interlock Module), azaz gyors feldolgozó- és beavatkozóegység

Feladata az üregrezonátorok gyors válaszidejű jeleinek érzékelése, feldolgozása és visszacsatolása. A gyors jelek időtartama a 10–100 mikroszekundum tartományba esik. Gyors jelek: az RF hullámvezetők kisülése, RF jelek reflexiója, gyors áram- és feszültségugrások zárlatok és szakadások miatt, hullámreflexiók.

CIB (Cooling Intermediate Box), azaz a hűtőrendszer vezérlőjének illesztődoboza

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 önálló egységként most már egyszerre négy SIM-et képes kiszolgálni.

Az ATOMKI és a Bauviv Kft. együttműködésében készített CIB egység végleges helyére beépítve a műszercsarnokban. (Fotó: ESS/Ulrika Hammarlund)

Az ESS részecskegyorsító berendezés jelenleg 80 százalékos készültségi állapotban van, a helyszínen nagyjából 500 fő dolgozik a megvalósításon. Az első kutatók-felhasználók várhatóan 2025-ben vehetik birtokba a spallációs neutronforrást.•