14 juli 2024

Astroblogs brengt een bezoek aan de cleanroom en het cryolab van de TU Delft

Het Andromedastelsel in het verre infrarood. Credit: ESA/NASA/JPL-Caltech/B. Schulz

Af en toe heb je van die situaties dat je je even waant in een film, dat je in een surrealistische omgeving verkeert waar dingen gebeuren die je alleen in de bioscoop ziet. Woensdagmiddag hadden collega-Astrobloggers Jan Brandt, Paul Bakker en ik dat gevoel. Op uitnodiging van David Thoen, cleanroom ingenieur bij de Terahertz Sensing groep (Micro Electronics, EWI), waren wij op bezoek bij de TU Delft, waar we werden rondgeleid in de cleanroom en vervolgens in het cryolab in één van de vele gebouwen die de TU rijk is. Een poosje terug had ik geblogd over de ontwikkeling door SRON en de TU Delft van de zogeheten Kinetic Inductance Detectors (KID’s), zeer gevoelige detectoren waarmee ze objecten in het heelal waar kunnen nemen die straling in het verre infrarood uitzenden (bij golflengtes tussen de 300 μm en 10 μm). Het was naar aanleiding van die blog dat Thoen ons uitnodigde, om ons precies te laten zien waar ze mee bezig zijn en hoe ze in die steriele omgeving in Delft producten ontwikkelen die in toekomstige telescopen worden gebruikt. Ze doen dat feitelijk al jaren en heel wat instrumenten die hier op de Astroblogs voorbij zijn gekomen, zoals DESHIMA, APEX en ALMA, zijn voorzien van detectoren die door SRON en de TU Delft zijn ontwikkeld.

Jawel, ze zijn geïdentificeerd, de mannen in witte pakken. In de machine waar we naast staan zijn de detectoren van Herschel’s Hifi gemaakt.

Een cleanroom ga je niet binnen met je alledaagse sloffen, spijkerbroek en T-shirt. Het heilige der heilige der microtechniek kom je alleen binnen via een corridor waar je je om kunt kleden met een wit pak, dubbele bescherming om de schoenen, handschoenen en hoofdbedekking. Daarna betreed je pas de cleanroom, waar een constante overdruk heerst en vele onderzoekers bezig zijn met hun werk. Nou ja cleanroom, zeg maar gerust cleanafdeling, want waar we in beland waren daar kon je verdwalen in de hoeveelheid cleanrooms. Overal stonden grote en ingewikkeld ogende apparaten opgesteld, soms vele miljoenen per stuk waard, die gebruikt werden om met technieken zoals ‘reactive magnetron sputtering, wet and dry etching techniques, optical and electron beam lithography, scanning electron microscopy’ – jawel mensen, ik verzin het niet – supergevoelige detectoren te ontwikkelen.

Deze kwam ook nog voorbij zeilen tijdens het werkbezoek aan de TUD: een zogeheten actuator voor de Extremely Large Telescope (ELT) in Noord-Chili, die ze nu aan het bouwen zijn, ontwikkeld in door TNO in Delft. Deze stond in de hal bij de cleanroom van de TU Delft.

Waar het kortgezegd op neer komt is dat ze in de cleanrooms met wafers werken, dunne plakken monokristallijn halfgeleidermateriaal, bijvoorbeeld silicium, waarop geïntegreerde schakelingen geconstrueerd worden. Die wafers worden als het ware gebakken en voorzien van de IC’s – Thoen noemde zich niet voor niets de duurste bakker van de wereld. De Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID’s) waren het nieuwste product van de groep van Thoens en de bedoeling is dat die gebruikt gaan worden in toekomstige ruimtetelescopen, zoals NASA’s Origins Space Telescope (OST) missie.

HIFI. Credit: ESA.

Die missies zullen niet de eerste zijn die in het verre infraroodgebied van het elektromagnetische spectrum gaat kijken. Nee, de James Webb Space Telescope kan het niet, die kijkt met z’n instrumenten naar het nabije en mid-infrarood. Wie het wel kon was de Europese Herschel satelliet (2009-2013), die met z’n HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared) die straling kon zien – zie de foto hierboven. Ook díe detectoren kwamen uit de cleanrooms van SRON en TU Delft. Wellicht dat je je afvraagt waarom de sterrenkundigen per sé ook in dat gebied van het spectrum willen kijken. Welnu het antwoord is simpel: sinds de oerknal is pakweg de helft van alle energie die geproduceerd is te vinden in het verre infrarood, een nauwelijks onontgonnen gebied van het spectrum. Dáárom zijn nieuwe technieken zoals de MKID’s zo belangrijk. En met hun gevoeligheid – de MKID’s kunnen de warmte voelen van een kaars die op de maan brandt – zijn ze vele ordes van grootte beter dan de detectoren van Herschel/HIFI.

Na alle tekst en uitleg in de cleanrooms (waar we met gemak een hele dag hadden kunnen bivakkeren) konden we de ruimtes verlaten en onze witte pakken weer uittrekken. Het volgende doel was het Cryolab, een laboratorium in een ander TU-gebouw, waar ze temperaturen kunnen bereiken tot net boven het absolute nulpunt (-273°C, 0K). Willen detectoren infraroodstraling kunnen waarnemen dan moeten ze flink afgekoeld worden. Het (mede in Nederland gebouwde) MIRI instrument van Webb is gekoeld tot 7K, da’s -266 °C. Voor MKID’s is dat te warm, die moeten tot maar liefst 4K gekoeld worden, dus -269°C. Het testen van de detectoren doen ze in dat Cryolab, waar ze met vloeibaar Helium-3 de boel tot de gewenste temperatuur weten te brengen, op de foto hierboven zie je op de achtergrond met die goudkleurige schijven het koelingsinstrument die dat kan, een cryostaat die zelfs tot 20 mK kan worden afgekoeld. Wij staan op de foto te kijken naar Thoen die uitleg geeft over een testbank, die gemaakt is door Thoen en zijn collega’s van SRON en TU Delft.

Voorstelling van sterrenstelsels in het tijdperk van de reïonisatie. Credit: M. Alvarez, R. Kaehler, and T. Abel/ESO

Toekomstige telescopen uitgerust met de MKID’s willen ze in gaan zetten om verder het heelal in te kijken dan ze nu doen, verder zelfs dan de Webb ruimtetelescoop, die in het nabije en midinfrarood kijkt. Met de detectie van de eerste generatie sterren (de zogeheten populatie III sterren) willen ze daarmee meer te weten komen over de reïonisatiefase in het heelal (zie de afbeelding hierboven), de fase die begon met het moment van het ‘laatste oppervlak van de verstrooiing‘, dat 380.000 jaar na de oerknal plaatsvond en dat duurde tot een paar honderd miljoen jaar na de oerknal. Door in het verkregen spectrum van de sterren(-stelsels) te zoeken naar herkenbare emissielijnen, zoals van koolstof (C), kunnen ze de roodverschuiving bepalen.

David Thoen bij een poster waarop de werking van de MKID’s wordt uitgelegd.

Afijn, het was een geweldig en leerzaam bezoek dat we mochten brengen aan de TU Delft. David, bedankt voor de rondleiding! En mochten er nieuwe ontwikkelingen zijn dan hopen we meer van je te horen.

Share

Speak Your Mind

*