SRON - Verzonken tralies

De canon "Vijftig jaar Nederlands ruimteonderzoek" is opgesteld in 2012.

Friday Jan 17th, 2020

Verzonken tralies: Gedetailleerde spectra met compacte instrumenten

Uitdaging

Het onderzoek naar de samenstelling van de aardse atmosfeer is mede afhankelijk van satellietwaarnemingen. Satellieten bieden verschillende voordelen. Ze kunnen metingen doen waar geen aardse grondstations zijn (oceanen, afgelegen gebieden), en het is mogelijk om de totale luchtkolom te onderzoeken. Anders dan vloeistoffen (water) of vaste stoffen, hebben atmosferische gassen een gedetailleerde spectrale vingerafdruk. Daarom is het nodig spectra ook gedetailleerd te meten. Tegelijkertijd moet er ook worden gemeten met voldoende beeldscherpte. Want alleen dan kun je het ontstaan en de ontwikkeling van gasbronnen goed bestuderen.

Om minimaal dagelijks de gehele aarde te kunnen meten vanuit een lage omloopbaan, moet de spectrometer een brede strook van het aardoppervlak aftasten. Voor de ESA Sentinel-5 missie heeft deze strook een breedte van 3000 km. Daarbinnen moet de beeldscherpte in de orde van enkele kilometers zijn. Met meer satellieten kunnen behalve dagelijkse veranderingen ook veranderingen op uurbasis worden vastgesteld. Voor fluorescentiemetingen is een strookbreedte van 100 km van belang en een ruimtelijk oplossend vermogen van enkele honderden meters. De combinatie van eisen – ruimtelijk en spectraal gedetailleerd meten, en de breedte van de aftaststroken – zijn problematisch voor een spectrometerontwerp. Verzonken tralies (immersed gratings) zijn een oplossing voor dit dilemma.
Lees meer: aardobservatieIn het nabije (kortgolvige) infrarood zijn spectrale vingerafdrukken van zuurstof van belang omdat je daarmee gegevens verkrijgt over wolken, stof en de atmosferische druk. Een belangrijk stuk in het spectrum is de zogeheten zuurstof-A band. Die ligt tussen 750 en 775 nanometer golflengte (nm). Samen met een andere band (zuurstof-B) zijn de metingen ook van belang om te kijken naar vegetatie, en dus naar de fotosyntheseprocessen. Het kortgolvige infrarood (Short Wave InfraRed – SWIR) loopt van 1000 tot 2500 nm en is verder belangrijk omdat je daar naar broeikasgassen kunt kijken, zoals methaan, koolstofmonoxide en koolstofdioxide.
Lees meer: ontwerpeisen spectrometerZowel de telescoopopening, het transmissietralie en de verdere optica, ‘groeien uit het pak’ als je bij de 'oude technologie' blijft. Het instrument wordt dan te groot, te zwaar, te complex en dus te kostbaar voor de geplande missie. Meer in detail spitst het probleem zich toe op het tralie waarmee het spectrum wordt gemaakt. Bij gangbare transmissietralies is de vereiste invalshoek 25 tot 30 graden en bedraagt de dispersie (een maat voor hoe sterk het tralie de straling uiteenrafelt) ongeveer 0,08 graden per nanometer. Dit vereist een lange lichtweg om bij de detector voldoende spectrale details te kunnen zien. Om dat te bereiken is er een groot stelsel van optische elementen nodig om de lichtwegen ‘op te vouwen’. Het kost extra massa, complexiteit (uitlijnen, stabiel houden) en volume.

Doorbraak

Er zijn belangrijke verschillen tussen gangbare transmissietralies en verzonken tralies: de laatste hebben een aanzienlijk hogere dispersie (ongeveer driemaal zoveel) en een hogere invalshoek voor de straling (50 tot 60 graden). De benodigde lengte van de lichtwegen is veel korter en dat scheelt veel volume en massa (bijna 9x minder) voor het instrument. Dit heeft gevolgen voor de totale kosten (gaan omlaag) en de betrouwbaarheid (gaat omhoog) van de spectrometers. Hoe is deze geweldige stap tot stand gekomen?

Een verzonken tralie bestaat uit een prisma, waarbij aan de binnenkant van een zijde van het prisma het lijnenpatroon is aangebracht voor de breking van het licht. Met de eigenschappen van een prisma is het, via interne reflectie aan de binnenkant, mogelijk om een hoge invalshoek te combineren met een zijwaartse uittrede van de gebroken straling. Het maken van een verzonken tralie gaat, in kort bestek, als volgt. Eerst wordt het lijnenpatroon van het tralie aangebracht op een plaat silica (siliciumoxide, speciaal kwarts). Dat gebeurt met een etstechniek waarbij met een ionenstraal de juiste profielen uit het materiaal worden gehaald. De vorm van de lijnprofielen luistert erg nauw; ze bepalen de dispersie en de mate waarin strooilicht de kwaliteit van het spectrum beïnvloedt. Het verzonken tralieprisma wordt daarna afgewerkt met speciale coatings om de valse reflecties zoveel mogelijk te onderdrukken. Afhankelijk of het tralie wordt gebruikt voor het nabije infrarood (NIR) of kortgolvige infrarood (Short Wave Infrared, SWIR) wordt voor het prisma kwarts of silicium gebruikt.

SRON speelt een leidende rol in de ontwikkeling van verzonken tralies, samen met partner TNO. Historisch gezien is deze positie te verklaren uit de jarenlange ervaring die bij SRON bestaat met technieken om zeer fijnmazige patronen op dragers aan te brengen. Voorbeelden zijn lithografische en etsprocessen. Bij verzonken tralies is deze ervaring als het ware geprojecteerd op … prisma’s.

