Diepe antimaterie

Positronen bieden op atomair niveau een blik onder het oppervlak van materialen. De tu Delft bezit de krachtigste bundel van Europa en bouwde een speciale hal om die te benutten.

DE NIEUWE onderzoekshal oogt even grijs als de koepel om de aanpalende kernreactor. Het onlangs geopende Positronen-Centrum van de TU Delft is nog lang niet vol en de experimenten kunnen pas starten nadat in oktober het onderhoud aan de Hoger Onderwijs Reactor – de oudste van Nederland – is afgerond. Maar dan zal de nieuwe faciliteit, zo verwacht directeur prof.dr. A. van Veen, kleurrijke wetenschap opleveren. ``De opstelling is de eerste in zijn soort en is bij uitstek geschikt om non-destructief dieper gelegen lagen in materialen te onderzoeken.''

Positronen zijn de antideeltjes van elektronen. In de Delftse reactor ontstaan ze door gammastraling (energierijk licht dat bij de kernsplijtingen vrijkomt) door een dun wolfraamplaatje te sturen. Na afremming en bundeling bewegen ze via een 30 meter lange vacuümbuis, voorzien van magneetspoelen om de positief geladen positronen te sturen, vanuit de reactorhal naar de positronenhal. Daar worden ze tot de gewenste energie (maximaal 30 keV) versneld. Met 80 miljoen positronen per seconde is de bundelintensiteit de hoogste van Europa. Kelvin Lynn, door vliegtuigbouwer Boeing bij Washington State University in Vancouver als hoogleraar geparkeerd om toegepast materialenonderzoek te doen, zei op het openingssymposium in het Interfacultair Reactor Instituut van de TU Delft graag in de gelegenheid te worden gesteld om in de positronenhal onderzoek te doen.

De bundel splitst zich in de hal in twee takken waarvan de eerste gereed is. Die levert positronen aan twee opstellingen, waarvan één nog in aanbouw. Bij de 2D-ACAR (two-dimensional angular correlation of annihilation radiation) gaat het om het nauwkeurig meten van de hoek waaronder twee fotonen (lichtdeeltjes) uiteen vliegen. Die fotonen ontstaan wanneer een positron in het te onderzoeken sample na afremming een elektron op zijn weg treft, waarna materie en antimaterie samen overgaan in stralingsenergie (annihilatie). Bij langzaam bewegende deeltjes resulteert dit proces in twee fotonen die in exact tegenovergestelde richting vliegen. Maar als het elektron beweegt, ontstaan er afwijkingen, in de regel ter omvang van ongeveer een halve graad. Het meten van deze hoek, met twee op op flinke afstand van elkaar geplaatste detectoren aan weerszijden van het preparaat om de nauwkeurigheid te verhogen, geeft dus informatie over de betrokken elektronen. Van Veen: ``Zo maken open plaatsen in het kristalrooster (gaten) of verontreinigingen zich kenbaar. Door de energie van de positronen te variëren, is de diepte waarop in het materiaal `gekeken' wordt bovendien instelbaar.''

In aanbouw is een microprobe die een positronbundel met een diameter van een duizendste millimeter moet leveren en die gebruik maakt van Dopplerverbreding. Dopplerverbreding houdt in dat de 511 keV aan energie die de beide fotonen in geval van annihilatie van een elektron-positronpaar meekrijgen iets verschoven raakt indien het elektron snelheid heeft. Meting van de energie van de fotonen resulteert dan niet in een scherpe piek om 511 keV: er treedt een zekere Dopplerverbreding op. Door niet één maar twee detectoren te hanteren – en het feit te benutten dat beide fotonen tegelijk een signaal moeten geven terwijl hun energieën evenveel verschoven zijn – is de nauwkeurigheid met een factor duizend op te voeren.

Positronenbundels zijn geschikt om non-destructief (dus zonder het materiaal te beschadigen) het contactoppervlak tussen dunne lagen te bestuderen op de aanwezigheid van defecten, gaten of deposities. Toepassingen liggen op het terrein van de chipsindustrie en de telecommunicatie. In Delft zijn met de nieuwe techniek structuren tot enkele micrometers (duizendste millimeters) diep te bekijken. Van Veen: ``Ook onderzoek naar magnesiumoxide-kristallen die voorzien zijn van optisch actieve insluitsels ten behoeve van optische schakelingen staat in de belangstelling.''

Ten slotte zijn met positronen holtes tot een halve nanometer (miljoenste millimeter) groot op te sporen door te letten op eventuele veranderingen in Dopplerverbreding of de levensduur van de positronen (die in een holte minder kans hebben een elektron op hun weg te treffen). Grotere holtes verraden zich door het optreden van positronium, een soort `atoom' waarbij een elektron en een positron om elkaar heendraaien. Meting van de levensduur van positronium, waarbij een positron de klok start en een annihilatie-foton deze weer stopt, geeft informatie over de omvang van de holte.

    • Dirk van Delft