Twee weken geleden nam het IRI de meest intense positronenbron van Europa in gebruik. Goed nieuws voor materiaalonderzoekers. Een ambitieus onderzoeksprogramma moet leiden tot de oprichting van het Delft Positronen Centrum.
Delen
Positronen zijn de antideeltjes van elektronen. Als ze elkaar ontmoeten, verdwijnen ze in het niets. Wat rest is energierijke straling, waar in het algemeen niet veel mee gebeurt. Onderzoekers van het Interfacultair Reactor Instituut (IRI) zetten de positronen naar hun hand, en leggen hiermee defecten bloot in materialen. Zo bekijken ze metaalmoeheid, devices uit de micro-elektronica, keramische coatings en polymeren.
Tot nu toe stond bij het IRI een klein apparaat dat tweehonderdduizend positronen per seconde kon ophoesten. Als eersten ter wereld zijn de IRI-wetenschappers er nu in geslaagd om in een kernreactor een positronenbundel te maken. Met als resultaat een bundel die duizend maal sterker is.
,,Het opwekken van een positronenbundel uit een reactor heeft grote voordelen,” zegt prof.dr. A. van Veen, leider van de groep ‘defecten in materialen’ op het IRI. ,,Zolang de reactor werkt, komen ze eruit. En je hebt er geen apart gebouw voor nodig zoals in het Amerikaanse Lawrence Livermore Laboratorium. Daar staat een elektronenversneller uitsluitend en alleen voor het opwekken van de positronenbundel.”
Positronen komen vrij bij sommige kernreacties. Vooral de metalen natrium en koper zijn bekende positronenbronnen. Samen met elektronen kunnen positronen ook uit gammastraling ontstaan. Volgens Einsteins beroemde formule dat massa en energie equivalent zijn, kan dit alleen als de straling voldoende energie heeft om een elektron-positron paar te vormen. In een kernreactor is deze energierijke straling ruim voor handen.
Een positron blijft in leven zolang het geen elektron tegenkomt. Gebeurt dat wel, dan gaat Einsteins massa-energierelatie weer op. Het duo annihileert waarbij energie vrijkomt in de vorm van gammastraling. De plaats van vernietiging is precies te berekenen omdat de straling in tegenovergestelde richting uitgezonden wordt.
Uitspugen
Om positronen te maken, hebben IRI-onderzoekers kleine koperen buisjes in de reactor geplaatst. Maar de positronen die uit dat koper komen, hebben allemaal een verschillende energie en snelheid. En dat is een slechte eigenschap voor een mooie bundel. Daarom worden de positronen eerst afgeremd door ze op wolfraamfolie te schieten. Elektronen willen graag in metalen zitten; positronen juist niet. Het wolfraam spuugt de positronen als het ware uit en geeft hen daarbij een wel gedefinieerde energie en dus snelheid mee.
,,Het plan om positronen in de reactor te maken stamt uit 1990”, vertelt Van Veen. ,,Het eerste prototype was in 1995 klaar. Inmiddels zijn we nu bij het derde prototype. Het grappige is dat ze steeds simpeler zijn geworden. Eerst maakten we ons druk over extra koeling voor het wolfraam in de reactor. Het bleek dat die koeling niet nodig was en dat het wolfraam beter zijn werk doet als het wat warmer is.”
In vacuüm leiden elektromagnetische velden de positronen door de reactorwand naar de meethal naast de koepel. Het vacuüm is noodzakelijk omdat de positronen anders te vroeg zouden annihileren. In de meethal zijn IRI-technici en onderzoekers druk doende met het opstellen van twee grote meetopstellingen. Met de hogere intensiteit kunnen de onderzoekers niet alleen meer informatie verkrijgen over defecten maar bouwen ze ook een nieuw apparaat voor micro-analyse van materialen. In samenwerking met de vakgroep deeltjesoptica van Technische Natuurkunde integreren ze de positronenbundel met een elektronenmicroscoop om zo plaatsgevoelig te kunnen meten.
