Deeltjesbombardement: materie beschieten om haar te begrijpen en te veranderen
Deeltjesbombardement is het gericht beschieten van een materiaal met subatomaire deeltjes, zoals protonen, neutronen, elektronen of ionen, om iets in dat materiaal te veranderen of te meten. De deeltjes worden versneld tot hoge snelheid en vervolgens op een doelwit afgevuurd, vergelijkbaar met zandstralen, maar dan met deeltjes die duizenden keren kleiner zijn dan een atoom en met veel meer energie. Waar zandstralen alleen het oppervlak bewerkt, dringen deze deeltjes door tot diep in het materiaal en kunnen ze de opbouw ervan op atomair niveau wijzigen.
Het klinkt exotisch, maar deeltjesbombardement zit al decennia verweven in alledaagse technologie. De chip in een smartphone is tijdens de fabricage met ionen bestookt om er een halfgeleider van te maken. Satellieten worden vóór lancering bestraald om te testen of hun elektronica bestand is tegen kosmische straling. En in ziekenhuizen wordt een protonenbundel op tumoren gericht om kankercellen te vernietigen zonder omliggend weefsel te veel te beschadigen. Eén basisprincipe, drie totaal verschillende toepassingen.
Wat is het precies?
De basis is een deeltjesversneller: een apparaat dat geladen deeltjes met elektrische en magnetische velden op hoge snelheid brengt. Dat kan een kleine, compacte versneller zijn zoals gebruikt in de chipindustrie, of een gigantische ringvormige machine zoals de Large Hadron Collider bij CERN. De versnelde deeltjes worden vervolgens op een doelwit gericht: een siliciumplak, een stuk metaal, levend weefsel of een elektronische component.
Wat er gebeurt bij inslag hangt af van het type deeltje, de energie en het doelmateriaal. Bij lage energie blijven de deeltjes steken vlak onder het oppervlak en veranderen ze lokaal de samenstelling, dit heet ionimplantatie en wordt gebruikt om silicium geleidend te maken op precies de plekken waar dat nodig is. Bij hogere energie stoten deeltjes atomen uit hun rooster, waardoor er kleine defecten ontstaan; dit heet stralingsschade en wordt juist gebruikt om te testen hoe robuust een materiaal is. Bij nog hogere energie kunnen deeltjes de atoomkern zelf raken en die veranderen in een ander element, een proces dat transmutatie heet en gebruikt wordt om medische isotopen te maken.
Belangrijk is dat de effecten heel precies te sturen zijn. Door de energie, de deeltjessoort en de bestralingsduur te kiezen, bepalen onderzoekers hoe diep de deeltjes doordringen en hoeveel schade of verandering ze veroorzaken. Dat maakt deeltjesbombardement zowel een productietechniek als een meetinstrument.
Wat wil men ermee bereiken?
De doelen verschillen sterk per vakgebied, maar er zijn drie hoofdlijnen. Ten eerste: materialen bewust veranderen. Ionimplantatie maakt het mogelijk om halfgeleiders te fabriceren met exact de elektrische eigenschappen die een chipontwerp vereist, iets wat niet met chemische processen alleen te bereiken is met dezelfde precisie.
Ten tweede: materialen testen op weerbaarheid. Elektronica in satellieten, kerncentrales of fusiereactoren moet jarenlang standhouden tegen straling die je op aarde niet kunt nabootsen zonder een deeltjesversneller. Door componenten vooraf te bombarderen met protonen of neutronen, ontdekken ingenieurs zwakke plekken voordat een systeem daadwerkelijk de ruimte in gaat of in een reactor wordt geplaatst.
Ten derde: nieuwe stoffen maken of ziektes bestrijden. Door atoomkernen te bombarderen ontstaan radioactieve isotopen die worden gebruikt in medische scans en behandelingen. En bij protonentherapie wordt de bundel juist gebruikt om tumorweefsel gericht te vernietigen, met minder schade aan gezond weefsel dan bij traditionele bestraling met röntgenstraling.
Voorbeelden uit de praktijk
Een aantal concrete projecten laat zien hoe breed het toepassingsgebied is.
