De TUE is een van de weinige Nederlandse universiteiten waar plasmafysica gedaan wordt. Dat komt vooral doordat plasmafysica sterke technisch-fysische aspecten heeft, die koppeling aan een TU wenselijk maken. Prof. Dorgelo, de eerste rector magnificus van de TUE, bracht de gasontladingsfysica mee uit Delft. Terwijl het onderzoek daar beëindigd werd, kwam in Eindhoven vooral het niet-fusiegerichte onderzoek tot bloei. Van meet af aan was er een intensieve samenwerking met het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen. Dat is van oudsher hèt Nederlands instituut dat onderzoek doet naar energie-opwekking met behulp van kernfusie.
Startsubsidie
In 1992 ontstond de onderzoekschool CPS, waarin de samenwerking tussen Rijnhuizen en de TUE werd geconsolideerd en uitgebreid met stralingstechnologie. Deelnemers waren de natuurkunde-vakgroepen Deeltjesfysica en Theoretische Natuurkunde en de vakgroepen Elektrische Ener-giesystemen en Hoogspanningstechniek & Elektromagnetische Compatibiliteit van de faculteit E. CPS heeft ook partners aan andere universiteiten: van Twente doet de vakgroep Quantummechatronica mee en van de Universiteit Utrecht de faculteit Natuur- en Sterrenkunde. De deelname van Rijnhuizen heeft om bestuurstechnische redenen de vorm van een associatie-overeenkomst: FOM behoudt daarbij de formele verantwoordelijkheid voor het onderzoekplan van het instituut. Eenzelfde constructie is gekozen voor de Utrechtse faculteit, omdat de betreffende vakgroepen al in andere onderzoekscholen participeren. Bij het ontstaan van de onderzoekschool is een Stimulans startsubsidie toegekend van 1,15 miljoen gulden. Een belangrijk deel daarvan, zo’n 450.000 gulden, werd in de vakgroep EHC besteed aan onderzoek ten behoeve van de bouw van een Free Electron Maser in Rijnhuizen. Prof.dr.ir. Piet van der Laan is nauw betrokken bij de advisering over doorslag-problemen bij de hoge spanningen, over de speciale meetproblemen en over het vermijden van storingen, als er tòch doorslagen optreden. Van der Laan: ‘Met de Free Electron Maser wil men in Rijnhuizen millimetergolven maken met een golflengte van precies 2,3 tot 1,2 mm bij een groot vermogen, tot een miljoen watt. Zulke golven kun je gebruiken voor het extra opwarmen van heel hete plasmamengsels, als voorfase van energieproduktie door kernfusie. Het probleem is nu dat voor de input een elektronenbundel gebruikt wordt, die men versnelt tot 2 MeV (miljoen elektronvolt; een eV is de energie die een deeltje met een elementaire lading krijgt, als het een potentiaalverschil van één volt heeft doorlopen). Daar komen dus enorme spanningen aan te pas, waarbij een doorslag zeer intense storingen produceert. Voor de sturing van de elektronenbundel en voor het doen van metingen is veel gevoelige elektronica in en bij het apparaat aanwezig. Door isolatie met behulp van gas proberen we de hoge vermogens - die vergelijkbaar zijn met een bliksemontla-ding - zo te beheersen, dat geen doorslag optreedt en dat de elektronica ongestoord kan werken.’
Renbaan
Een verwant onderzoek binnen CPS betreft het racetrack microtron. Dat is een renbaan met een versnelsectie voor elektronen. Hij is min of meer symmetrisch gebouwd: een linker en rechter buigmagneet en in ‘t midden een serie van negen gekoppelde trilholten. Een lineaire versneller zorgt voor de input, hij spuugt de elektronen als een bundel de microtron in. Ze hebben dan een snelheid die de lichtsnelheid benadert en een energie van 10 MeV. De elektronenbundel komt uit de lineaire versneller, draait in de rechter magneet 180 graden om en komt in de trilholten terecht. Daar worden de elektronen blootgesteld aan hoogfrequente elektromag-netische golven. De snelheid van de elektronen kan niet meer toenemen, maar ze krijgen wèl meer energie. De bundel doorloopt de negen trilholten, komt vervolgens in de linker buigmagneet, draait daar om en loopt naar de rechter buigmagneet. Dat gaat zo door terwijl de energie verder toeneemt. Het is van belang dat de bundel tijdens het proces mooi op zijn baan blijft, want als de elektronen de wand raken, is het einde oefening. Daaraan wordt voortdurend gemeten en zonodig met magneten bijgestuurd.
Trilholten
Een belangrijk en moeilijk te maken onderdeel van de renbaan is de serie trilholten. Eén zo’n trilholte bestaat uit twee komvormige delen, die worden gemaakt door specialisten van de Centrale Technische Dienst. De holle vorm moet met uiterste precisie gedraaid worden, dat luistert op honderdsten van een millimeter. Tijdens het draaien wordt door de fysici steeds op resonantie getest om een optimale holling te verkrijgen.