Positronen hebben een goede neus voor defecten in materialen omdat ze de positief geladen atoomkernen proberen te ontlopen. Ontbrekende atomen in een rooster zijn de kleinst mogelijke holtes in een materiaal. Maar ook grotere holtes ter grootte van enkele nanometers zijn goede verstopplaatsen voor de positronen. Hun leven eindigt als ze in de holtes uiteindelijk toch een elektron tegenkomen.
De gammastraling die hierbij vrijkomt verklapt informatie over de defecten in het materiaal. Afhankelijk van de snelheid van het elektron, bewegen de gammastralen zich niet precies in tegenovergestelde richting voort. Gammadetectors registreren de kleine hoekafwijkingen en brengen zo de elektronenstructuur van het defect in kaart. Een heel gevoelige methode. Op deze manier is één ontbrekend atoom op de miljoen te bestuderen.
Nucleaire materialen vormden vroeger het hoofddoel van onderzoek. Tegenwoordig zijn andere toepassingen veel belangrijker. Vooral dunne lagen zijn interessant. Computerchips ondergaan vele bewerkingen waardoor defecten kunnen ontstaan. Die defecten kunnen vervelende elektrische eigenschappen veroorzaken waardoor ze de werking van de chip verstoren. De groep van Van Veen werkt op dit vakgebied samen met onderzoekschool Dimes, Materiaalkunde en Philips.
,,Als je het spel goed speelt, kun je de defecten ook gebruiken”, legt Van Veen uit. ,,Op bepaalde plaatsen kun je expres holtes maken. Bijvoorbeeld net onder het siliciumoppervlak. In silicium zitten altijd verontreinigingen in de vorm van ongewenste metalen. Het blijkt dat deze metalen de holtes opzoeken zodat ze minder schadelijk zijn. Een holte is dan een soort vuilnisvat dat de metalen voor ons opbergt.”
Defecten kunnen ook ontstaan als materialen verouderen of bloot staan aan krachten. Metaalmoeheid is een bekend voorbeeld dat voor vliegtuigen desastreuze gevolgen kan hebben. De positronen kunnen de defecten in een zeer vroeg stadium ontdekken. Ook de mechanische eigenschappen van polymeren en vezels hangen sterk af van het aantal en de grootte van de defecten. Ook hier bieden de positronen uitkomst. Akzo is daarom zeer geïnteresseerd om de holtes in hun twaronvezels te onderzoeken.
Barbarella
Een leuke toepassing vindt van Veen het manipuleren van de positronen. ,,Omdat de positronen geladen deeltjes zijn kun je ze met een elektrisch veld naar de plek sturen waar je ze wilt hebben. Het positron zoekt het defect op en vertelt dan hoe het eruit ziet. We bestuderen zo grenslagen tussen twee verschillende materialen.”
Concurrentie van andere meettechnieken heeft van Veen niet te duchten. ,,De analyse van defecten met positronen is complementair met andere technieken die vooral zoeken naar atomen die niet in het materiaal zouden moeten zitten. De positronen geven juist informatie over de ontbrekende atomen. Het voordeel van de positronen is ook dat ze compleet non-destructief zijn. Tweehonderd miljoen positronen per seconde lijkt ernstig, maar dat is het niet. De positronen veranderen het systeem niet. De complementaire technieken zijn meestal destructief zodat verder onderzoek daarna niet meer mogelijk is.”
Van Veen ziet veel mogelijkheden voor een groei van zijn groep. In de nabije toekomst wil hij een derde meetopstelling in de meethal plaatsen die de levensduur van de positronen moet gaan meten. Hij hoopt binnenkort zijn onderzoek in een aparte afdeling te kunnen onderbrengen: een landelijk centrum voor positronenonderzoek. De naam mag duidelijk zijn: het Delft Positronen Centrum. Voor de opening heeft Van Veen ook al een idee. ,,Mijn eerste contact met positronen was in een film met Jane Fonda, Barbarella uit 1967. Daarin schiet Fonda met een positronic gun op een man. De getroffene wordt eerst groen en verdampt daarna. Het zou mooi zijn om tijdens de opening van het Positronen Centrum die film te projecteren.”
