Welkom op de
OPEN DAG 2009 Onderdeel van de landelijke oktober kennismaand
Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen
RIJNHUIZEN Edisonbaan 14 Nieuwegein Telefoon: 030-6096999 http://www.rijnhuizen.nl
OPEN DAG 2009 Laboratorium, kasteel en park zijn open voor belangstellenden op 25 oktober van 12:00 tot 17:00 • Laboratorium U kunt een bezoek brengen aan experimenten op het gebied van vrije-elektronen lasers, toegepast onderzoek met lasers, de fabricage van extreem ultraviolet optica en experimenten met lage temperatuur plasma's. Ook kunt u het Fusie Informatie Centrum en de technische groepen bezoeken. Daarnaast vindt er elk uur een lezing plaats die aan sluit bij een onderzoeksthema op ons instituut. Tenslotte zijn er natuurkundeproefjes voor de jeugd, verspreid door het hele lab. • Kasteel Het 17e- eeuwse kasteel is open en u kunt de fraaie Alexanderzaal en Tuinkamer bezichtigen. In de kelder van het kasteel kunt u op de expositie van de Historische Kring Nieuwegein onder andere zien hoe Rijnhuizen en omgeving er vroeger uit zagen. • Park Het prachtige park van Rijnhuizen is vrij toegankelijk. U kunt ook aansluiten bij een rondleiding door het park, waarbij uitleg wordt gegeven over de architectuur en flora van het park. De rondleidingen beginnen om 13:00 en om 15:00 bij de ingang van het laboratorium. Laboratorium en park zijn toegankelijk voor rolstoelgebruikers, het kasteel helaas niet.
Terrein-overzicht Rijnhuizen
Merwedekanaal
I
o
E
C
F D
G
N
A
B
F H kasteel
D K
IN-
L
M (ingang)
Rond Het Fort 22
P
kas
N
HOOFDINGANG Edisonbaan 14
Plattegrond FOM-Instituut voor Plasmafysica "Rijnhuizen"
Gebouw A begane grond:
Infraroodcamera en dopplerradar (A1) Voorlichting ICT (A2)
Gebouw A boven:
Voordrachten (Collegezaal)
Gebouw B begane grond:
Experiment Magnum-PSI (B1) Experiment Pilot-PSI (B2)
Gebouw C begane grond:
Fijnmechanische techniek
Gebouw C boven:
Tekenkamer Constructiebureau
Gebouw D begane grond:
Experimenteerruimtes FELIX (D1) Experimenteerruimtes FELICE (D2) Bedieningsruimte FELIX (D3) Film over fusieonderzoek (D4)
Gebouw D boven:
Kantine Fusie Informatie Centrum
Gebouw E begane grond:
Vermogenselektronica
Gebouw F kelder:
Vrije-elektronenlaser FELIX
Gebouw N begane grond:
Experiment nSI
Programma OPEN DAG van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen Hier vindt u een korte opsomming van het programma van de OPEN DAG. Verderop vindt u een wat uitgebreidere toelichting op diverse programmaonderdelen.
Gebouw A begane grond: Receptie
• Receptie. Hier wordt u wegwijs gemaakt in ons lab en kunt u terecht met vragen. • Wij vragen u vriendelijk om bij de receptie een kort informatieformulier in te vullen en dit in de daarvoor bestemde bus te deponeren. • Een gastheer of –vrouw kan u op weg helpen naar een experiment of afdeling. • Voor (jeugdige) deelnemers aan de natuurkundespeurtocht, met vele leuke proefjes, is hier informatie en een vragenlijst beschikbaar. Deelnemers kunnen een leuke herinnering verdienen. • Na afloop kunt u reageren op onze open dag in het gastenboek. Wij zijn benieuwd!
