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

Verzonken tralies: Gedetailleerde spectra met compacte instrumenten  

 

immersed0.jpg Uitdaging
Doorbraak
Inzet
Links
 

 

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. 

   omhoogomlaag

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. 

   omhoogomlaag

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.

 

Links  

Uitdaging
Meer over atmosfeeronderzoek in Nederland : http://imau.nl/
Meer over het KNMI en atmosfeeronderzoek : http://www.knmi.nl/cms/content/94894/ozone_monitoring_instrument
Meer over SRON en atmosfeeronderzoek : /index.php?option=com_content&task=view&id=1558&Itemid=1438
Overzicht over TROPOMI : http://www.knmi.nl/cms/content/91565/tropomi_sensing_the_troposphere_from_space
Meer over satellieten en biosfeeronderzoek : http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/SeaWiFS/TEACHERS/BIOLOGY/
SCIAMACY kaarten – voorbeelden : http://atmos.caf.dlr.de/projects/scops/sciamachy_book/sciamachy_book_figures

Doorbraak
Detail informatie over immersed gratings en toepassingen : http://congrex.nl/icso/Papers/Session%208b/FCXNL-10A02-1984768-1-LOBB_ICSO_PAPER.pdf

Inzet
Meer over TROPOMI : http://www.knmi.nl/samenw/tropomi/Instrument/index.php?lang=nl&tag=full
Meer over SRON en immersed gratings voor TROPOMI : /science-tropomi-swir-2468/technology-tropomi-swir-2286/tropomi-swir-technology-
Meer over NSO en TROPOMI : http://www.spaceoffice.nl/nl/Activiteiten/Planeet%20aarde/212.html en http://www.spaceoffice.nl/nl/Nieuws/562.html
Meer over GMES : http://www.esa.int/esaLP/SEMRRI0DU8E_LPgmes_0.html
Meer over de SENTINEL-missies : http://www.esa.int/esaLP/SEM097EH1TF_LPgmes_0.html
Meer over SENTINEL-5 : http://www.esa.int/esaLP/SEMP8BLXOWF_LPgmes_0.html
Meer over SRON en immersed gratings voor de E-ELT : /images-aamp-outreach-hdo-2140/-immersed-gratings-candidate-for-extremely-large-telescope
Meer over de ESO : http://www.eso.org/public/
Meer over de E-ELT : http://www.eso.org/public/teles-instr/e-elt.html

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed1.jpg
Verdeling van luchtverontreiniging boven West-Europa, gemeten met het OMI-instrument aan boord van NASA's Aura-satelliet
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed2.jpg
Kaart van de verdeling van biomassa zoals berekend aan de hand van satellietmetingen. Let op de planktonverdeling in de oceanen en de woestijnen op de continenten
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed3.jpg
Metingen van SCIAMACHY aan boord van ESA's ENVISAT milieusatelliet. De kaart toont de verdeling van stikstofdioxide, een gas dat vrijkomt bij industriele activiteit
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed4.jpg
Kaart van de verdeling van koolmonoxide in de lage atmosfeer, zoals gemeten met SCIAMACHY aan boord van ESA's ENVISAT. Het gas komt onder andere vrij bij onvolledige verbranding
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed5.jpg
Kaart van de verdeling van methaan in de lage atmosfeer, samengesteld aan de hand van metingen van SCIAMACHY aan boord van ESA's ENVISAT. Het gas komt vrij bij intensieve landbouw, rijstvelden, moerassen (biogas) en als weglekkend aardgas
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed6.jpg
SCIAMACY-metingen van de intensiteit van ultravioletstraling aan het aardoppervlak. Het in Nederland ontwikkelde en gebouwde instrument bevindt zich aan boord van ESA's ENVISAT
immersed7.jpg
Verzonken tralie (immersed grating) gemaakt door SRON
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed8.jpg
Ontwerp voor het NIR-instrument waarbij gebruik wordt gemaakt van verzonken tralies. Dat maakt het mogelijk om het instrument compact te houden terwijl toch zeer fijne details in de spectra kunnen worden gemeten
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed9.jpg
Ontwerp voor het SWIR-instrument waarbij wederom gebruik wordt gemaakt van verzonken tralies
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed10.jpg
Tekening van het gebruik van het toekomstige TROPOMI-instrument
immersed11.jpg
TROPOMI integratie proefmodel

b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed12.jpg
Schematische voorstelling van de vergelijking tussen een 'gewoon' tralie en het ontwerp voor een verzonken tralie voor TROPOMI
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed13.jpg
Detail van het TROPOMI verzonken tralie
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed14.jpg
Kaart met daarop aangegeven in welke golflengtebanden TROPOMI metingen kan doen en welke moleculen daarmee in kaart worden gebracht
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed15.jpg
Tekening van de in voorbereiding zijnde European Extremely Large Telescope (E-ELT) die gebouwd moet worden op een bergtop in de Chileense Andes
b_180_0_3355443_00_images_jubileum50jaar_50jaar_technologie_immersed16.jpg
Volgens het recente ontwerp moet de E-ELT spiegel een doorsnede krijgen van ruim 39 meter









 



SCROLL TO TOP