Positronen zijn de antideeltjes van elektronen. Als ze elkaar ontmoeten, verdwijnen ze in het niets. Wat rest is energierijke straling, waar in het algemeen niet veel mee gebeurt. Onderzoekers van het Interfacultair Reactor Instituut (IRI) zetten de positronen naar hun hand, en leggen hiermee defecten bloot in materialen. Zo bekijken ze metaalmoeheid, devices uit de micro-elektronica, keramische coatings en polymeren.
Tot nu toe stond bij het IRI een klein apparaat dat tweehonderdduizend positronen per seconde kon ophoesten. Als eersten ter wereld zijn de IRI-wetenschappers er nu in geslaagd om in een kernreactor een positronenbundel te maken. Met als resultaat een bundel die duizend maal sterker is.
,,Het opwekken van een positronenbundel uit een reactor heeft grote voordelen,” zegt prof.dr. A. van Veen, leider van de groep ‘defecten in materialen’ op het IRI. ,,Zolang de reactor werkt, komen ze eruit. En je hebt er geen apart gebouw voor nodig zoals in het Amerikaanse Lawrence Livermore Laboratorium. Daar staat een elektronenversneller uitsluitend en alleen voor het opwekken van de positronenbundel.”
Positronen komen vrij bij sommige kernreacties. Vooral de metalen natrium en koper zijn bekende positronenbronnen. Samen met elektronen kunnen positronen ook uit gammastraling ontstaan. Volgens Einsteins beroemde formule dat massa en energie equivalent zijn, kan dit alleen als de straling voldoende energie heeft om een elektron-positron paar te vormen. In een kernreactor is deze energierijke straling ruim voor handen.
Een positron blijft in leven zolang het geen elektron tegenkomt. Gebeurt dat wel, dan gaat Einsteins massa-energierelatie weer op. Het duo annihileert waarbij energie vrijkomt in de vorm van gammastraling. De plaats van vernietiging is precies te berekenen omdat de straling in tegenovergestelde richting uitgezonden wordt.
Uitspugen
Om positronen te maken, hebben IRI-onderzoekers kleine koperen buisjes in de reactor geplaatst. Maar de positronen die uit dat koper komen, hebben allemaal een verschillende energie en snelheid. En dat is een slechte eigenschap voor een mooie bundel. Daarom worden de positronen eerst afgeremd door ze op wolfraamfolie te schieten. Elektronen willen graag in metalen zitten; positronen juist niet. Het wolfraam spuugt de positronen als het ware uit en geeft hen daarbij een wel gedefinieerde energie en dus snelheid mee.
,,Het plan om positronen in de reactor te maken stamt uit 1990”, vertelt Van Veen. ,,Het eerste prototype was in 1995 klaar. Inmiddels zijn we nu bij het derde prototype. Het grappige is dat ze steeds simpeler zijn geworden. Eerst maakten we ons druk over extra koeling voor het wolfraam in de reactor. Het bleek dat die koeling niet nodig was en dat het wolfraam beter zijn werk doet als het wat warmer is.”
In vacuüm leiden elektromagnetische velden de positronen door de reactorwand naar de meethal naast de koepel. Het vacuüm is noodzakelijk omdat de positronen anders te vroeg zouden annihileren. In de meethal zijn IRI-technici en onderzoekers druk doende met het opstellen van twee grote meetopstellingen. Met de hogere intensiteit kunnen de onderzoekers niet alleen meer informatie verkrijgen over defecten maar bouwen ze ook een nieuw apparaat voor micro-analyse van materialen. In samenwerking met de vakgroep deeltjesoptica van Technische Natuurkunde integreren ze de positronenbundel met een elektronenmicroscoop om zo plaatsgevoelig te kunnen meten.
Positronen hebben een goede neus voor defecten in materialen omdat ze de positief geladen atoomkernen proberen te ontlopen. Ontbrekende atomen in een rooster zijn de kleinst mogelijke holtes in een materiaal. Maar ook grotere holtes ter grootte van enkele nanometers zijn goede verstopplaatsen voor de positronen. Hun leven eindigt als ze in de holtes uiteindelijk toch een elektron tegenkomen.
