Een cyclotron is een speciaal type deeltjesversneller voor onderzoek naar vooral de wat zwaardere fundamentele deeltjes. Het apparaat heeft geen 27 kilometer lange versneller-ring zoals de Large Hadron Collider van CERN, maar werkt met een soort elektromagnetische 'centrifuge' waarmee de te bestuderen deeltjes in een spiraal kunnen worden weggeschoten.
AGOR (Accelerator Groningen-Orsay) is een van de grootste cyclotrons ter wereld, en het enige exemplaar met een volledig supergeleidend systeem. Het apparaat - opvolger van het oude cyclotron van het KVI - is ontwikkeld voor de bestudering van zowel lichte ionen en protonen als zware ionen. De bouwkosten, 40 miljoen gulden, worden betaald door de Nederlandse Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en het Franse Institut de Physique Nucléaire et de Physique des Particules in Orsay.
Versnelling
Het nieuwe cyclotron bestaat uit een met vloeibaar helium gekoelde hoogvacuüm-trommel die gekoppeld is aan twee condensatoren en een grote supergeleidende niobium-titaan magneet (veldsterkte 1.7 tot 4 Tesla). De combinatie van magneetveld en elektrisch veld (wisselspanning) versnelt de door een elektronenkanon weggeschoten deeltjes in een spiraalvormige baan.
De magneet dwingt de deeltjes via de Lorentzkracht eerst in een cirkelvormige baan. Wanneer de deeltjes echter een halve cirkel hebben doorlopen geeft een door de condensatoren opgewekt elektrisch veld ze een extra versnelling. Daardoor wordt de volgende halve cirkel iets groter, waarna het inmiddels omgepoolde elektrisch veld opnieuw een extra versnelling geeft, waardoor de halve cirkel weer ruimer wordt, et cetera.
Een speciaal afbuigingssysteem vangt de op deze manier in een spiraalvormige baan versnelde deeltjes al binnen de trommel op en leidt ze vervolgens vanuit de 'centrifuge' naar de plek van het botsingsexperiment. Dat afbuigingssysteem bestaat uit een elektrostatische deflector, twee extractie-magneetsystemen (één conventioneel, één supergeleidend), en een focusseermodule van twee quadrupoolmagneten die de deeltjes verder bundelt.
Het eerste extractie-systeem (EMC 1, Electro-Magnetic Channel) bestaat uit een conventionele kopermagneet, want het bevindt zich middenin de trommel van het cyclotron, waar de optredende straling te hoog is voor supergeleidende magneten en geen afschermend schild kan worden toegepast.
Het aan de UT ontwikkelde tweede extractie-systeem (EMC 2) is wel supergeleidend. Het bestaat uit twee licht gekromde eenheden van 30 cm lengte met daarin drie eveneens gekromde magneetspoelen van niobium-titaan, die in de lengterichting het hoogvacuüm kanaal omsluiten waar de deeltjes doorheen worden gejaagd. De magneten worden door een eigen cryostaat met vloeibaar helium gekoeld. Het kanaal wordt eveneens gekoeld omdat de temperatuur erin anders te hoog zou oplopen, wat de supergeleidende werking van de magneten teniet zou doen. Daarom is het ook bekleed met een stralingsschild.
Een speciale feature van het tweede extractiesysteem is dat het verstelbaar is. Het moet namelijk exact aangepast kunnen worden aan de baan die een specifiek deeltje moet volgen bij het verlaten van het cyclotron, endie afhankelijk is van het gewicht van dat deeltje. De twee magneeteenheden zijn daarom onderling scharnierend. Met behulp van een speciaal geconstrueerd arm-mechanisme kunnen ze zo tegenover elkaar worden versteld.
Het ontwerp van het Twentse extractie-systeem werd gemaakt door ir. H. Knoopers, ing. H. Krooshoop en dr. H. ten Kate (Toegepast Onderzoek der Materie/Lage Temperaturen). Bij de realisatie was naast het Interfacultair Mechanisch Centrum (IMC) ook de werkplaats van het Nederlands Instituut voor Kern- en Hoge Energie Fysica (NIKHEF) in Amsterdam betrokken. Leybold Nederland bv in Woerden (pomp- en vacuümtechniek) leverde de speciale cryostaat. Totale kosten van het systeem: 380 duizend gulden.
Waarom werd de UT ingeschakeld voor dit specifieke onderdeel van het cyclotron? Ten Kate: 'Bij het bouwen van een cyclotron wordt vooral gebruik gemaakt van tamelijk conventionele technologie. Maar deze extractie-unit was een nieuw, hoogst experimenteel element. Dat vergde het nodige extra onderzoek. Als je zo'n karwei uitbesteedt aan de industrie, ben je bovendien als opdrachtgever erg duur uit.' Het gaat overigens maar om een klein onderdeel van het hele AGOR-project, benadrukt Knoopers.
Consortium
Het leeuwedeel van het cyclotron (waaronder de grote supergeleidende magneet) werd gebouwd door een Italiaans consortium (INFN, Ansaldo en LMI). Weliswaar had ook een Nederlandse groep (Smit-Nijmegen, De Schelde, Leybold) een offerte gedaan, maar deze bleek te prijzig, zegt Ten Kate. Dat resulteerde volgens hem in versterking van een toch al bestaande Nederlandse 'frustratie'. 'De Italianen zijn heel agressief in het binnenhalen van dit soort prestigieuze projecten. Ze werken bijna onder de prijs.'
Het plan voor AGOR dateert van medio jaren tachtig. De UT-groep werkte in 1991-1992 aan de ontwikkeling van de extractiemagneten, waarna Leybold aan de slag ging met de cryostaat. Voorjaar 1994 werd de complete extractie-unit in Orsay in de door de Italianen gebouwde hoofdconstructie ingebouwd en met succes getest. Eind vorig jaar werd de AGOR ontmanteld en in stukken naar Groningen verhuisd om daar sindsdien weer te worden opgebouwd. Komende maand beginnen de eerste experimenten. AGOR zal waarschijnlijk dit najaar officieel worden geopend (drie jaar later dan gepland).
