spacer.png, 0 kB
Volg Cursor via Twitter Volg Cursor via Facebook Cursor RSS feed
spacer.png, 0 kB

spacer.png, 0 kB
Sluitstuk

Beroerte bij pasgeborenen opsporen
Cursor in PDF formaatCursor als PDF
    PrintE-mail Tweet dit artikel Deel dit artikel op Facebook

    Hawaï in het lab

    9 september 2010 - Om minuscule deeltjes te versnellen, moet je onhandig grote apparaten bouwen - denk aan de LHC in Genève. Maar het kan ook anders. Natuurkundige Walter van Dijk werkte aan een versneller waarin elektronen al surfend op de hekgolf van een laserpuls aan vaart winnen. Hij promoveerde eind augustus op deze laserversneller.
    Walter van Dijk. Foto | Bart van Overbeeke

    Door de media-aandacht voor de Large Hadron Collider (LHC) in Genève denken de meeste mensen bij het woord ‘deeltjesversneller’ waarschijnlijk aan tientallen kilometers lange, miljardenverslindende installaties. Hoewel LHC een uitzonderlijk geval is, gebouwd voor het opzwepen van deeltjes tot astronomische energieën, hebben ook versnellers voor bescheidener toepassingen -zoals bestraling van tumoren met versnelde protonen, of het opwekken van straling voor materiaalonderzoek- een allesbehalve handzaam formaat, vertelt dr.ir. Walter van Dijk. “Ze zijn vaak zo groot dat je er een volledig instituut omheen moet bouwen.”
    Maar het kan ook anders. De omvang van ‘conventionele’ versnellers hangt samen met de maximale spanning die je tussen twee metalen platen kunt aanleggen, legt Van Dijk uit. “Dat is maximaal honderd miljoen volt per meter; daarboven krijg je last van doorslag.” Elektronen schieten dan spontaan uit de platen los en creëren een plasma dat veel schade aanricht. Vandaar dat versnellers zo groot zijn: als de versnelling per meter (evenredig met de aangelegde spanning) zijn limiet bereikt, is de enige overgebleven optie het verlengen van de versneller. Behalve natuurlijk als je een radicaal andere methode gebruikt, zoals de laserversneller die Van Dijk met zijn collega’s in het Cyclotron op het TU/e-terrein bouwde. Hierin worden elektronen versneld in een haardun plasmabuisje van een paar centimeter lang.

    Wat is de magische truc? “Bij laserversnellers begin je met het plasma dat je in conventionele versnellers juist wilt vermijden”, vertelt Van Dijk. Het plasma fungeert als een ‘zee’ waarin een lopende elektromagnetische golf wordt opgewekt, waarop de elektronen al ‘surfend’ aan snelheid winnen. De elektrische golven worden gecreëerd met een ultrakorte laserpuls, die door het plasmabuisje wordt geschoten. De laserpuls duwt elektronen weg uit deplasmazee, waarna deze losgetrokkenelektronen (niet te verwarren met de te versnellen elektronen, die van buitenaf worden geïnjecteerd) worden teruggetrokken door het achtergebleven plasma. De elektronen schieten echter door en blijven nog een tijdje naschommelen.

    Deze golfbeweging veroorzaakt een lopende elektrische golf in het kielzog van de laserpuls. Vervolgens komen de te versnellen elektronen, de ‘surfers’, in beeld: die worden met een elektronenkanon (een kleine conventionele versneller) met precies de juiste snelheid binnengeschoten, zodat ze worden opgepikt door de lopende golf. Net zoals een golfsurfer dat op de Hawaïaanse golven doet.

    “Als je de elektronen te weinig snelheid meegeeft, spoelt de golf gewoon over ze heen. Sterker nog: dan worden de elektronen loodrecht op de bewegingsrichting van de golf weggeduwd. Gaan ze te snel, dan surfen ze tegen het volgende golffront op.” Hebben de elektronen echter precies de goede snelheid (in te stellen door de spanning in het elektronenkanon aan te passen), dan worden ze opgepikt door de golf en winnen ze, naar beneden surfend vanaf het golffront, steeds meer snelheid, totdat ze -versneld en al- uit de golf tevoorschijn komen.

    Hoewel het idee van laserversnellers al in 1979 werd gelanceerd, is het pas de laatste jaren mogelijk geworden door de ontwikkeling van hoogvermogen lasers. De laserpuls verantwoordelijk voor de deining in de plasmazee heeft een intensiteit van maar liefst een terawatt: een miljard kilowatt. “Moet je voorstellen: dat vermogen bereik je als je alle Chinezen elk een miljard laserpointersgeeft en ze die op een enkel punt richten. Als je dat vermogen continu wilt leveren, heb je duizend kerncentrales nodig.” Dat Van Dijk die energie gewoon uit het stopcontact kan halen, komt doordat het bewuste piekvermogen in extreem korte lichtpulsjes wordt gepropt, van enkele tientallen femtoseconden (1 fs is een miljoenste van een miljoenste seconde). Het gemiddelde vermogen van de laser is daardoor niet hoger dan dat van een spaarlamp.

    Van Dijk en zijn collega’s willen elektronenpakketjes versnellen tot negentig miljoen elektronvolt; niet veel vergeleken met de energieën van megaversnellers als LHC, maar opgewekt in een buisje van slechts enkele centimeters. “De velden in het plasma zijn duizend tot tienduizend maal hoger dan in conventionele versnellers”, zegt Van Dijk. “Dat betekent dat je de versnellers met diezelfde factor kunt terugschalen. Door meerdere plasmaversnellers achter elkaar te zetten, kun je in principe behoorlijk hoge energieën bereiken met een relatief klein apparaat.”

    Er zijn wereldwijd nu tientallen groepen bezig met laserversnellers, maar de Eindhovense groep is een van de weinige die de elektronen, de ‘surfers’ dus, van buiten het plasma injecteert. De meeste groepen gebruiken elektronen uit het plasma zelf. “Dan heb je namelijk geen elektronenkanon nodig; bovendien dacht men tot voor kort dat injectie niet zou werken omdat de lengte van de elektronenpuls extreem kort zou moeten zijn. Maar dat blijkt mee te vallen. En met externe injectie heb je veel meer controle over de versneller: bij interne injectie heb je één magische setting waarbij het werkt; daar kun je niets aan veranderen.”

    Van Dijk ziet zijn werk als een ‘proof of principle’-experiment om te laten zien dat externe injectie werkt. Elders op de wereld werken ze aan andere aspecten van deze nieuwe versnellertechnologie, zoals het verhogen van de energie en het aan elkaar koppelen van versnellers. “In Berkely hebben ze al een giga-elektronvolt (GeV) bereikt. De volgende stap is twee versnellers achter elkaar zetten. Als dat lukt, kun je dat in principe oneindig uitbreiden om zo de benodigde energieën te behalen.” (TJ)

    In order to accelerate particles scientists build large, cumbersome machines – take the Large Hadron Collider in Geneva. But it doesn’t have to be that way. Physicist Walter van Dijk has been working on an accelerator in which electrons pick up speed by surfing a laser pulse’s wake. Last August, he received his PhD for his study on this laser accelerator.