Europese ring voor synchrotronstraling

Aan de autoroute A48 bij Grenoble is een opvallend ringvormig gebouw met een omtrek van bijna een kilometer verrezen. Hierin worden nu een versneller en opslagring voor elektronen gebouwd.

Opnieuw een deeltjesversneller erbij? Ja, maar deze keer niet voor het laten botsen en onderzoeken va deze deeltjes zelf. De European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) is een faciliteit voor de produktie van de in de wetenschap zeer begeerde synchrotronstraling, waarmee onderzoek kan worden gedaan naar de structuur van vaste stoffen. Ook Nederlandse onderzoekers zullen straks van deze stralingsfaciliteit gebruik kunnen maken.

Synchrotronstraling is elektromagnetische straling die is samengesteld uit alle stralingssoorten tussen het infrarood en de 'harde' (zeer kortgolvige) rontgenstraling. Deze straling wordt uitgezonden door elektronen (of andere elektrisch geladen deeltjes) die gedwongen worden met bijna de lichtsnelheid cirkelvormige banen te beschrijven, zoals dat bijvoorbeeld in circulaire deeltjesversnellers (synchrotrons) het geval is. De straling is sterk geconcentreerd in de bewegingsrichting van de rondcirkelende deeltjes, zoals het licht van de koplamp van een motorfiets die rondjes langs een steile wand maakt.

Synchrotronstraling i naast laserstraling waarschijnlijk de belangrijkste soort van elektromagnetische straling bij wetenschappelijk onderzoek. Synchrotronstraling heeft als bijzondereheid een continu spectrum. Meestal bestaat straling uit discrete golflengten, het gevolg van de overgang van de ene atoomtoestand in de andere.

De belangstelling voor onderzoek met deze synchrotronstraling, en dan vooral in het rontgengebied, is in de afgelopen decennia wereldwijd sterk toegenomen. Vele experimenten in de huidige wetenschap zouden zonder die straling zelfs niet eens mogelijk zijn. Deze experimenten liggen op gebieden die uiteenlopen van de vaste stof- en oppervlaktefysica tot kristallografie, chemie, biologie en geneeskunde.

Onderzoek met rontgenstraling komt er in principe op neer dat men de straling op de te onderzoeken stof laat vallen, waar hij dan wordt geabsorbeerd, gebroken, verstrooid, of tot secundaire processen lidt, op een manier die specifiek is voor die stof. Door analyse van deze effecten kan men dan informatie verkrijgen over de eigenschappen van deze stof tot op atomaire of moleculaire schaal toe. En ook bij het bewaken en bestuderen van allerlei produktieprocessen wordt rontgenstraling gebruikt.

In de jaren vijftig werden er synchrotrons gebouwd om via botsingen tussen snel in het rond cirkelende elementaire deeltjes de eigenschappen en mogelijkebestanddelen van die deeltjes te bestuderen.

De synchrotronstraling die hierbij vrijkw werd aanvankelijk als een vervelend bijprodukt beschouwd: de straling was gevaarlijk en zorgde voor energieverlies. Al snel werd men zich echter bewust van het potentiele nut van deze straling en ging men technieken ontwikkelen om deze straling 'af te tappen' en voor onderzoeksdoeleinden te gebruiken.

Naarmate de vraag naar dit soort straling toenam, kon men met dit parasitaire gebruik echter niet meer uit de voeten. Aan het einde van de jaren zeventig ging men daarom ver(JHnellers c.q. opslagringen bouwen waarin het uitsluitend ging om de produktie van synchrotronstraling. En machines die voor de deeltjesfysici verouderd waren, werden toen gretig overgenomen door deze synchrotronstraling-teams (zoals bij het DESY in Hamburg). Deze machines noemt men de machines van de 'tweede generatie'. Op het ESRF bij Grenoble verschijnt nu de eerste machine van de derde generatie, dat wil zeggen geheel geoptimaliseerd voor dit soort straling.

De stralingsbron van de Europese faciteit is een opslagring met een omtrek van 850 meter waarin elektronen rondcirkelen. Een lineaire voorversneller (lengte 40 meter) en een cirkelvormige hulpversneller (omtrek 300 meter) geeft de elektronen eerst de benodigde energie van 6 GeV (giga-elektronvolt) alvorens ze in de opslagring te injecteren.

Deze opslagring is een vacuumbuis, omringd door enkele honderden elektromagneten die de elektronen dwingen hun cirkelbanen te beschrijven. Dat doen ze met bijna de lichtsnelheid, zot ze 350.000 rondjes per seconde maken. Om het energieverlies als gevolg van de uitgezonden straling te compenseren, krijgen de elektronen op enkele punten langs de omtrek via hoogfrequente golven periodiek energie toegevoerd.

De opslagring bestaat uit 128 afwisselend rechte en licht gebogen delen. Normaliter zou de synchrotronstraling alleen worden uitgezonden in die delen waarin de baan van de elektronen wordt gebogen. In deze machine zullen de belangrijkste bnnen van straling echter de wigglers en ondulators in de rechte trajecten zijn: speciale magneten die de elektronen dwingen om een licht golvende baan te beschrijven. Deze golfbeweging levert veel meer synchrotronstraling op dan een gewone baankromming. De opslagring zal 8 tot 10 uur aan een stuk straling kunnen leveren. Na die tijd zijn er zoveel elektronen uit de vacuumbuis verdwenen, dat deze met nieuwe deeltjes moet worden 'bijgevuld'.

elektronenbundel heeft ongeveer de dikte van een mensenhaar, zodat de intensiteit van de geproduceerde synchrotronstraling zeer hoog is.

