Detector R&D

 

Het beantwoorden van grote vragen in de elementaire deeltjesfysica vereist baanbrekende experimenten. Het Detector R&D-programma van Nikhef is erop gericht om instrumentatieconcepten te bedenken en te testen voordat deze worden geïmplementeerd in wetenschappelijke programma’s van Nikhef.

Halfgeleiderdetectoren en uitleeselectronica

Deeltjesdetectoren hebben een steeds grotere granulariteit nodig en daarom wordt steeds meer gebruik gemaakt van indeling in pixels. Nikhef is actief betrokken bij het ontwerpen en uittesten van pixeldetectoren en uitleeschips. Vanwege de complexiteit van dergelijke chips werkt het instituut bij het ontwerpen samen met andere instituten en universiteiten.

Rond 2005 begon Nikhef met de ontwikkeling van elektronica waarmee de aankomsttijd van deeltjes in de pixels van de detector met grote nauwkeurigheid gemeten kan worden. De Timepix3-chip, beschikbaar sinds de tweede helft van 2013, is het nieuwste lid van de succesvolle pixelchipfamilie. Dit stralingsharde geïntegreerde circuit bestaat uit 60.000 pixels en is ontwikkeld in samenwerking met CERN en de Universiteit van Bonn. De resolutie waarmee de aankomsttijd van deeltjes wordt bepaald (1,56 ns) is ten opzichte van de vorige versie van de Timepix-chip verbeterd met bijna een factor 10, wat een grote verbetering betekent in de z-resolutie van gasdetectoren (zie volgende paragraaf). Wat ook nieuw is aan de chip, is dat het in iedere pixel tegelijkertijd de aankomsttijd en de energie van deeltjes kan meten. Momenteel maken de onderzoekers plannen voor een nieuwe generatie van uitleeschips met een tijdsresolutie van minder dan 100 picoseconde. De ontwikkelingen op weg naar intelligentere uitleeschips voor deeltjesdetectoren worden ook toegepast op röntgenbeeldvorming.

Gasdetectoren

De gasdetectoren die bij Nikhef ontwikkeld worden, bestaan uit uitleeschips op basis van pixels met daar bovenop een geïntegreerde gasversterkingsgrid. Dit soort detectoren maakt het mogelijk om de weg die de ioniserende straling door het gas heeft afgelegd in drie dimensies te reconstrueren. De x/y-positie wordt bepaald door de pixelmatrix en de z-positie door de aankomsttijd van de lading afkomstig van de ioniserende straling. De detector is gebaseerd op de fijn-gegranuleerde Timepix-chip die de aankomsttijd van inkomende signalen registreert. Vanwege de kleine afmetingen van de afzonderlijke pixels (55 x 55 μm2) kan deze detector individuele elektronen onderscheiden die vrijkomen wanneer een geladen deeltje het gas doorkruist. Een dergelijke detector die de afgelegde weg van een geladen deeltje in gas kan reconstrueren door alle informatie van het ionisatiespoor te verzamelen, heeft allerlei toepassingen en zal verder ontwikkeld worden voor een tijdprojectiekamer (TPC) bij de International Linear Collider (ILC) die momenteel ontworpen wordt.

In 2014 presenteerden Nikhef-onderzoekers de meest nauwkeurige gas-pixeldetector ooit voor het bepalen van de positie van individuele ionisatie-elektronen. Dit heeft geleid tot een verbetering in de nauwkeurigheid waarmee de hoek (2,5 graden) en positie (10 μm in het x/y vlak) van geladen deeltjes kan worden gereconstrueerd.

Ultrasnelle fotondetectoren

In 2013 stelde Nikhef-onderzoeker Harry van der Graaf een nieuw soort fotonendetector voor, gebaseerd op Micro-ElectroMechanische Systemen (MEMS) technologie, met als doel om een tijdsresolutie van minder dan een picoseconde te realiseren. Het verschil tussen een traditionele fotoversterkerbuis en deze nieuwe detector zit in de aard van de dynodes. Waar een fotoversterkerbuis reflecterende dynodes heeft, richt dit onderzoek zich op doorlatende dynodes die op elkaar gestapeld worden. Dit vereenvoudigt het ontwerp en reduceert de afmetingen van de detector tot die van een enkele pixel (55 x 55 μm2). Hierdoor zijn ook de nauwkeurigheid van de tijdsmeting en de gevoeligheid voor magnetische velden verbeterd. De grootste uitdaging ligt in de fabricage van ultradunne doorlatende dynodes met voldoende opbrengst aan secundaire elektronen (Secondary Electron Yield) bij primaire elektronen met lage energie, d.w.z., een opbrengst van 4 elektronen bij 500 eV.