Gebouw A begane grond: Demonstraties
• Demonstraties van toepassingen van microgolf- en infraroodtechnologie, zoals een Dopplerradar voor het meten van bewegingen en een infraroodcamera waarmee warmtefoto’s gemaakt kunnen worden. • Eén op de vier mensen gebruikt een onveilig wachtwoord voor e-mail, MSN of bijvoorbeeld het inloggen op de computer. De naam van een huisdier is het meest gebruikte wachtwoord. Daarom heeft ICT een wachtwoordbeleid. Bij de ICT-demonstratie hoort u daar meer over en kunt zelf het wachtwoord van meneer de Bruin raden.
A
Gebouw boven: • Collegezaal. Hier worden vier lezingen aansluitend bij het werk in het instituut. De lezingen duren ongeveer 30 minuten. Tijdens en na de lezing is er alle gelegenheid voor het stellen van vragen. 13.00 uur en 15.00 uur
Anouk M. Rijs “Lasers & licht”
14.00 uur en 16.00 uur
Gieljan de Vries “Fusion Road Show”
Gebouw B begane grond:
• De experimenten Pilot-PSI en Magnum-PSI; experimenten voor het bestuderen van de wisselwerking tussen een heet plasma en de wand.
Gebouw C begane grond:
• Fijnmechanische groep; demonstratie van een frees- en draaibank, aangestuurd door CAD-CAM of door een extern programmeerstation.
Gebouw C boven:
• Tekenkamer Constructiebureau; demonstratie van ontwerpen met behulp van de computer (CAD).
Gebouw D begane grond:
• De groep Moleculaire Dynamica (MolDyn) waar met licht van FELIX onderzoek wordt gedaan naar de eigenschappen van (bio)moleculen en moleculaire ionen. Hierbij wordt gebruik gemaakt van onder andere hoogvermogen lasers, massaspectrometrie, ultra-hoog vacuümopstellingen en moleculaire bundels. • De bedieningsruimte van de vrije-elektronen laser FELIX (zie ook kelder van gebouw F). • Experimenteerruimten voor de nieuwe bundellijn FELICE, waar experimenten bij heel hoge laservermogens uitgevoerd worden. • Vertoning van de film ‘Fusion 2100’ over fusie-onderzoek.
Gebouw D boven:
• Kantine: Hier kunt u gratis koffie, limonade of chocolademelk drinken (zelfbediening). Voor de kleintjes zijn er kleurplaten. • Het Fusie Informatie Centrum: hier vindt u alles over het internationale onderzoek naar kernfusie als toekomstige energiebron. Kernfusie wordt er uitgelegd met behulp van diverse proefjes, demonstraties en schaalmodellen van experimentele opstellingen. • Demonstratie van ontwikkeling van gerobotiseerd onderhoud aan microgolfsystemen voor ITER.
Gebouw E begane grond:
• Vermogenselektronica. Hier vindt u een overzicht van componenten die gebruikt worden in de vermogenselektronica en hoogspanningstechniek. Tevens wordt gedemonstreerd hoe hoge spanningen en zeer grote vermogens opgewekt worden.
Gebouw F kelder:
• De vrije-elektronenlaser “FELIX”: een unieke laser die ultrakorte lichtpulsen in het infrarode spectraalgebied produceert.
Gebouw N begane grond:
• Opstelling van de nSI groep voor onderzoek aan spiegels die licht in het extreem-ultraviolet gebied kunnen reflecteren. Deze spiegels worden gemaakt door het opdampen van laagjes van maar een paar atomen dik, in een zogenaamde "clean room".
Kasteel:
• Receptie. • In de Alexanderzaal en de Tuinkamer staan medewerkers klaar om u te vertellen over de geschiedenis van ons kasteel. • In de kelder van het kasteel heeft de Historische Kring Nieuwegein een expositie ingericht met oude ansichtkaarten en foto’s van kasteel Rijnhuizen en omgeving. Het boek ‘Oud Nieuwegein’ wordt hier te koop aangeboden.
