HF-flippers onmisbaar in neutronenonderzoek

HF-flippers onmisbaar
in neutronenonderzoek
Een van de lopende onderzoeken op het
Interfacultair Reactor Instituut (IRI) betreft het
met behulp van neutronenverstrooiing
onderzoeken van structuren van materialen op
een lengteschaal van 1 nanometer tot 1
micrometer. De techniek waarmee hier wordt
geëxperimenteerd heet 'spin-echo kleine hoek
neutronenverstrooiing' (in het Engels spin-echo
small-angle neutron scattering of kortweg
SESANS). DTO heeft een viertal speciale
hoogfrequente magneetversterkers (HF-flippers) ontwikkeld die onmisbaar zijn in dit onderzoek.
Bij het ontwikkelen van nieuwe producten die uit mengsels van stoffen of legeringen van metalen
bestaan, is het van groot belang te weten hoe de verdeling van de componenten wordt als gevolg van het
productieproces. Bijvoorbeeld bij de ontwikkeling van voedingsmiddelen. De structuur van een mengsel
van voedingsstoffen is onder meer bepalend voor de kwaliteit en de smaak van het eindproduct. Bij het
ontwikkelen van staalsoorten hangt de sterkte van het staal af van de verdeling van koolstof en andere
materialen in het ijzer. Eén manier om de structuur van een materiaal op atomaire schaal te bepalen is het
materiaal te beschieten met deeltjes of golven (straling) en dan te kijken op welke manier die deeltjes of
golven er aan de andere kant verstrooid weer uitkomen. Aan de hand daarvan is de structuur in het
materiaal te zien zonder dat het materiaal zelf wordt beschadigd of uit elkaar gehaald (niet-destructief
onderzoek). Een andere beproefde methode is het meten van de kleine hoek verstrooiing van neutronen.
Daarbij stuur je een fijne neutronenbundel door een te onderzoeken monster. Hierbij wordt die bundel wat
uitgewaaierd: op een detector op enige meters achter het monster zie je een wazige vlek in plaats van een
scherpe spot. Dit komt door de 'korreligheid' van het monster op een schaal van 10 tot 1000 nanometer.
Hoe kleiner deze schaal, des te meer uitgesmeerd de vlek wordt; hoe groter het contrast in de
korreligheid, des te intenser de vlek op de detector.
SESANS >> De SESANS-groep van het Interfacultair Reactor Instituut van de TU Delft experimenteert
nu in het kader van een door FOM (Stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie) gefinancierd project
met structuurbepaling door neutronen verstrooiing. Het project loopt tot 2004. Het projectteam bestaat uit
Theo Rekveldt, Wim Bouwman, Jeroen Plomp, Wicher Kraan, Oktay Uca en Serguei Grigoriev (stand
per 1 mei 2001).
Bij de conventionele manier van meten van verstrooiing van neutronen onder een kleine hoek moet de
neutronenbundel eerst heel nauwkeurig met diafragma's worden ingesteld. De neutronen uit de
reactorkern schieten namelijk alle kanten op. Door met diafragma's een rechtdoor gaande bundel in te
stellen, gaan veel neutronen verloren. Om nu de verstrooiingshoek te meten zonder de binnenkomende
richting van de neutronenbundel met diafragma's heel precies in te hoeven stellen, wordt bij IRI gebruik
gemaakt van een gepolariseerde neutronenbundel. 'Gepolariseerd' heeft te maken met het feit dat elk
neutron dat in een bundel uit de reactor komt, een magnetisch moment heeft: het is een heel klein
kompasnaaldje. Met behulp van magneetvelden kan de richting van de polarisatie worden veranderd: de
polarisatie kan rondjes beschrijven om de richting van het veld, de zogenaamde 'Larmorprecessie'. Zowel
op diverse plaatsen in het buitenland als op het IRI ontwikkelt men toestellen waarin over een bepaalde
lengte langs het bundelpad een magneetveld heerst om deze Larmorprecessie op te wekken.
Voor de toepassingen die men in de SESANS-groep op het oog heeft, moet de polarisatie wel 100010.000 rondjes maken. Dit betekent dat over een lengte van zeg, een meter, een magneetveld moet
worden opgewekt in de orde van 100-2000 maal de sterkte van het aardmagnetisch veld. In de bundel die
door het monster heen komt wordt een tweede precessie-toestel geplaatst, maar nu met een omgekeerd
veld. Halen de onderzoekers het monster weg, dan is het totaal aantal rondjes precies gelijk aan nul. Dit
heet 'spin echo'. Er is per saldo niets met de polarisatie gebeurd en de polarisatiegraad van de bundel is
onveranderd gebleven. Wordt het monster weer teruggezet, dan veroorzaakt de bovengenoemde
'uitwaaiering' dat een gegeven neutron in het tweede precessie-toestel een iets andere weglengte heeft dan
in het eerste. Het totaal aantal rondjes is niet precies nul en de bundel is gedepolariseerd geraakt. De mate
van depolarisatie kan mathematisch op simpele wijze met de korreligheid van het monster in verband
gebracht worden. In de resulterende formule is de veldsterkte in de precessietoestellen recht evenredig
met de lengteschaal waarop je in het monster kijkt. In deze evenredigheid schuilt het belang van de
SESANS-techniek. Want hoe sterker je de velden weet te maken, des te grotere lengteschaal je in het
monster kunt zien. Het tweede grote voordeel van SESANS is, dat je de invallende bundel minder 'fijn'
hoeft te maken. Zo bespaar je jezelf een factor 10-100 verlies aan neutronenintensiteit.