Xenondetector

In de afgelopen jaren hebben Nikhef-onderzoekers een kleine twee-fase xenon-tijdprojectiekamer (TPC) ontworpen, gebouwd en gebruikt. Het project, met de naam XAMS, geeft onderzoekers de mogelijkheid om nieuwe detectietechnieken te testen in een xenondetector en om de algemene eigenschappen van xenon te onderzoeken. Dit is van belang voor de analyse van data afkomstig van donkere-materie-detectoren zoals XENON100 en XENON1T. Een neutronenbron wordt momenteel aangeschaft. De neutronen maken het mogelijk om XAMS te gebruiken om kernterugslag waar te nemen – hetzelfde signaal als verwacht wordt van botsingen van zogenaamde weakly interacting massive particles (WIMPs). De nieuwe bron vormt een aanvulling op Nikhef’s gammabronnen.

Trillingssensoren

Onderzoekers van Nikhef spelen – buiten CERN – een leidende rol in het onderzoek naar zwaartekrachtsgolven. Deze minuscule rimpelingen in de ruimtetijd vereisen geavanceerde instrumenten met extreme gevoeligheid. Sinds de eerste directe detectie van een zwaartekrachtsgolf in september 2015, willen natuurkundigen hun faciliteiten nog gevoeliger maken. Daarbij moet zogeheten gravity gradient noise, een dominante ruisbron bij lage frequenties, worden gemeten, om daarvoor te kunnen corrigeren. Dit vereist de ontwikkeling van zeer gevoelige trillingssensoren en laagvermogen uitleeselektronica met extreem lage ruis. Deze ontwikkelingen passen binnen de Topsector High Tech Systemen & Materialen (HTSM). Nikhef is in 2011 met onderzoek gestart om een innovatieve trillingssensor te ontwerpen met zogeheten micro-elektromechanische (MEMS) technologie. Binnen de Topsector HTSM is in 2014 een onderzoeksvoorstel van Nikhef, in samenwerking met de Universiteit Twente, gehonoreerd om deze sensor uit te lezen met geïntegreerde micro-elektronica. Toekomstige gebruikers van deze technologie en partners in dit project zijn Shell, halfgeleider multinational STMicrolectronics en de Nikhef start-up Innoseis.

Industriële samenwerking

Het beantwoorden van grote vragen in de elementairedeeltjesfysica vereist baanbrekende experimenten. Het Wetenschappelijke Instrumentatieprogramma van Nikhef is erop gericht om instrumentatieconcepten te bedenken en te testen voordat deze worden geïmplementeerd in de wetenschappelijke programma’s van Nikhef.

Nikhef werkt op verschillende manieren samen met de industrie. Voor het verbeteren van instrumentatie in bestaande experimenten of voor het maken van nieuwe experimentele opstellingen wordt er op de vlakken van detectietechnieken, elektronica en mechanica voortdurend nieuwe technologie ontwikkeld. Om tot een nieuw systeem te komen, wordt vaak ergens in de keten een beroep gedaan op de industrie. De meest voorkomende en eenvoudige manier is om bepaalde onderdelen in te kopen. Echter, voor de zeer specialistische systemen die Nikhef gebruikt, voldoen standaardoplossingen vaak niet. In deze gevallen maken Nikhef onderzoekers zelf de benodigde onderdelen, als het gaat om zeer kleine aantallen. Is het duidelijk dat er vele onderdelen gemaakt moeten worden, dan ligt samenwerking met de industrie voor de hand omdat zij beter uitgerust zijn om grote aantallen te maken. In het ideale geval wordt er vanaf het begin van de ontwikkeling van een nieuw onderdeel nauw samengewerkt tussen de ontwerpers van Nikhef en hun industriële evenknieën. Op deze manier wordt er samen geleerd en is de industriële partner precies op de hoogte van de eisen die er aan het onderdeel gesteld worden. Dit leidt dan uiteindelijk tot de productie van dit onderdeel door de industrie.

Een andere belangrijke tak is het inpassen van technieken, die door of samen met Nikhef zijn ontwikkeld voor verschillende experimenten, in apparatuur van bedrijven, die deze dan weer verkopen. Een voorbeeld hiervan is de Medipix2 chip die sinds een tiental jaren in röntgendiffractie-apparatuur van PANalytical wordt verkocht.  Het spin-off bedrijf Amsterdam Scientific Instruments, dat vanuit Nikhef is opgericht, verkoopt op basis van dezelfde Medipix2 chipsystemen producten in verschillende andere applicatiegebieden. Deze zijn vaak door de Nikhef Instrumentatiegroep ontwikkeld in samenwerking met andere instituten. Voorbeelden hiervan zijn het met behulp van massaspectrometrie detecteren van verschillende eiwitten die bijvoorbeeld in kankerweefsels zitten. Ook het bestuderen van gevoelige eiwitten en kristallen met elektronenmicroscopie is zo’n voorbeeld.

