Røntgen- og neutronfaciliteter

Fra forskning til standardteknikker

Synkrotroner og neutronkilder er store, ofte internationale, faciliteter hvor der genereres røntgen- og neutronstråler. De er i over 50 år blevet benyttet til karakterisering af alt fra metalkomponenter og batterier til emulsioner og biologiske systemer. Teknikkerne er generelt udviklet til meget specialiserede akademiske formål, men er nu modne til at blive brugt industrielt. De kan give viden og indsigt det ikke er mulig at få med laboratorieteknikker og er derfor stærke komplementære værktøjer.

Røntgenmålinger

På internationale synkrotronfaciliteter produceres røntgen med fordelagtige egenskaber som giver nogle nye muligheder sammenlignet med røntgenkilder til laboratoriebrug:

• Tidsopløste studier er mulige da synkrotronstrålernes høje intensitet giver meget hurtige målinger, hvilket gør dem ideelle til at studere hurtige processer. De korte måletider kan også resultere i en reduceret pris per prøve, sammenlignet med målinger udført med laboratorieudstyr.
• Høj rumlig opløsning kan opnås da røntgenstrålen kan fokuseres ind på et meget lille område af materialet, typisk ned til mikro- eller nanometerskala.
• Instrumentet kan sættes op til at fokusere på bestemte komponenter i materialet ved at tilpasse energien af røntgenstrålen.
• For at fremhæve detaljer i strukturen der ellers at svære at se kan man bruge fasekontrast-imaging, mens ultrahøj rumlig opløsning kan opnås ved at bruge metoden ptychografi. Begge disse teknikker er mulige da synkrotronstrålingen har en høj grad af kohærens.

Neutronmålinger 

Mens røntgenstråler vekselvirker med elektronerne i det materiale der undersøges, vekselvirker neutroner med atomkernerne. Dette betyder at:

• Man typisk kan se dybere ind i komponenter med neutroner end med røntgen.
• Mens røntgen er mest følsom overfor tunge grundstoffer, er neutroner også følsomme overfor flere af de lette grundstoffer, som for eksempel brint. Derfor kan man med neutroner f.eks. se fordelingen af vand eller kulbrinter inde i en motor, et rørsystem, eller et trykkammer, eller man kan se fordelingen af litium inde i et batteri. 
• Med neutroner kan man skelne mellem forskellige isotoper af et grundstof, som for eksempel hydrogen og deuterium. Dette gør at man kan fremhæve bestemte dele af et materiale ved at udskifte hydrogen med deuterium.
• Neutroner kan bruges til at undersøge et materiales magnetiske egenskaber.
• Neutroner er velegnede til at studere dynamik i materialer, som f.eks. diffusion og vibrationer. 

En ulempe ved neutronmålinger er at intensiteten er meget lavere end ved røntgenfaciliteter, hvilket giver længere måletider og lavere rumlig opløsning. På de mest intense neutronfaciliteter er mængden af neutroner dog stadigvæk tilstrækkelig til at lave målinger med en tidsopløsning på under 1 sekund per billede.

Faciliteter i Europa og Danmarks rolle

I Europa findes en række førende røntgen- og neutronfaciliteter med Danmark centralt placeret mellem flere af dem. I Hamborg ligger synkrotronen DESY og fri-elektron-laseren European XFEL. Og i Lund, blot 50 km fra København, er verdens kraftigste neutronkilde, European Spallation Source (ESS), ved at blive bygget under dansk/svensk værtskab. Lige ved siden af ESS ligger den helt nye synkrotronfacilitet MAX-IV, hvor et dansk drevet instrument er under opbygning. Tilsammen kommer disse faciliteter til at give unikke anvendelsesmuligheder for danske virksomheder.