Verspreid door het hele laboratorium:
• Diverse natuurkundeproefjes, die deel uitmaken van de natuurkundespeurtocht voor de jeugd. Informatie hierover is verkrijgbaar bij de receptie. Bij de speurtocht hoort een vragenlijst. Na afloop kan de lijst ingeleverd worden bij de receptie van het laboratorium en ontvangt de deelnemer of deelneemster een leuke herinnering. De proefjes die deel uitmaken van de speurtocht zijn herkenbaar aan het volgende vignet:
Het FOM-Instituut Rijnhuizen – Algemene informatie Het FOM-Instituut voor Plasmafysica “Rijnhuizen” in Nieuwegein is één van de onderzoeksinstituten van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM). Het instituut wordt meestal “Rijnhuizen” genoemd, de naam van het 17e-eeuws kasteel en het omliggende landgoed, waar het instituut sinds 1959 is gevestigd. Het onderzoek op Rijnhuizen richt zich op fusie-, molecuul- en oppervlaktefysica. Rijnhuizen is het zwaartepunt van het Nederlands natuurkundig onderzoek aan kernfusie als energiebron en bedrijft de infraroodlaser FELIX / FELICE – een gerenommeerde, internationale faciliteit voor molecuul- en halfgeleiderfysica. Op Rijnhuizen onderzoeken we het gedrag van een heet plasma in een kernfusiereactor, en de wisselwerking van een heet plasma met een wand van een reactor. Dit werk maakt deel uit van het Europese kernfusieprogramma, dat in de wereld de toon aangeeft. Het doel van het wereldwijde kernfusie-onderzoek is om via internationale samenwerking een elektriciteitscentrale te bouwen die op kernfusie werkt. Verder ontwikkelen we geavanceerde optische elementen voor gebruik in de chipindustrie. Verbindend element is dat we binnen het instituut grootschalige instrumentatie ontwikkelen en daar in internationaal verband onderzoeksprogramma’s mee uitvoeren. Rijnhuizen werkt samen met verschillende universiteiten in Nederland, en met vele onderzoeksgroepen in het buitenland. Jaarlijks publiceert Rijnhuizen zo’n 140 artikelen in wetenschappelijke tijdschriften en gemiddeld 4 proefschriften. Het aantal conferentiebijdragen en voordrachten is ongeveer 200 per jaar, en de personele doorstroming 20 per jaar. Verder maken we onze wetenschappelijke resultaten toegankelijk tijdens open dagen, door het geven van lezingen en het maken van educatieve websites en cd-rom’s, en het verzorgen van populair-wetenschappelijke publicaties. PERSONEEL Overig 25 25
BUDGET
Vast wet. staf 2020 Post-docs 15
15
Techn. Afd. 35 35 20
Research35technici 35
Totaal ca. 150
OIO 20
Additionele fondsen
4.6
Euratom (EU)
1.2
NWO
6.2
Miljoen €
Informatie over de experimentele opstellingen
Fusiefysica a. Kernfusie-onderzoek Wanneer men lichte atoomkernen met voldoende energie met elkaar laat botsen, kunnen de kernen samensmelten. Tijdens deze fusiereactie komt een grote hoeveelheid energie vrij, die benut kan worden voor het opwekken van elektriciteit. Om de condities voor fusie te bereiken, wordt een heet gas verhit tot zo'n 150 miljoen graden. Bij zulke hoge temperaturen vormt een gas een plasma, dat bestaat uit geladen deeltjes. Het hete gas wordt opgeslagen in een ringvormig vat, tokamak geheten. Medewerkers van Rijnhuizen nemen ook deel aan meetcampagnes bij het grootste fusie-experiment ter wereld: de Joint European Torus (JET) in Engeland.
