Een racebaan voor elektronen

door Miguel Alvares

Eind oktober promoveerde Rard de Leeuw met zijn proefschrift The accelerator injection chain of the electron storage ring EUTERPE. EUTERPE staat voor: Eindhoven University of Technology Ring for Protons and Electrons. Zo luidt de omvangrijke naam van de elektronen-opslagring waar momenteel bij de faculteit Technische Natuurkunde aan gewerkt wordt. In zijn proefschrift beschrijft De Leeuw de versnellingsketen die de elektronen doorlopen voordat ze de ring in worden geïnjecteerd.

Euterpe is toevalligerwijs ook de naam van één van de muzes uit de Griekse mythologie, verantwoordelijk voor de bescherming van de muziek. Een grappige overeenkomst tussen deze muze, die wordt voorgesteld met een dubbele fluit, en EUTERPE is het feit dat de opslagring gebruikt zal worden voor de opslag van twee deeltjes: protonen en elektronen. Daar houdt de vergelijking echter ook mee op. EUTERPE zal namelijk niet gebruikt worden om muziek mee te maken.
De opslagring zal een omtrek van ongeveer veertig meter hebben. Naast een keten voor accelleratie en injectie van de deeltjes zal de ring onder andere bestaan uit een aantal magneten, nodig om de deeltjes in de juiste baan te houden. Aanvankelijk was de ring ontworpen met als enig doel het verrichten van bundeldynamische studies. Deze studies zijn met name van belang bij het werken met intern geladen deeltjesbundels. Denk hierbij aan elektronenbundels bij vrije elektronen lasers. Al vlug realiseerde men zich echter dat de ring ook bruikbaar was voor onderzoek met synchrotron straling. Synchrotron straling is straling die vrijkomt als een elektronenstroom een bocht maakt. Deze straling biedt het voordeel dat het in tegenstelling tot bijvoorbeeld laserstraling een heel breed spectrum kan bestrijken. Synchrotron straling kan daarom worden gebruikt voor een groot aantal onderzoeksdoeleinden, zoals bijvoorbeeld voor materiaalanalyses, fotochemie en atoomfysica. Wanneer EUTERPE af is zal deze dan ook gebruikt worden voor drie doeleinden. Allereerst als bron voor synchrotron straling. Daarnaast voor haar oorspronkelijke doel, bundeldynamische studies, en uiteindelijk als basis voor studies door studenten, afstudeerders en promovendi.

Schenking
Zoals eerder gezegd bestaat EUTERPE onder andere uit een aparte accelleratie- en injectieketen. Deze keten is nodig omdat de deeltjes van te voren eerst versneld dienen te worden tot een energie van 75 MeV. De opslagring zal namelijk elektronen bevatten met een energie van 400 MeV een een stroomsterkte van circa 100 mA. Nieuwe elektronen kunnen niet zomaar in deze ring worden geïnjecteerd en moeten dus eerst de versnellingsketen doorlopen. Het werk dat De Leeuw heeft verricht, bestond voornamelijk uit het doorrekenen van deze keten en het opstellen van modellen voor het gedrag van de deeltjes in de diverse versnellingsstructuren.
Versnelling vind bij EUTERPE in drie stappen plaats. De Leeuw: ‘Je zou de elektronen natuurlijk, met behulp van een groot vermogen, in een rechte lijn van een paar honderd meter kunnen versnellen naar de gevraagde energie. Omdat we noch over het vermogen noch over de ruimte beschikken, moet het op een andere manier.’ De elektronen worden bij EUTERPE eerst via een lopende golf lineaire versneller (linac) versneld tot 10 MeV. Daarna worden de elektronen getransporteerd naar de Race Track Microtron Eindhoven (RTME). Hierbinnen neemt de elektronenergie toe tot 75 MeV, waarna injectie in de opslagring plaatsvindt. Binnen in de ring worden de elektronen versneld naar hun uiteindelijke energie van 400 MeV.
De linac is een oude medische versneller die door het Catharina Ziekenhuis aan de TUE is geschonken. Deze versneller vormt de eerste stap in de versnellingsketen van EUTERPE; hier worden de elektronen in geëmitteerd en vervolgens in een rechte lijn versneld. Dit in tegenstelling tot de RTME. De naam Race Track Microtron vindt zijn oorsprong in de vorm van deze versneller. Zij bestaat uit twee grote magneten, die tegenover elkaar staan opgesteld, en een versnellingsstructuur, de zogenaamde cavity. Dit geheel meet zo’n 2,5 bij 1,5 meter en staat opgesteld in de hal van het Cyclotron-gebouw, net als de linac.

