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.
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.
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.
Verdeling van luchtverontreiniging boven West-Europa, gemeten met het OMI-instrument aan boord van NASA's Aura-satelliet
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
Metingen van SCIAMACHY aan boord van ESA's ENVISAT milieusatelliet. De kaart toont de verdeling van stikstofdioxide, een gas dat vrijkomt bij industriele activiteit
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
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
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
Verzonken tralie (immersed grating) gemaakt door SRON
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
Ontwerp voor het SWIR-instrument waarbij wederom gebruik wordt gemaakt van verzonken tralies
Tekening van het gebruik van het toekomstige TROPOMI-instrument
TROPOMI integratie proefmodel
Schematische voorstelling van de vergelijking tussen een 'gewoon' tralie en het ontwerp voor een verzonken tralie voor TROPOMI
Detail van het TROPOMI verzonken tralie
Kaart met daarop aangegeven in welke golflengtebanden TROPOMI metingen kan doen en welke moleculen daarmee in kaart worden gebracht
Tekening van de in voorbereiding zijnde European Extremely Large Telescope (E-ELT) die gebouwd moet worden op een bergtop in de Chileense Andes
Volgens het recente ontwerp moet de E-ELT spiegel een doorsnede krijgen van ruim 39 meter