De samenwerking met industrie gaat nog een stap verder als Nikhef en bedrijven gedeelde belangen hebben in de ontwikkeling van detectiesystemen. In dergelijke gevallen dienen Nikhef en de bedrijven gezamenlijke onderzoeksvoorstellen in. Hierbij wordt geprobeerd om in goed overleg specificaties te realiseren die zowel noodzakelijk zijn voor toekomstige experimenten bij Nikhef als door de bedrijven gebruikt kunnen worden om nieuwe mogelijkheden in hun productfamilie te scheppen.

Medische beeldvormingsystemen

Het aantal mensen dat tot vijf jaar leeft na de diagnose kanker neemt snel toe. Veel van hen hebben echter last van de (lange-termijn) bijwerkingen van de kankerbehandeling in het algemeen en de (conventionele) radiotherapie in het bijzonder. Radiotherapie met behulp van protonenbundels kan hier een verschil maken. Deze vorm van radiotherapie wordt binnenkort in Nederland geïntroduceerd. In vergelijking met conventionele radiotherapie maakt protonentherapie het mogelijk om de stralingsdosis terecht te laten komen in een volume zo klein als een erwt, waardoor de dosis in gezonde organen, klieren of zenuwen rondom de tumor verminderd wordt. Door dergelijke onbedoelde schade te voorkomen, kan de kwaliteit van leven verbeterd worden. Voor kanker in het hoofd-halsgebied kan dit het verschil betekenen tussen het behouden en het verliezen van gezichtsvermogen, spraakvermogen of slikvermogen. In sommige gevallen van borstkanker kan het risico op hartschade aanmerkelijk verminderd worden.

Nikhef-onderzoeker Els Koffeman ontwikkelt technieken, experimentele methodes en instrumenten die de intrinsieke voordelen van de protonenprecisie uitbuiten en versterken. Haar werk richt zich op nieuwe en nauwkeurigere beeldvormingstechnieken: spectrale CT-scans en protonenradiografie; het effent het pad naar een werkelijk nieuwe experimentele benadering op basis van ‘slimme’ pixeldetectoren. Het doel is om, door middel van een snelle scan, gegevens te verkrijgen over de weefselsamenstelling van een patiënt, die gebruikt kunnen worden tijdens de protonentherapiebehandeling.

Gegeven de expertise, hoopt de Wetenschappelijke Instrumentatiegroep van Nikhef een serieuze partner te worden op het gebied van medische beeldvormingstechnieken. Op het vlak van mammografie werkt de groep samen met Andre Mischke (Universiteit van Utrecht) en het Universitair Medisch Centrum Utrecht (UMCU), op het vlak van protonenradiografie met Sytze Brandenburg (Universiteit van Groningen) en anderen.

Beeldvorming met behulp van muonen

Hoog in de atmosfeer van de aarde creëert kosmische straling een lawine van secundaire deeltjes, die in grote aantallen en met bijna de snelheid van het licht het aardoppervlak bombarderen. In 1936 ontdekte C.D. Anderson in zo’n lawine het muon. Dit deeltje is eigenlijk het zware neefje van het elektron. Hoogenergetische muonen kunnen veel dieper in materie doordringen dan elektronen en fotonen. De precieze penetratiediepte hangt af van de energie van ieder individueel muon en de materiaaleigenschappen. Een kosmisch muon heeft een gemiddelde energie van 4 GeV (in natuurkundige energie-eenheden) en wordt gestopt door 4 meter staal of 12 meter steen. Muonen met minder energie worden al eerder gestopt, muonen met meer energie dringen dieper door. Aangezien de energieverdeling en flux van de kosmische muonen die de aarde bereiken zeer nauwkeurig bekend zijn, is het mogelijk om de hoeveelheid materiaal boven een muonendetector te bepalen door de afname in flux te meten.

Het idee is om gebruik te maken van kosmische muonen in combinatie met een slimme detectoropstelling om het binnenste van een hoogoven tijdens staalproductie in kaart te brengen. In de praktijk houdt dit in dat de muonenflux door een tweetal muonendetectoren gemeten wordt langs meerdere zichtlijnen die dwars door de oven lopen. Zo kunnen de verwachte en gemeten muonenfluxen vergeleken worden om daarmee de hoeveelheid staal langs iedere zichtlijn te bepalen. Door veel metingen te doen, wordt een gedetailleerd beeld verkregen van het staal/coke-verhouding binnen in een hoogoven – een getal dat tot dusver niet erg precies bekend is.

Programmaleider Detector R&D