Stabieler >> Op het IRI en bij verschillende andere onderzoeksinstituten in de wereld ontwikkelt men
toestellen om Larmorprecessie op te wekken. Onderzoeker Wicher Kraan van de SESANS-groep, die
zichzelf bescheiden 'precessieboer' noemt, vertelt: "Een paar jaar geleden heeft men aangetoond dat je om
Larmorprecessie op te wekken een gepolariseerde neutronenbundel door een zogenaamde 'HF-flipper'
kunt laten lopen en de precessie door een tweede flipper weer kunt stoppen. Het is dan net of over de
afstand tussen de twee HF-flippers een magnetisch veld heerst dat tweemaal zo sterk is als het veld in de
flippers zelf. Zo'n HF-flipper bestaat uit een magneet waarin een spoel is geplaatst die een hoogfrequent
veld opwekt dat loodrecht staat op het veld van de magneet. Met dit hoogfrequente veld kun je het
magnetische moment omklappen van de neutronen die er doorheen komen. Daarvoor moeten wel
elektrische stromen van zo'n 10A bij 1 à 2 MHz opgewekt kunnen worden. In experimenten in mei vorig
jaar is gebleken dat zulke apparaten stabieler zijn dan de conventionele precessie-apparaten."
Volgens Kraan kan het IRI dankzij de SESANS techniek concurreren met conventionele SANSinstrumenten bij grote buitenlandse reactoren. En dat is nodig want volgens Kraan is er in de Nederlandse
'neutronengemeenschap' een tendens is om neutronenonderzoek in het buitenland te doen. "Naar mijn
mening worden de experimenten in Nederland onterecht verwaarloosd. Mijn stelling is: op den duur kan
Nederland niet meer meedraaien in de internationale gemeenschap als we niet zelf de kennis, ervaring en
het Fingerspitzengefühl dat in dit onderzoek nodig is, in huis en up to date houden." In dit verband vormt
de ontwikkeling van SESANS met daarin de 'HF-flippers' een zeer wezenlijke, om niet te zeggen
onmisbare, bijdrage aan het neutronenonderzoek in Delft, stelt Kraan vast.
Gehele neutronenspectrum >> De door IRI gebruikte 'HF-flippers' of High Frequency Power
Amplifiers zijn twee jaar geleden door DTO ontwikkeld.
Kraan: "In de zomer van 1999 benaderden we DTO met de vraag om vier versterkers te bouwen voor het
opwekken van sterke elektrische stromen bij een frequentie van 1 en 2 MHz in een spoel. Voorafgaand
aan die vraag hadden we hier al een paar jaar diverse voorproeven gedaan met verschillende eigenbouw
versterkers. Van een groep die in München vergelijkbaar onderzoek doet kregen we de schema's om hun
versterkers na te bouwen. Maar we kregen toch het gevoel dat we beter zelf aan de slag konden gaan om
een apparaat te ontwikkelen dat helemaal aan onze eisen zou voldoen. Het Duitse apparaat werkt maar op
één golflengte en wij wilden een apparaat dat op het gehele neutronenspectrum werkt. Aangezien onze
expertise vooral ligt op het gebied van het opstellen van een neutronenbundel en het aan de praat krijgen
van een onderzoeksopstelling, zijn we met de opdracht om HF-flippers te bouwen naar DTO gegaan." Het
zwaartepunt van de door DTO ontwikkelde flippers ligt bij de spoelen en de afstemunit. Om aan de eis
van een lineair hoogfrequent veld van 4mT te kunnen voldoen over een lengte van 60mm bij een effectief
oppervlak van 30 x 30mm2 en een totale maximale hoogte van 50mm, moet er bij een spoel van 20
wikkelingen 10A effectief lopen. Er is dan nog 100W vermogen nodig om dit te realiseren. Omdat de
spoel volledig opgesloten zit in een koperen afscherming en de volle 100W er in gedissipeerd wordt, is er
een geforceerde luchtkoeling nodig. De fabrikage van zo'n spoel is lastig want een luchtgewikkelde spoel
veert iets terug als hij van de doorn gehaald wordt. Bij een ronde spoel maakt dat niets uit, maar bij een
vierkante wel. Er zijn daarom vier hoeksteunen gemaakt waar met engelengeduld de spoel ingedraaid is.
Ook de versterkers zijn speciaal voor de belasting van deze afgeschermde kringen gemaakt.
Prettig en constructief >> Over de samenwerking met DTO tijdens de ontwikkeling en het functioneren
van deze speciale HF-apparaten in de praktijk is Kraan zeer te spreken. "Ik voel me een goed bediende
klant. Er is in alle fasen van het project prettig en constructief overleg geweest. In eerste instantie was de
vraag om versterkers te bouwen die de spoel voeden, maar later is ook het ontwikkelen van de spoel in de
opdracht meegenomen. Toen het prototype gereed was, hebben wij naar hartelust bij DTO kunnen
experimenteren en er zijn ook mensen van DTO hier op het IRI geweest. Over de nazorg heb ik geen
klachten. Er was laatst een probleem en dat is binnen 48 uur verholpen."