DEELTJESVERSNELLERS

Er zijn twee soorten fysici die bij hun onderzoek gebruik maken van deeltjesversnellers. De ene groep is op zoek naar elementaire deeltjes. De andere groep maakt gebruik van deeltjesversnellers voor het vervaardigen en analyseren van nieuwe materialen op atomaire schaal.

De elementaire deeltjes-fysici bouwen steeds grotere versnellers om met hogere energie dieper in de atoomkern door te dringen. De materiaalkundige fysici gebruiken versnellers waarmee vroeger atoomkernen gesplitst werden, maar die nu niet langer interessant zijn voor de kernfysica.

Het aardige is dat ook de industrie met deze ontwikkeling is meegegroeid. Dezelfde firma, HVEE in Amersfoort, die vroeger deeltjesversnellers bouwde voor de kernfysici, bouwt thans versnellers voor de materiaalfysici. De elementaire deeltjes-fysica is langzamerhand geconcentreerd rondom gigantische versnellers in slechts enkele onderzoekscentra ter wereld. Voor de materiaalkunde zijn er in de laatste 40 jaar enkele duizenden kleine versnellers opgesteld bij de universiteiten, de overheidslaboratoria en de industrie. Van de versnellers bij CERN in Geneve weet bijna iedereen dat ze gebruikt worden voor de speurtocht naar quark, gluon of Higgs-boson. Waar dienen al die andere versnellers dan voor?

Verreweg het grootste aantal deeltjesversnellers staat helemaal niet in de wetenschappelijke laboratoria maar, u raadt het nooit, in de fabrieken voor micro-elektronica, voor chips. Als geen andere industrie is de micro-electronica de voortrekker van de moderne technologie. Er staat tegenwoordig veel negatiefs in de krant over Philips en andere chip- fabrikanten, maar er is geen industrietak waar zo'n grote hoeveelheid geld wordt uitgegeven aan onderzoek en ontwikkeling. De elektronische industrie is in tien jaar tijd net zo groot geworden als de auto-industrie, maar in micro-elektronica wordt aanzienlijk meer research en ontwikkeling gedaan.

Dit heeft geleid tot een prijs/prestatie-verhouding die ongekend is. Ik heb wel eens de volgende vergelijking horen maken: wat er in de micro-electronica gebeurd is, zou in de auto-industrie betekend hebben dat je thans een auto van de kwaliteit van een Rolls-Royce zou kunnen kopen voor de prijs van een doosje lucifers. Dit is vooral te danken aan de moderne materiaalkunde. Men heeft geleerd in het oppervlak van een schijf silicium complexe elektronische schakelingen en geheugens voor computers aan te brengen, door gebruik te maken van moderne fysische methoden zoals ionenimplantatie.

De deeltjesversnellers die vroeger gebruikt werden voor kernfysica doen nu dienst als kanon, waarmee vliegensvlug en nauwkeurig een hoeveelheid vreemde atomen in het oppervlak van de chip geschoten wordt, precies daar waar deze atomen nodig zijn om de elektrische eigenschappen van het chipmateriaal te veranderen. Zo worden bepaalde plaatsen in een schijf silicium geleidend gemaakt en andere plekken juist isolerend door het implanteren van atomen met meer of atomen met minder electronen dan silicium. Deeltjesversnellers worden hiervoor gebruikt, omdat de kernfysici hebben laten zien dat het mogelijk is uitsluitend met een specifieke soort atomen te schieten zonder dat ongewenste atomen het materiaal binnendringen. Vanwege de grote nauwkeurigheid, reproduceerbaarheid en uniformiteit is de techniek van implantatie zo populair geworden bij het vervaardigen van chips, dat er over de hele wereld 3.000 deeltjesversnellers uitsluitend voor dit doel staan opgesteld.

In andere branches is het gebruik van deeltjesversnellers nog in het stadium van research en ontwikkeling. Dat is wel zo interessant, omdat er nog steeds nieuwe materiaaleigenschappen worden bereikt die allerlei toepassingen kunnen vinden. Zo heeft men ontdekt dat metaaloppervlakken keihard worden door ze met stikstofatomen te beschieten. Er ontstaat een beschermende laag die bestendig is tegen slijtage en corrosie en vaak ook een geringere wrijving geeft. Dit kan gebruikt worden in kogeillagers. In Engeland worden de wielen van Formule-1 racewagens gemonteerd in hele dunne lagers. Ter bescherming worden de lagers beschoten met stikstof. Hoewel de oppervlaktelaag maar heel dun is en er in een wedstrijd weer afslijt, houden de lagers het zo tenminste een hele wedstrijd uit, hetgeen zonder stikstofimplantatie niet het geval is.