b. Plasma-Wandinteractie: Pilot-PSI en Magnum-PSI In toekomstige kernfusie-elektriciteitscentrales wordt een heet gas (plasma) opgesloten door een magneetveld. Het plasma is zo heet (150 miljoen graden), dat het de wand van het reactorvat kan beschadigen. Wisselwerking tussen plasma’s en oppervlakken treedt ook op in veel industriële processen en voorts bijvoorbeeld bij de terugkeer van een ruimtevoertuig in de atmosfeer. Voor al die processen is het van belang te weten hoe een heet plasma reageert met een oppervlak. In het experiment Pilot-PSI maken we een intense plasmabundel, die we een oppervlak laten raken. Op die manier kunnen we de plasma-wand interactie onderzoeken. Pilot-PSI is een voorloper van het nieuw te bouwen experiment Magnum-PSI, waarmee we op termijn plasma’s kunnen maken die even intens zijn als die in een kernfusiereactor. De in Pilot-PSI opgedane kennis is gebruikt voor het ontwerp van Magnum-PSI, die vier maal zo groot, en 50 maal zo krachtig zal worden en in 2010 zijn eerste bundels zal produceren. Het uiteindelijke doel van deze experimenten is om de situatie in een grote kernfusiereactor in een klein en hanteerbaar experiment na te doen, om zo wetenschappelijke en technische ideeën gemakkelijker te kunnen testen. Dat moet leiden tot een beter inzicht in plasma-wand interactie, en tot ideeën en adviezen voor de ontwikkeling van fusie-energiecentrales.
c. Microgolfverhitting voor ITER- plasma’s: besturing en gerobotiseerd onderhoud In ITER-plasma’s kunnen afwijkingen van het ideale magneetveld ontstaan. Deze hebben tot gevolg dat het plasma minder fusiereacties produceert. Een methode om deze verstoringen op te heffen is, met behulp van microgolven, zeer lokaal in de verstoring te verhitten. Hiertoe worden nu 4 hoogvermogen microgolfsystemen ontworpen. FOM is in deze ontwikkeling betrokken in samenwerking met een aantal internationale partners. De FOM bijdrage betreft de besturing van de microgolfdepositie en de “remote handling” van de systemen.
Fysica van oppervlakken van nanolagen en grenslagen: nSI Dunne films en multilagen: Spiegels voor Extreem Ultraviolet Licht Bij de productie van computerchips wordt het patroon van een chip op een plak silicium afgebeeld. De grootte van de details die je kunt afbeelden wordt beperkt door de golflengte van het gebruikte licht. Om kleinere structuren te kunnen maken voor chipfabricage in de toekomst, moet dus licht met een kortere golflengte worden gebruikt. Op dit moment worden met een ultraviolette lichtbron (193 nm), en een complex systeem van lenzen, afbeeldingen gemaakt van typisch 50 nm. Voor de toekomst is men van plan over te schakelen op licht met een nog kleinere golflengte, namelijk maar 13,5 nanometer, het 'extreem ultraviolet' (EUV) golflengtegebied. Met deze golflengte is het in principe mogelijk om afbeeldingen te maken met structuren van maar 10 nm! Voor de toepassing van 13,5 nm lithografie is echter nog heel wat werk nodig voordat krachtige lichtbronnen en gevoelige optische componenten naast elkaar gebruikt kunnen worden, en juist daarom is het EUV golflengtegebied voor onderzoek en technologie uiterst aantrekkelijk. Licht met een golflengte van 13,5 nm wordt namelijk volledig geabsorbeerd in elk denkbaar materiaal. Optische systemen die de structuren op een chip moeten afbeelden kunnen daarom niet uit lenzen bestaan. De oplossing wordt gevonden in het gebruik van reflecterende optieken, waarbij een reflecterende coating iets anders zal moeten zijn dan alleen een enkele laag. Voor deze golflengte wordt voor een enkele laag namelijk niet meer dan
