Positronencentrum Delft opent deuren

br />
Vorig jaar persten de IRI-onderzoekers al de meest intense positronenbundel van Europa uit hun reactor. Sinds een paar maanden rollen nu ook de eerste resultaten uit de meetopstellingen. ,,De hoogste tijd voor de opening van het positronencentrum”, aldus prof.dr. A. van Veen, hoofd van het nieuwe centrum.

,,Vroeger konden we alleen maar grote brokken materiaal doormeten”, vervolgt hij. ,,Met onze nieuwe opstelling kunnen we ook holtes in dunne lagen bestuderen. Dat opent vele mogelijkheden voor industriële toepassingen. Denkt u maar aan metaalmoeheid van materialen, hechting van coatings, defecten in halfgeleider-devices of aan nanoholtes die van nature in polymeerlagen en vezels zoals Twaron zitten.”

Het unieke van de Delftse opstelling is de bundel. Het is de enige langzame bundel in de wereld die gemaakt wordt door een kernreactor. Van Veen is niet zo gelukkig met de benaming langzaam. ,,Het is alleen langzaam in vergelijking met de positronenbundels van de grote jongens zoals CERN. Dat zijn echt snelle bundels, waarin de deeltjes veel energie hebben. Wetenschappers laten daar bundels op elkaar botsen en hopen zo nieuwe, exotische deeltjes te ontdekken.”

Materiaalonderzoek moet het helemaal niet hebben van hoge snelheden. De positronen schieten dan letterlijk hun doel voorbij. In een mooie bundel hebben ze allemaal dezelfde energie die ook nog eens nauwkeurig ingesteld kan worden. Hoe groter de energie, hoe dieper ze in een materiaal kunnen indringen. Jaren van geduldig experimenteren kostte het om de positronen in de reactor in het gareel te krijgen.

Elektromagnetische velden leiden de intense bundel door de reactorwand naar een aangrenzende meethal. Naast de nieuwe Angular Correlation of Annihilation Radiation opstelling (ACAR) staan hier nog andere instrumenten om bijvoorbeeld de levensduur van het deeltje te meten. ,,Het centrum verenigt alle bestaande technieken”, benadrukt van Veen. ,,Het grote voordeel van positronen is dat ze het object niet beschadigen. Andere complementaire technieken laten vaak veel schade achter.”

Interesse uit het bedrijfsleven is er al volop. Zo lopen er drie onderzoeken die ondersteund worden door de technologiestichting STW. Philips is geïnteresseerd in toepassingen op het gebied van de computerchips. Chips worden in zijn geheel opgebouwd uit dunne laagjes. Holtes daarin kunnen funest zijn. Corus, het vroegere Hoogovens, heeft zijn zinnen gezet op de adhesie van polymeer- en keramiekcoatings op metalen. De afwezigheid van holtes in degrenslaag bepalen ook hier in belangrijke mate het succes van het product.

Vernietiging

Het positron is het antideeltje van het elektron. Het heeft dezelfde massa, maar een tegengestelde, positieve lading. Positronen speuren holtes en andere defecten in materialen op. Ze proberen zo de eveneens positief geladen atoomkernen te ontlopen. Ontbrekende atomen in een rooster zijn de kleinst mogelijke holtes in een materiaal, maar ook grotere gaten van enkele nanometers zijn goede verstopplaatsen voor de positronen.

Het positronleven eindigt uiteindelijk toch als het in de holtes een elektron tegenkomt. Wat rest zijn twee pulsen gammastraling. Juist die pulsen verklappen iets over de defecten in het materiaal. Afhankelijk van de snelheid van het elektron bewegen de gammastralen zich namelijk niet precies in tegenovergestelde richting voort. Gammadetectors registreren de kleine hoekafwijkingen en brengen zo de plaats van vernietiging en de elektronenstructuur van het defect in kaart.

Rechthoekige nanoholtes in magnesiumoxidekristallen vormen de eerste serieuze test voor de ACAR-opstelling. Dr.S.W.H. Eijt is nauw betrokken bij de metingen. ,,De holtes komen niet van nature in het oxide voor. We maken ze eerst en dan proberen we ze te zien.”

Dat lukt aardig en leidt nu al tot verrassende resultaten. ,,De positronen blijken in de holte een paar te vormen met rondvliegende elektronen”, vertelt Eijt. ,,Ze vormen samen een nieuw, kunstmatig atoom dat lijkt op een waterstof. Het gekke is dat dit nieuwe deeltje zijn energie niet kwijt kan. Het botst wel met de wand van de holte, maar verliest daarbij nauwelijks energie. Het wil dus niet afkoelen.”

Er is ook een technologisch belang. In computerchips zitten altijd verontreinigingen in de vorm van ongewenste metalen. In het silicium van de chips kunnen expres holtes worden gemaakt door er ionen op te schieten. De verontreinigingen zoeken de holtes op, waardoor ze minder kwaad kunnen.

Eijt beaamt dat er ook interessante fundamentele kanten zijn. ,,Wij kijken nu wat het potentieel van de methode is. Maar de materiaalkundige toepassingen verliezen we niet uit het oog. Zo zijn we ook sterk geïnteresseerd in de optische eigenschappen van nanoclusters in magnesiumoxidekristallen.”