Door de hoge energie van de elektronen kan bovendien straling in een breed golflengtegebied worden opgewekt, tot aan harde rontgenstraling toe (tegen zachte gammastraling aan). De synchrotronstraling van de elektronen wordt op verschillende punten langs de ring 'afgetapt' en naar de meetstations geleid, waar het eigenlijke materiaalonderzoek plaatsvindt. In 1994 zullen er zeven n zulke bundellijnen gereed moeten zijn en eind 1998 hoopt men het totale aantal van dertig te hebben bereikt.

800 MILJOEN GULDEN

Het plan voor de bouw van een Europese faciliteit voor synchrotronstraling dateert al uit 1975. In 1985 werd tussen een aantal landen een principe-overeekomst gesloten en twee jaar later de definitieve overeenkomst. Momenteel zijn twaalf landen bij de ESRF aangesloten: Belgie, Denemarken, Duitsland, Finland, Frankrijk, Grootbrittannie, Itali Nederland, Noorwegen, Spanje, Zweden en Zwitserland. De bouwkosten van de faciliteit worden geschat op (omgerekend) 800 miljoen gulden.

Nederland wordt bij de ESRF vertegenwoordigd door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Nederland doet samen met Belgie in de vorm van een consortium, 'Benesync' geheten, aan de ESRF mee. 'Dat is om een praktische reden', aldus J.F. van der Veen, technisch directeur van het FOM-instituut voor Atoom-n Molecuulfysica in Amsterdam en lid van de wetenschappelijke adviesraad van de ESRF. 'Voor deelname aan ESRF is een minimale contributie van 4% per jaar per land nodig (ofwel 4,7 miljoen gulden), maar voor een consortium geldt 6%. Die 4% was niet op te brengen. Nu worden wij en Belgie voor 3% aangeslagen, dus kunnen we samen het percentage opbrengen dat deelname mogelijk maakt'. Het samenwerkingscontract met de ESRF werd in december vorig jaar getekend.

Overigens waren er in de jaren zeventig ook plannen voor bouw van een Nederlandse faciliteit voor synchrotronstraling. Aan dit project, PAMPUS geheten, dat in totaal 42 miljoen gulden zou gaan kosten, zouden verschillende instituten en universiteiten meedoen. In 1980 werd het echter stopgezet. 'Het argument dat voor het afblazen gebruikt werd, was dat er te weinig belangstelling was getoond van de kant van het bedrijfsleven', zegt Van der Veen. 'Maar dat was eigenlijk nooit de bedoeling geweest van dat project, omdat t zoals uit het gebruikersrapport blijkt voornamelijk wetenschappelijk van origine was'.

Na het afblazen van het project konden Nederlandse onderzoekers in de jaren tachtig via ZWO voor experimenten met harde rontgenstraling gebruik maken van de synchrotronfaciliteit in het Engelse Daresbury, terwijl voor het gebruik van zachte rontgenstraling werd uitgeweken naar instituten in Berlijn en Orsay.

De Europese faciliteit voor synchrotronstraling staat vlak naashet Europese Instituut Laue Langevin (ILL), waar onderzoek aan neutronen wordt gedaan. De ESRF zal uiteindelijk een vaste staf van ongeveer 430 personen krijgen, waaronder 150 wetenschapsmensen uit de lidstaten.

Het grote aantal wetenschappers is nodig vanwege het 'dienstverlenende' karakter van het instituut. Er worden zo'n tweeduizend gast-onderzoekers per jaar verwacht. Onderzoekers uit de lidstaten zullen gratis gebruik mogen maken van de meetopstellgen en behoeven slechts de materialen die ze willen bestuderen van huis mee te nemen. Selectie en planning vindt plaats op grond van alleen wetenschappelijke criteria. Andere onderzoekers, bijvoorbeeld uit de industrie, wordt een uurtarief van rond de 2000 Franse franc in rekening gebracht.

De ESRF is de eerste faciliteit ter wereld waarin ook zeer kortgolvige (harde) rontgenstraling kan worden opgewekt. Doordat ook de helderheid of intensiteit van de bundels veel groter is dan bij bestaande machines, zullen er in de toemst experimenten kunnen worden gedaan die voorheen nog niet mogelijk waren. In de Verenigde Staten wordt op het Argonne National Laboratory (Chicago) de Advanced Photon Source gebouwd, die een energie van 7 GeV zal leveren en in Japan een nog iets krachtiger machine van 8 GeV. Deze zouden in 1995 en 1998 in gebruik moeten komen. Maar ESRF-directeur Ruprecht Haensel verwacht dat de Europese machine voorlopig toch wel de toon zal blijven aangeven.

foto: Luchtopname van de bouwplaats van de ESRF bij Grenoble. Rechtsboven het 'viaduct' die toegang geeft tot het centrale gedeelte. De eienlijke opslagring ligt binnen het ringvormige gebouw met typische 'zaagtanden'.

De loods erboven geeft aan de buitenzijde ruimte voor de gebruikers.