Corrosiebestendigheid is ook van belang voor kunstledematen zoals knie- en heupgewrichten die vaak van licht metaal zijn. Het oppervlak van deze kunstgewrichten wordt voor het aanbrengen geimplanteerd met stikstofionen, waardoor het oppervlak minder wordt aangetast door lichaamsvloeistoffen en het gewicht beter en langer blijft functioneren.

Ook in de chemische sector beginnen deeltjesversnellers door te dringen. In Italie heeft men ontdekt dat in polymeren zowat elke materiaaleigenschap gesynthetiseerd kan worden met behulp van een ionenversneller. Door hem te beschieten verliest een polymeer zijn waterstofatomen en de overblijvende koolstof vormt een laag die in bijna niets van diamant verschilt. Dit flinterdunne laagje diamant is onzichtbaar, maar goed isolerend en keihard. Als men het kanon te lang aan laat staan, dan verliest het laagje al z'n waterstof en ontstaat een wanordelijke laag grafiet. Dit is een metaalachtig geleidend materiaal. Zo kan men naar believen oppervlakken geleidend, halfgeleidend of isolerend maken, hard of zacht, doorschijnend of zwart.

Ook voor technisch keramiek worden interessante effecten van ionenimplantatie gemeld. Van zichzelf is dit materiaal al hard. Na ionenimplantatie neemt de hardheid meestal nog toe terwijl de breekbaarheid afneemt. De extra atomen die in het oppervlak geschoten zijn, zorgen daar voor een spanning waarmee de eventuele breukvlakken op elkaar geperst worden.

In glas wordt de brekingsindex lokaal veranderd door ionenimplantatie. Hiermee maakt men al lichtgeleiders, schakelaars, versterkers en zelfs lasers in een schijfje glas. Dit kan belangrijk worden voor telecommunicatie-doeleinden en zou kunnen leiden tot supersnelle computers die met licht werken.

Tot nu toe ging het uitsluitend om het bestralen van dode stoffen, maar deeltjesversnellers worden ook steeds vaker gericht op levende materie. Vanuit China wordt gerapporteerd dat men rijstzaden heeft geimplanteerd en dat dit een veredelend effect heeft op sommige soorten, zodat de oogst aanzienlijk verbetert. In enkele versnellerlaboratoria heeft men reeds zoveel goede ervaring opgedaan met het behandelen van tumoren bij dieren, dat thans voorbereidingen worden getroffen om ook mensen te behandelen. Het grote voordeel van ionenbundels boven het gebruik van rontgenstraling is dat die slechts op een bepaalde plaats hun energie deponeren en daar bijvoorbeeld een tumor kunnen doden, zonder dat het omringende weefsel al te veel schade ondervindt. Helaas kan deze methode tot nu toe slechts worden toegepast voor ondiepe bestralingen, omdat de deeltjesversnellers die hiervoor beschikbaar zijn niet zo'n erg hoge energie hebben en de ionen dus niet zo diep doordringen.

Geen kernfysicus heeft kunnen voorzien dat het met de toepassing van deeltjesversnellers deze kant op zou gaan. De versnellers werden ontwikkeld en gebruikt voor fundamenteel onderzoek der materie. Hiertoe bouwden de kernfysici steeds krachtiger machines, maar de versnellers die ze achterlieten kwamen vaak in andere handen en werden gebruikt voor onverwachte toepassingen, zowel bij het maken als het analyseren van moderne materialen op atomaire schaal. Bij de opening van het congres van de Europese fysische vereniging, begin september in Amsterdam, stelde de beroemde Nederlandse natuurkundige Casimir de vraag of de moderne ontwikkelingen ten behoeve van de elementaire-deeltjesfysica nog wel effect zullen hebben op de visie die we op normale materie hebben.

Hij meende deze vraag negatief te moeten beantwoorden. Toch hoeft het onderzoek daarom nog niet te worden gestopt. De hierboven geschetste ontwikkeling laat zien dat de kernfysica, die indertijd ook al als hemelbestormend of zelfs wereldvreemd werd gezien, heeft geleid tot revolutionaire ontwikkelingen in de materiaalkunde.