- Ionimplantatie in de chipindustrie: al sinds de jaren zeventig een standaardstap bij de productie van vrijwel elke computerchip. Bedrijven als Applied Materials en ASML leveren apparatuur die hiervoor wordt gebruikt in fabrieken van onder meer TSMC en Intel.
- HollandPTC in Delft: sinds 2018 in gebruik als protonentherapiecentrum, waar patiënten worden behandeld met protonenbundels; een samenwerking tussen Erasmus MC, LUMC en TU Delft.
- CERN-testfaciliteiten: bij het Europese onderzoekscentrum CERN worden faciliteiten zoals CHARM en HiRadMat gebruikt om elektronica en materialen te bombarderen met deeltjesbundels, om te simuleren wat er gebeurt in de ruimte of in een deeltjesversneller zelf.
- De Pallas-reactor in Petten: de nieuwe Nederlandse onderzoeksreactor die de verouderde Hoge Flux Reactor moet vervangen, bombardeert doelmaterialen met neutronen om medische isotopen te produceren voor kankerdiagnostiek en -behandeling wereldwijd. Het project is in aanbouw en wordt getrokken door NRG in samenwerking met de Nederlandse overheid.
- IFMIF-DONES: een internationale faciliteit in aanbouw bij Granada, Spanje, specifiek bedoeld om materialen te bombarderen met hoogenergetische neutronen zoals die in toekomstige kernfusiereactoren zullen voorkomen, iets wat met bestaande reactoren niet goed na te bootsen is.
Hoe ver is de techniek?
Dit varieert enorm per toepassing. Ionimplantatie voor chips is een volledig volwassen, industriële technologie die al tientallen jaren op grote schaal wordt toegepast en nauwelijks nog als bijzonder wordt gezien, hoewel de precisie steeds verder toeneemt naarmate chipstructuren kleiner worden.
Protonentherapie is klinisch bewezen en in gebruik in tientallen centra wereldwijd, maar nog altijd duur en minder wijdverspreid dan reguliere bestraling; onderzoek naar welke patiëntgroepen het meeste baat hebben loopt nog door.
Stralingstests voor ruimtevaart en kerntechniek zijn eveneens gangbare, gestandaardiseerde procedures, maar de vraag naar testcapaciteit groeit sneller dan het aantal beschikbare faciliteiten, wat wachttijden oplevert voor onderzoekers en bedrijven.
Het meest onvolwassen is het testen van materialen voor kernfusie. Faciliteiten zoals IFMIF-DONES zijn nog in aanbouw en de bouw heeft al vertraging opgelopen ten opzichte van eerdere planningen, mede door de complexiteit en internationale financiering. Zonder zulke faciliteiten is het moeilijk om zeker te weten of materialen voor toekomstige fusiereactoren decennia lang bestand blijven tegen de extreme neutronenstroom die zo'n reactor produceert, en dat blijft een reëel knelpunt voor de hele fusiesector.
Wie werken eraan?
De sector is versnipperd over industrie, ziekenhuizen en onderzoeksinstellingen. In de halfgeleiderindustrie zijn Applied Materials, ASML en chipfabrikanten als TSMC en Intel de grote spelers op het gebied van ionimplantatie. Op het gebied van deeltjesfysica en testfaciliteiten is CERN in Zwitserland een centrale speler, samen met nationale laboratoria zoals het Duitse GSI en het Amerikaanse Fermilab.
In Nederland is NRG (Nuclear Research and consultancy Group) verantwoordelijk voor de Pallas-reactor in Petten, in samenwerking met het ministerie van Economische Zaken. HollandPTC in Delft combineert onderzoek van TU Delft met klinische zorg van Erasmus MC en LUMC. Op het gebied van fusiematerialen werkt de Europese organisatie Fusion for Energy (F4E) samen met internationale partners aan IFMIF-DONES, in de context van het bredere ITER-fusieproject.
Daarnaast speelt het Internationaal Atoomenergieagentschap (IAEA) een coördinerende rol bij veiligheidsnormen en kennisuitwisseling rond stralingstoepassingen wereldwijd.