Eindelijk is er een deeltjesversneller die zo klein is dat klanten er niet meer naartoe hoeven

Een provisorisch muurtje van loden stapelblokken bleek de oplossing. Zes jaar sleutelde een groep technisch natuurkundigen van de TU Eindhoven aan hun röntgenopstelling. Eindelijk stond alles.

De laser was stabiel en de speciaal voor hen gemaakte lineaire deeltjesversneller deed wat hij moest doen. Alleen zat het gemeten signaal vol ruis. „We kregen steeds volkomen onbruikbaar beeld”, zegt hoogleraar Jom Luiten.



„Dat moest wel komen door de elektronenbundel die afgebogen wordt en dan iets raakt wat niet de bedoeling is. Dus hebben we dat muurtje van lood gebouwd, die alle straling tegenhoudt waarin we niet geïnteresseerd zijn. Toen knalde de meting er meteen uit.

” Trots houdt hij zijn witte koffiemok omhoog waar een grafiek op staat. „Dit is die eerste meting. First light noemen we dat.

De mok is een cadeautje van de promovendi.” Vorige week hebben Luiten, collega-onderzoeker Peter Mutsaers en de promovendi van het zogeheten Smart*Light-project voor het eerst enkele voorwerpen – een balpen en wat elektronica – doorgelicht met hun prototype van een ‘mini-synchrotron’, of ‘mobiele deeltjesversneller’. Een echte naam is er nog niet.

Qua kracht en veelzijdigheid zit het apparaat tussen röntgenapparatuur uit het ziekenhuis en een synchrotron ter grootte van een heel gebouw in. Collega-wetenschappers en ook diverse industrieën willen ontdekken wat ermee mogelijk is. Met röntgen is in voorwerpen en materialen te kijken zonder die te beschadigen.

Röntgenstraling is een vorm van licht die met het blote oog niet te zien is. De golflengte is duizend tot tienduizend keer korter dan ultraviolet. Hoe korter de golflengte, hoe ‘harder’ de röntgenstraling.

„In het ziekenhuis wordt harde röntgen gebruikt”, zegt Luiten. „De straling gaat door het meeste weefsel heen maar bot absorbeert een deel, waardoor je contrast ziet.” Het prototype kan allerlei soorten röntgenstraling maken.

„De hardheid, ofwel ‘röntgenkleur’, kunnen we instellen”, zegt Luiten. „Zo is een afbeelding te maken met bijvoorbeeld alleen het ijzer of het calcium.” Ook intensiteit is van belang.

In ziekenhuizen is die laag. Dat is te weinig om materialen snel door te lichten. „Een synchrotron heeft een heel hoge intensiteit, daarmee kun je in verschillende lagen in een materiaal kijken en ook 3D-plaatjes maken”, zegt Luiten.

„Maar een synchrotron is gigantisch groot en duur. Wereldwijd zijn er maar zo’n vijftig synchrotrons en die zitten voortdurend volgeboekt.” Natuurkundigen, scheikundigen, biologen en onderzoekers van cultureel erfgoed reizen met hun onderzoek naar zo’n synchrotron toe.

„Voor bijvoorbeeld de staalindustrie, fabrikanten van composiet en voor chipmachinemaker ASML zou röntgen met een hoge stralingsintensiteit en instelbare hardheid een geweldige techniek zijn om kwaliteitscontroles uit te voeren”, zegt Luiten. „Maar zij kunnen met hun productie niet naar een synchrotron toe. De behoefte aan een handzamere variant is dus enorm.

En die hebben wij nu gemaakt.” Natuurkundig gezien is dit niet heel nieuw. Luiten: „Het idee bestaat al twintig jaar.

Wel nieuw is dat het eindelijk gelukt is. Eerder was de technologie nog niet rijp, er waren geen compacte deeltjesversnellers, hoogvermogenlasers werkten nog niet goed genoeg. Een handvol andere onderzoeksgroepen probeert ook te doen wat wij doen.

Onze opstelling is het meest compact. Vanaf het begin af aan is ons idee dat dit uiteindelijk in een fabriek moet kunnen staan.” Het prototype staat in de kelder van het gloednieuwe natuurkundegebouw.

De crux van het apparaat is dat een pulserende elektronenbundel met een doorsnede van 40 micron (een micron is een miljoenste meter) een even smalle pulserende laserbundel raakt. Op het brandpunt van de twee bundels komt de röntgenstraling los. In het midden is een glimmende, koperen deeltjesversneller van zo’n 40 centimeter gemonteerd.

Die voert de snelheid van de elektronen op. Uiteindelijk zullen die voortrazen op 0,9995 keer de lichtsnelheid – een gemiddelde synchrotron komt tot 0,999999995. „Dit ding maakt onze opstelling zo uniek, hij is speciaal voor dit project ontwikkeld in samenwerking met CERN”, zegt promovendus Ids van Elk.

„Voor de deeltjesversneller zit een elektron-injector. Dat is hergebruikte apparatuur. Na de deeltjesversneller zit een vacuümketel, ook die hadden we al.

” Helemaal aan het eind vliegen de röntgenstralen door de te onderzoeken objecten en ze eindigen in een detector. De woorden compact, klein en handzaam vallen vaak. De onderzoekers zijn trots dat hun machine op een tafel van 1,5 bij 3 meter past.

Toch zijn er nog twee kamers vol aanvullende apparatuur nodig. De laseropstelling, waar het licht via vijftien spiegeltjes wordt gestuurd, beslaat enkele vierkante meters. „Klopt”, lacht Luiten.

„Maar deze laser is experimenteel. Als je weet wat je nodig hebt kun je er een maken die onder de tafel past. We kunnen nog heel veel verbeteren.

Het loden muurtje wordt in een volgende versie ook netjes natuurlijk.” Eerst is het zaak om het vermogen omhoog te brengen om snellere elektronen te maken. Van Elk ‘traint’ het apparaat.

„We werken langzaam toe naar waar het apparaat voor gemaakt is. Ik draai het vermogen steeds een stukje hoger, tot ik een doorslag zie, dan draai ik hem terug. De volgende keer kan hij dan weer een stukje verder.

We willen tot 24 megawatt komen. Ik zit nu op 14.” Als dat gelukt is kunnen anderen ermee aan de slag.

Vooraan in de rij staan onderzoekers van de TU Delft die schilderijen gaan onderzoeken, later gaat ASML kijken hoe de mini-synchrotron hun kwaliteitscontrole kan helpen..