De gammastraling die hierbij vrijkomt verklapt informatie over de defecten in het materiaal. Afhankelijk van de snelheid van het elektron, bewegen de gammastralen zich niet precies in tegenovergestelde richting voort. Gammadetectors registreren de kleine hoekafwijkingen en brengen zo de elektronenstructuur van het defect in kaart. Een heel gevoelige methode. Op deze manier is één ontbrekend atoom op de miljoen te bestuderen.
1 In de reactor werkt gammastraling in op een stelsel van koperen buisjes en wolfraamfolie. Hetwolfraam zendt hierdoor een strakke bundel positronen uit. Deze wordt onder meer ingezet voor materiaalonderzoek. Wanneer de positronen op materiaal stuiten, komt er namelijk weer gammastraling vrij, die defecten in het materiaal kan blootleggen.
Vuilnisvat
Nucleaire materialen vormden vroeger het hoofddoel van onderzoek. Tegenwoordig zijn andere toepassingen veel belangrijker. Vooral dunne lagen zijn interessant. Computerchips ondergaan vele bewerkingen waardoor defecten kunnen ontstaan. Die defecten kunnen vervelende elektrische eigenschappen veroorzaken waardoor ze de werking van de chip verstoren. De groep van Van Veen werkt op dit vakgebied samen met onderzoekschool Dimes, Materiaalkunde en Philips.
,,Als je het spel goed speelt, kun je de defecten ook gebruiken”, legt Van Veen uit. ,,Op bepaalde plaatsen kun je expres holtes maken. Bijvoorbeeld net onder het siliciumoppervlak. In silicium zitten altijd verontreinigingen in de vorm van ongewenste metalen. Het blijkt dat deze metalen de holtes opzoeken zodat ze minder schadelijk zijn. Een holte is dan een soort vuilnisvat dat de metalen voor ons opbergt.”
Defecten kunnen ook ontstaan als materialen verouderen of bloot staan aan krachten. Metaalmoeheid is een bekend voorbeeld dat voor vliegtuigen desastreuze gevolgen kan hebben. De positronen kunnen de defecten in een zeer vroeg stadium ontdekken. Ook de mechanische eigenschappen van polymeren en vezels hangen sterk af van het aantal en de grootte van de defecten. Ook hier bieden de positronen uitkomst. Akzo is daarom zeer geïnteresseerd om de holtes in hun twaronvezels te onderzoeken.
Barbarella
Een leuke toepassing vindt van Veen het manipuleren van de positronen. ,,Omdat de positronen geladen deeltjes zijn kun je ze met een elektrisch veld naar de plek sturen waar je ze wilt hebben. Het positron zoekt het defect op en vertelt dan hoe het eruit ziet. We bestuderen zo grenslagen tussen twee verschillende materialen.”
Concurrentie van andere meettechnieken heeft van Veen niet te duchten. ,,De analyse van defecten met positronen is complementair met andere technieken die vooral zoeken naar atomen die niet in het materiaal zouden moeten zitten. De positronen geven juist informatie over de ontbrekende atomen. Het voordeel van de positronen is ook dat ze compleet non-destructief zijn. Tweehonderd miljoen positronen per seconde lijkt ernstig, maar dat is het niet. De positronen veranderen het systeem niet. De complementaire technieken zijn meestal destructief zodat verder onderzoek daarna niet meer mogelijk is.”
Van Veen ziet veel mogelijkheden voor een groei van zijn groep. In de nabije toekomst wil hij een derde meetopstelling in de meethal plaatsen die de levensduur van de positronen moet gaan meten. Hij hoopt binnenkort zijn onderzoek in een aparte afdeling te kunnen onderbrengen: een landelijk centrum voor positronenonderzoek. De naam mag duidelijk zijn: het Delft Positronen Centrum. Voor de opening heeft Van Veen ook al een idee. ,,Mijn eerste contact met positronen was in een film met Jane Fonda, Barbarella uit 1967. Daarin schiet Fonda met een positronic gun op een man. De getroffene wordt eerst groen en verdampt daarna. Het zou mooi zijn om tijdens de opening van het Positronen Centrum die film te projecteren.”
Comments are closed.