Som grundläggande byggstenar i materia, protoner är en del av allt som omger oss. På Paul Scherrer Institute PSI, dock, de kliver ur sin vanliga roll och distribueras för att generera andra partiklar, nämligen neutroner och muoner, som sedan används för att studera material. Med detta syfte, protonerna måste först accelereras. En viktig roll i detta spelas av en trestegs accelerator, i mitten av vilken står acceleratorn känd som Injector 2.

Tre acceleratorer arrangerade i serie utgör anläggningen för protonacceleration vid PSI:Det börjar med den svampformade, ungefär 10 meter lång Cockcroft-Walton-accelerator, där protonerna genereras och föraccelereras. Det slutar med den stora protonacceleratorn, en ringaccelerator, som i teknisk jargong kallas en cyklotron. Här accelereras protonerna till 80 procent av ljusets hastighet. Mellan står Injektor 2, en mindre ringaccelerator, klassificeras på samma sätt som en cyklotron. Dess jobb som föraccelerator är att leverera protoner till den stora cyklotronen med 38 procent av ljusets hastighet. Som växlarna i en bil, acceleratorerna bygger på varandra i följd. Tänk på Cockcroft-Walton som första växel:Protonerna får en första acceleration längs en rak sträcka. Injektor 2, andra växeln:Protonernas hastighet ökas när de cirkulerar runt ringen. Den stora acceleratorn, tredje växeln:Återigen går vi runt i cirklar, protonerna förs upp till önskad sluthastighet. Som att köra bil, du kan bara inte klara dig utan första och andra växeln.

När protonerna har genererats, de styrs genom ett vakuum inuti Cockcroft-Walton så att de inte stöter på luftmolekyler. Här betyder vakuum inte bara en evakuerad kammare, eftersom lite luft alltid finns kvar. Ett vakuum kan ha varierande kvalitet - ju bättre vakuum, desto mindre gas innehåller den. Vakuumet som omger protonerna är inte exakt av samma kvalitet överallt när de tar sig igenom de tre anläggningarna. Vakuumet som bibehålls i Injektor 2, till exempel, motsvarar en miljarddels atmosfärstryck; med andra ord, endast extremt små spår av gas finns.

Var och en av de tre gaspedalen är inrymd i sin egen hall. Vid första ögonkastet, Injektor 2 visas i sin 12 meter höga, nästan nästan kvadratformat rum, i form av alternerande turkosfärgade magneter, totalt fyra, och fyra silverfärgade resonatorer-alla ungefär lika höga som en man-som är radiellt inriktade. Från ovan, detta arrangemang av magneter och resonatorer ser ut som en tårta som redan är skuren i portioner, med spetsarna på skivorna trimmade av.

Resonatorerna producerar ett växlande elektriskt fält genom vilket protonerna alltmer accelereras. Och magneterna säkerställer att protonerna cirkulerar runt mitten av injektorn 80 gånger. Magnetfältet varierar från mitten mot utsidan på ett sådant sätt att protonerna, som startar sin cirkulation på insidan, behöver alltid lika lång tid för att klara ett varv, även om vägen de tar alltid blir längre.

I gaspedalen, ingen proton går ensam

Protoner är inte ensamma i acceleratorn. De reser i små grupper eller buntar. Eftersom protoner bär en positiv elektrisk laddning, de stöter bort varandra och längs deras bana, flytta ifrån varandra inom denna gruppering tills en viktig effekt sätter in:Med tiden, enligt Joachim Grillenberger, ansvarig för driften av protonanläggningen, strålen fokuserar sig själv. Vad det betyder är att efter tio eller tjugo varv runt ringen, protongrupperna buntar ihop sig och antar en bollliknande form, som de sedan behåller.

För att justera strålen av protoner i Injektor 2, kollimatorer används. Dessa komponenter är mestadels gjorda av koppar, ha en bländare, och är placerade på lämpliga platser längs protonernas spiralbana. Endast protoner som rör sig på den ideala banan passerar genom kollimatorernas bländare, och alla andra protoner absorberas av koppar.

Protonernas tre vägar

Efter att ha accelererats i Injector 2, tre banor är öppna till protonstrålen. Den största delen av protonstrålen styrs vidare till ytterligare acceleration i den stora cyklotronen. De accelererade protonerna träffade först en målenhet bestående av roterande kolskivor, generera pioner och muoner i processen. Sedan fortsätter de sin väg, slutligen kolliderar med ett metallblock för att producera neutroner. Medan pioner, muons, och neutroner är själva centrala för forskning, de också, å andra sidan, hjälpa forskare att få insikter i materialets sammansättning. En mycket liten del av strålströmmen, runt två procent, kan skickas ner en andra väg omedelbart efter Injektor 2. Dessa protoner producerar sedan radionuklider som appliceras vid utveckling av läkemedel. Sådana läkemedel används vid cancerdiagnostik. Den tredje vägen leder till en återvändsgränd där protonerna helt enkelt absorberas. Protoner kanaliseras alltid på detta sätt om de saknar lämpliga egenskaper för de två andra vägarna:Protonerna är, i så fall, antingen för långsamt eller för snabbt.

Kollar tillbaka

När protonanläggningen startade 1974, huvudsyftet var att använda protonerna för att generera pioner. Man trodde att pioner skulle hjälpa till att ta itu med de då aktuella frågorna inom partikelfysik. Sen den tiden, anläggningen har anpassats igen och igen för att möta vetenskapens behov. I början, anläggningen producerade en strålström på 100 mikroampere, utomordentligt hög för förhållandena vid den tiden. Joachim Grillenberger:Idag, cirka 40 år senare, en strålström 24 gånger högre kan genereras. Naturligtvis, detta är bara möjligt eftersom anläggningen alltid förbättrades och vidareutvecklades. Den ständiga förbättringen gav ett världsrekord för protonanläggningen som den har haft sedan 1994:Den levererar den starkaste protonstrålen i världen.

För att ligga i framkant när det gäller acceleratorteknik, du kan inte vila på lagrarna. Injektor 2 är en länk i kedjan i trestegs protonacceleratoranläggningen. Det måste också alltid hållas tekniskt uppdaterat för att fortsätta uppfylla de höga kraven på prestanda och driftsäkerhet, säger Joachim Grillenberger. För närvarande, tillsammans med kollegor, han leder ett projekt som kommer att göra Injector 2 ännu mer kapabel:2018 och 2019, nya resonatorer kommer att installeras, och hela förstärkningskedjan kommer att moderniseras. Som ett resultat, partiklarna kommer att accelereras under en ännu kortare tidsperiod och färre protoner går förlorade i accelerationsprocessen - vilket ökar hela anläggningens prestanda. Således bidrar acceleratorsexperterna också till moderniseringen av spallationsneutronkällan SINQ, som förlitar sig på protoner från acceleratoranläggningen för att generera sina neutroner.