Inzet

Verzonken tralies of immersed gratings kunnen worden toegepast voor het opnemen van spectra in het nabije en midden infrarood deel van het elektromagnetisch spectrum. Er komen zowel toepassingen voor satellietinstrumenten als voor aardse observatoria.

TROPOMI. Het Troposferisch Monitoring Instrument wordt voorzien van de verzonken tralietechniek. Het instrument wordt ontworpen voor spectraal onderzoek aan de aardse atmosfeer en zal voor het eerst worden gebruikt in de Sentinel-5 Precursor van ESA. Dat is een soort ruimtetestsatelliet waarmee ervaring wordt opgedaan die later wordt verwerkt in de definitieve versie van het instrument. De lancering van de testsatelliet staat op het programma voor 2014. De Sentinel-missies maken deel uit van het programma GMES (Global Monitoring for Environment and Security). Hierin werkt ESA samen met de Europese Unie en de European Environment Agency.
Lees meerTROPOMI combineert de mogelijkheden van zijn voorgangers (SCIAMACHY, sinds 2002), OMI (sinds 2004), GOME (sinds 1995) en GOME-2 (sinds 2006). Daarbij werkt het instrument ook veel nauwkeuriger. In de kortgolvige infrarood band (SWIR) worden metingen gedaan aan het gas koolmonoxide (indicator voor luchtvervuiling) en de broeikasgassen methaan en waterdamp. In het nabije infrarood (NIR) wordt onder andere gekeken naar het gas ozon. De testmissie zal onder andere laten zien wat de prestaties van het SWIR-meetinstrument zijn waarin het verzonken tralie is verwerkt. Dit tralie van 50 bij 60 millimeter telt 500 lijnen per millimeter en vormt het hart van het systeem. Het is geïntegreerd in een soort prismablok van silicium. Hiermee kan het instrument in een veertig maal zo klein volume worden gerealiseerd als anders, terwijl de dispersie – een maat voor de spectrale nauwkeurigheid – veel beter is dan met ‘oude’ technologie. Daarnaast is de massa negen keer minder dan bij een 'gewoon' ontwerp. Bovendien is het tralie ook nog veel beter bestand tegen schokken van de lancering en temperatuurswisselingen. TROPOMI wordt gerealiseerd in opdracht van het Netherlands Space Office (NSO) door SRON en het KNMI (beide hebben de wetenschappelijke leiding), in samenwerking met TNO en Dutch Space.

ESO. De European Southern Observatory is een Europees-internationaal samenwerkingsverband van vijftien toonaangevende landen op het gebied van sterrenkundig onderzoek. Bij de bouw van een belangrijk instrument voor de toekomstig grootste telescoop van de wereld, de E-ELT (European Extremely Large Telescope) is de verzonken tralietechniek in beeld. ESO exploiteert in Chili drie sterrenwachten, op de bergen La Silla, Paranal en Chajnantor, waar de Atacama Large Millimeter Array (ALMA) wordt gebouwd. Dit observatorium voor het verre infrarood- en submillimetergolven is overigens ook een project waar SRON bij betrokken is. SRON neemt deel aan de ontwikkeling van detectoren waarin de heterodyne techniek wordt gebruikt.

Tot het ESO-telescopenpark behoren de grootste instrumenten ter wereld voor onderzoek in zichtbaar licht en nabij infrarood, zoals de Very Large Telescope (VLT) die bestaat uit vier afzonderlijke telescopen met een opening van 8,2 meter, en die optisch kunnen worden gecombineerd – onderling en met nog eens vier 1,8 meter telescopen. Gecombineerde telescopen werken als een interferometer, net als de radiotelescopen in het Drentse Westerbork. In combinatie ‘kijken’ ze 25 maal scherper dan dat ze apart worden gebruikt. Dat scherper kijken gaat wel ten koste van de gevoeligheid en dat is dan ook een van de redenen om een instrument te bouwen dat scherpte en gevoeligheid aan het high end van het telescopenpark kan combineren. Dit project heet de E-ELT: European Extremely Large Telescope. Hij krijgt een opening van 39,3 meter en wordt gebouwd op een nieuwe locatie in Chili: Cerro Armazones, 3064 meter hoog.
Lees meer: de E-ELT en verzonken-tralietechniekDe enorme spiegel is opgebouwd uit spiegelelementen en levert beelden die 20x scherper zijn dan van de Hubble-ruimtetelescoop. Er zijn objecten te zien die 15x lichtzwakker zijn dan wat we nu kunnen zien met de beste telescopen. De E-ELT komt vanaf circa 2020 in gebruik en zal dan met afstand de grootste telescoop zijn waarover mensen beschikken. Op het waarneemprogramma staan exoplaneten, de eerste sterren in het heelal, de verdeling van donkere materie, de ontwikkeling van sterrenstelsels met hun zware, centrale zwarte gaten, en vraagstukken uit de fundamentele natuurkunde. De E-ELT is gevoelig vanaf het blauwe zichtbare licht tot het midden infrarood. Voor de infrarood spectrometers (METIS – Mid Infrared E-ELT Image rand Spectrometer) wordt gebruikgemaakt van de verzonken-tralietechniek. Ten opzichte van de TROPOMI-tralie moet een en ander nog flink wat groter en optisch nauwkeuriger worden gemaakt. Het is de bedoeling dat met een prototype de bruikbaarheid van de techniek voor METIS wordt aangetoond. Als dat lukt, kan de bouw van METIS aanzienlijk compacter en eenvoudiger worden uitgevoerd.