Na dertien omlopen moeten de elektronen een energie van 75 MeV bereikt hebben en kunnen ze worden afgetapt. Zo ver is het nu nog niet, want het microtron is nog niet klaar.
Ir. Rard de Leeuw en ir. Willem Theuws hebben beiden als aio hun hoofdtaak in de ontwikkeling en bouw ervan. De Leeuw heeft zijn proefschrift nu bijna klaar; hij heeft vooral aan de versnelsectie gewerkt. Daar hoorde ook veel theoretisch werk bij en het ontwikkelen van de meettechnieken. Tot zijn spijt moet hij het afbouwen en in werking stellen van het microtron als totaal aan zijn collega overlaten. Theuws: ‘Er moet nog het een en ander gebeuren aan de besturing en aan de beveiliging. Intussen bestuderen we het microtron met behulp van simulaties en berekenen we de juiste instellingen. Maar deze zijn voor het ‘echte’ microtron toch niet optimaal. Je kent bijvoorbeeld de - onvermijdelijke - uitlijnfouten niet, die in de machine zitten. Zodra met het inschieten van elektronen wordt begonnen, zullen we dan ook metingen aan de bundel moeten doen om de instellingen te optimaliseren.’ De installatie zal elektronen gaan leveren die in een opslagring geac-cumuleerd worden en verder versneld tot 400 MeV. Dat dient onder andere voor onderzoek in de ver-snellertechnologie. Daarnaast zijn er tal van toepassingsmogelijkheden voor straling, opgewekt met dergelijke hoogenergetische elektronen. Zoals voor onderzoek aan halfgeleiders, biomedische preparaten en polymere materialen. Er is nog een tweede microtron in ontwikkeling, voor 25 MeV, bedoeld voor gebruik als injector voor een vrije elektronenlaser op de Universiteit Twente.
Financiën
Het financiële plaatje van CPS ziet er wat anders uit dan bij de mees-te andere onderzoekscholen. Van een begroting van bijna dertien miljoen is nog geen vier miljoen eerste geldstroom. Het grootste deel vormt de tweede geldstroom met zeven miljoen, waarvan Rijnhuizen het leeuwedeel inbrengt: ruim vijfeneenhalf miljoen. De inkomsten aan derde geldstroom bedragen twee miljoen gulden, waarvan ook een flink deel op het conto van Rijnhuizen komt.
De laatste jaren is CPS heel succesvol in het verwerven van persoonlijke subsidies: in het lopende academisch jaar twee rolling grants van NWO. Een voor prof.dr. Daan Schram van 1,2 miljoen en een voor prof.dr. Hidde Brongersma samen met prof.dr. Martin de Voigt van 0,8 miljoen, welk bedrag gedeeld moet worden met de onderzoekschool NIOK omdat het gezamenlijk onderzoek betreft. In januari van dit jaar kreeg dr.ir. Gerrit Kroesen een Pionier-subsidie van STW. Dat gaat over een bedrag van twee miljoen gulden, verdeeld over vijf jaar.
Met het bouwen en laten draaien van apparatuur als het race-track microtron is nogal wat geld gemoeid. Het apparaat zelf is bijna klaar, maar voor het afbouwen van de opslagring zal nog circa 5,3 miljoen nodig zijn. Het is duidelijk dat het vakgroepsbudget daarin niet kan voorzien, temeer omdat er nog enkele andere kapitaalsin-tensieve projecten lopen. Aanvulling wordt gezocht in de richting van NWO- en Europese subsidie-programma’s en in derde geldstroommiddelen voor deelprojec-ten. CPS wil graag in dergelijke apparatuur te investeren: naast opleidings- en onderzoeksfaciliteiten zijn er veelzijdige toepassingsmogelijkheden. Die bieden interessante perspectieven voor samenwerking met het bedrijfsleven. En voor ingewijden gaat het niet om echt dure apparatuur: de beoogde opslagring kan met een totaal geïnvesteerd vermogen van ruim elf miljoen gulden qua prestaties vergeleken worden een synchrotron stralingsbron van tachtig miljoen gulden.
Wat doet CPS?
Plasmafysica is de tak van de natuurkunde die het gedrag van geïoniseerde gassen bestudeert. De term stralingstechnologie lijkt voor zich te spreken. De argeloze bezoeker denkt dan echter vaak aan radioactieve straling. Die is er in het hierboven beschreven CPS-onderzoek maar in zeer beperkte mate. Bij het werken met hoogenergetische deeltjes is er natuurlijk altijd sprake van ioniserende straling, maar in versnellers en fusiemachines is alléén straling, zolang het apparaat in werking is. Als het is uitgeschakeld, resteren geen radioactieve deeltjes in of om het apparaat. In CPS wordt het hele elektromagnetisch spectrum bestudeerd. Dat loopt van radiofrequentie via microgolven, infrarood, lichtgolven (die als enige zichtbaar zijn), naar ultraviolet en uiteindelijk ‘harde’ röntgen- en gammastraling.