Atletiekbanen
Wanneer elektronen uit de linac in de RTME worden geïnjecteerd, worden deze in de cavity versneld. Vervolgens worden ze eerst door de ene magneet 180 graden omgebogen en reizen terug tot de andere magneet bereikt wordt, die ze weer naar de cavity toe keert. De banen die de elektronen afleggen hebben iets weg van atletiekbanen, met het verschil dat deze banen steeds groter worden bij iedere ronde die de elektronen afleggen (dit als gevolg van de toegenomen energie). Na dertien ronden door dit apparaat worden de elektronen geëxtraheerd en naar de opslagring toe geleid.
In tegenstelling tot een klassieke racetrack microtron staan de twee ombuigingsmagneten niet recht tegen over elkaar. De Leeuw: ‘Als de twee magneten gewoon evenwijdig tegenover elkaar staan, is het ontwerp heel gevoelig. De magneetvelden moeten dan zeer homogeen zijn. Het duidelijk ‘fout’ (onder een kleine hoek, -MA) plaatsen van de magneten in de RTME en het gebruik van een variërend veld maakt de racetrack een stuk minder gevoelig voor fouten in het magneetveld.’
In zijn proefschrift concentreert De Leeuw zich onder andere op de koppeling tussen de linac en de RTME. In beide vindt versnelling plaats door middel van radiofrequente structuren. Bij de linac is er sprake van een lopende golf versnelstructuur, terwijl in de RTME er versneld wordt met behulp van een staande golf versnelstuctuur. Bij beide vindt voeding plaats door middel van een gepulst magnetron. Omdat er sprake moet zijn van synchrone versnelling moeten deze twee bronnen goed op elkaar zijn afgestemd. De koppeling tussen deze twee wordt door De Leeuw beschreven en geëvalueerd.

Rekenprogramma’s
Ook de staande golf versnellingstructuur van de RTME wordt door De Leeuw uitgebreid besproken. Deze versnellingsholte of cavity bestaat uit een aantal acceleratie- en een aantal koppelingscellen, gemaakt van speciaal zuurstof-vrij koper met een lage weerstandscoëfficiënt. Hoewel de structuur, niet meer als een halve meter lang, er vrij robuust uitziet, is zij vrij gevoelig. De maten van de cellen moeten op honderdsten van millimeters nauwkeurig zijn.
‘Als ik hier een beetje flink aan trek kunnen we hem weggooien’, vertelt De Leeuw. En daarmee een bedrag van circa 100.000 gulden. De Leeuw presenteert in zijn proefschrift een numeriek model van deze cavity. Rekenwerk hieraan is verricht met behulp van twee verschillende rekenprogramma’s: Mafia en Superfish; respectievelijk een 3D- en een 2D-rekenprogramma. Een 3D-programma was nodig om de koppeling tussen de verschillende cellen te berekenen. Omdat Mafia echter niet altijd accurate resultaten leverde, vond combinatie met een ander programma plaats om toch een exact model te verkrijgen.
In zijn proefschrift verwijst de Leeuw overigens regelmatig naar het werk van ex-promovendi die voor hem op de verschillende onderdelen van de versnellingsketen zijn gepromoveerd. Hij vindt het namelijk belangrijk om te benadrukken dat dit geen éénmans-karwei was. ‘Dit onderwerp is een kwestie van samenwerking. Dit proefschrift is tot stand gekomen met de hulp van een heleboel mensen, die ik dan ook zeer dankbaar ben. Met name de Centrale Technische Dienst, die ook verantwoordelijk was voor de constructie van de cavity.’

De bedoeling is dat de gehele ring uiteindelijk in de hal van het Cyclotron-laboratorium komt te staan. De eigenlijke constructie van de ring is nog niet begonnen, maar de nodige magneetcomponenten zijn reeds geconstrueerd. Helaas is het niet zeker of EUTERPE ooit wel afgebouwd zal worden. Alhoewel de versnellingsketen bijna af is, is de bouw van de eigenlijke opslagring onzeker, vanwege een gebrek aan sponsoren. Maar al gaat de bouw van de ring zelf niet de door, met de constructie van de versnellingsketen is in ieder geval al wat bereikt, vindt De Leeuw. ‘We hebben nou bewezen dat het mogelijk is om op deze manier de elektronen te versnellen.’