Bij materiaalinspectie legt het onderzoeksobject meestal het loodje. Dat is vanaf vandaag verleden tijd. Onderzoekers kunnen nu op niet-destructieve wijze materiaaldefecten opsporen in het Delftse positronencentrum.

Vorig jaar persten de IRI-onderzoekers al de meest intense positronenbundel van Europa uit hun reactor. Sinds een paar maanden rollen nu ook de eerste resultaten uit de meetopstellingen. ,,De hoogste tijd voor de opening van het positronencentrum”, aldus prof.dr. A. van Veen, hoofd van het nieuwe centrum.

,,Vroeger konden we alleen maar grote brokken materiaal doormeten”, vervolgt hij. ,,Met onze nieuwe opstelling kunnen we ook holtes in dunne lagen bestuderen. Dat opent vele mogelijkheden voor industriële toepassingen. Denkt u maar aan metaalmoeheid van materialen, hechting van coatings, defecten in halfgeleider-devices of aan nanoholtes die van nature in polymeerlagen en vezels zoals Twaron zitten.”

Het unieke van de Delftse opstelling is de bundel. Het is de enige langzame bundel in de wereld die gemaakt wordt door een kernreactor. Van Veen is niet zo gelukkig met de benaming langzaam. ,,Het is alleen langzaam in vergelijking met de positronenbundels van de grote jongens zoals CERN. Dat zijn echt snelle bundels, waarin de deeltjes veel energie hebben. Wetenschappers laten daar bundels op elkaar botsen en hopen zo nieuwe, exotische deeltjes te ontdekken.”

Materiaalonderzoek moet het helemaal niet hebben van hoge snelheden. De positronen schieten dan letterlijk hun doel voorbij. In een mooie bundel hebben ze allemaal dezelfde energie die ook nog eens nauwkeurig ingesteld kan worden. Hoe groter de energie, hoe dieper ze in een materiaal kunnen indringen. Jaren van geduldig experimenteren kostte het om de positronen in de reactor in het gareel te krijgen.

Elektromagnetische velden leiden de intense bundel door de reactorwand naar een aangrenzende meethal. Naast de nieuwe Angular Correlation of Annihilation Radiation opstelling (ACAR) staan hier nog andere instrumenten om bijvoorbeeld de levensduur van het deeltje te meten. ,,Het centrum verenigt alle bestaande technieken”, benadrukt van Veen. ,,Het grote voordeel van positronen is dat ze het object niet beschadigen. Andere complementaire technieken laten vaak veel schade achter.”

Interesse uit het bedrijfsleven is er al volop. Zo lopen er drie onderzoeken die ondersteund worden door de technologiestichting STW. Philips is geïnteresseerd in toepassingen op het gebied van de computerchips. Chips worden in zijn geheel opgebouwd uit dunne laagjes. Holtes daarin kunnen funest zijn. Corus, het vroegere Hoogovens, heeft zijn zinnen gezet op de adhesie van polymeer- en keramiekcoatings op metalen. De afwezigheid van holtes in degrenslaag bepalen ook hier in belangrijke mate het succes van het product.

Vernietiging

Het positron is het antideeltje van het elektron. Het heeft dezelfde massa, maar een tegengestelde, positieve lading. Positronen speuren holtes en andere defecten in materialen op. Ze proberen zo de eveneens positief geladen atoomkernen te ontlopen. Ontbrekende atomen in een rooster zijn de kleinst mogelijke holtes in een materiaal, maar ook grotere gaten van enkele nanometers zijn goede verstopplaatsen voor de positronen.

Het positronleven eindigt uiteindelijk toch als het in de holtes een elektron tegenkomt. Wat rest zijn twee pulsen gammastraling. Juist die pulsen verklappen iets over de defecten in het materiaal. Afhankelijk van de snelheid van het elektron bewegen de gammastralen zich namelijk niet precies in tegenovergestelde richting voort. Gammadetectors registreren de kleine hoekafwijkingen en brengen zo de plaats van vernietiging en de elektronenstructuur van het defect in kaart.

Rechthoekige nanoholtes in magnesiumoxidekristallen vormen de eerste serieuze test voor de ACAR-opstelling. Dr.S.W.H. Eijt is nauw betrokken bij de metingen. ,,De holtes komen niet van nature in het oxide voor. We maken ze eerst en dan proberen we ze te zien.”

Dat lukt aardig en leidt nu al tot verrassende resultaten. ,,De positronen blijken in de holte een paar te vormen met rondvliegende elektronen”, vertelt Eijt. ,,Ze vormen samen een nieuw, kunstmatig atoom dat lijkt op een waterstof. Het gekke is dat dit nieuwe deeltje zijn energie niet kwijt kan. Het botst wel met de wand van de holte, maar verliest daarbij nauwelijks energie. Het wil dus niet afkoelen.”

Er is ook een technologisch belang. In computerchips zitten altijd verontreinigingen in de vorm van ongewenste metalen. In het silicium van de chips kunnen expres holtes worden gemaakt door er ionen op te schieten. De verontreinigingen zoeken de holtes op, waardoor ze minder kwaad kunnen.

Eijt beaamt dat er ook interessante fundamentele kanten zijn. ,,Wij kijken nu wat het potentieel van de methode is. Maar de materiaalkundige toepassingen verliezen we niet uit het oog. Zo zijn we ook sterk geïnteresseerd in de optische eigenschappen van nanoclusters in magnesiumoxidekristallen.”