een paar procent van het licht gereflecteerd per spiegel, wat veel te weinig is voor de echte toepassing in de industrie. De afdeling nSI (Nanolayer Surface and Interface Physics) doet binnen Rijnhuizen onderzoek aan de ontwikkeling van speciale multilaagspiegels die bestaan uit honderden afwisselende lagen, die afzonderlijke diktes hebben variërend van enkele nanometers tot slechts enkele tienden van nanometers. Het onderzoek brengt technologische uitdagingen met zich mee, zoals de vereiste om de laagdiktes nauwkeurig genoeg te maken om positieve interferentie te verkrijgen van alle deelreflecties, en de noodzaak om bij het maken van grote spiegels de totale laagdikte te controleren met een nauwkeurigheid van beter dan 0,02 nanometer, veel minder dan een atoomdiameter! Daarnaast wordt fundamenteel onderzoek gedaan aan de interne structuur en de oppervlakte verschijnselen die plaatsvinden tijdens het maken van de multilaag spiegels en tijdens jarenlang gebruik van de spiegels onder agressieve bedrijfsomstandigheden. Hierbij moet bijvoorbeeld gedacht worden aan het goed begrijpen van de diffusieprocessen die leiden tot het onderling mengen van de gelaagde structuur onder hoge bedrijfstemperaturen, en het ontwikkelen van speciale gestabiliseerde structuren om dit mengen te voorkomen. Verder is de levensduur van de spiegels momenteel sterk gelimiteerd door direct contact met intense plasma’s en chemische oppervlakteprocessen zoals oxidatie. Hiervoor moet dus ook een oplossing bedacht worden door toepassing van beschermende lagen of processen. Voor al dit onderzoek staan op de afdeling nSI diverse opdamp-opstellingen waar deze bijzondere gelaagde structuren gemaakt kunnen worden, alsmede analyse apparatuur die krachtig genoeg is om de resulterende structuur tot op (sub)-atomaire schaal te kunnen karakteriseren
Ontwikkeling en Toepassing van THz straling FELIX - Onderzoek met lasers Lasers zijn niet alleen handig voor het uitlezen van streepjescodes of het afspelen van cd’s, maar worden ook gebruikt in natuurkundig onderzoek. Rijnhuizen beschikt over FELIX (Free Electron Laser for Infrared eXperiments), een zelfgebouwde, unieke laser die licht uitzendt met een instelbare golflengte tussen de 0,003 mm en 0,25 mm (zogenaamd ver-infrarood licht) met een piekvermogen van wel 100 Megawatt. De laser is geschikt voor heel uiteenlopend onderzoek, zoals naar goedkopere zonnecellen en de structuur van biologische moleculen.
In de vrije-elektronenlaser FELIX wordt een intense elektronenbundel door een wisselend magneetveld gestuurd, waardoor licht gegenereerd wordt. Dit licht wordt versterkt in een optische trilholte. De golflengte kan continu worden verstemd door variatie van de elektronenenergie en/of de sterkte van het magneetveld. FELIX was de eerste vrije-elektronen laser in Europa. Vrije-elektronenlasers zijn groot. FELIX ligt in een grote bunker onder de grond en wordt op afstand bestuurd. Het laserlicht wordt met behulp van spiegels door vacuümbuizen naar de diverse gebruikersruimten getransporteerd, waar de onderzoekers hun experimentele experimentele opstellingen opgebouwd hebben. Met FELIX kun je experimenten doen die nergens anders ter wereld kunnen worden uitgevoerd. Daarom komen jaarlijks tientallen onderzoekers uit binnen- en buitenland naar Nieuwegein om experimenten te doen met FELIX. Met FELICE (Free Electron Laser for Intra-Cavity Experiments) heeft de faciliteit een nieuwe bundellijn ter beschikking, die vooral geschikt is om experimenten binnen de trilholte van de laser uit te voeren. Hierdoor is het voor de experimenten beschikbare vermogen ten opzichte van FELIX met een factor 100 toegenomen. De opbouwfase van FELICE is afgesloten en op dit moment worden experimenten met een van de opstellingen in FELICE uitgevoerd en de tweede experimentele opstelling gereed gemaakt. FELIX en FELICE kunnen parallel laserlicht voor experimenten produceren door alternerend de elektronen in de FELIX en in de FELICE bundellijn te sturen. Hierdoor kunnen in principe nu twee keer zo veel bezoekers hun onderzoek verrichten.
Moleculaire Dynamica – Laser-onderzoek aan moleculen In de groep Moleculaire Dynamica worden verschillende experimenten uitgevoerd aan moleculen in de gasfase. Alle experimenten maken gebruik van de infrarode laserstraling van FELIX. Door te bepalen welke infrarood-frequenties (“kleuren”) wel en welke niet worden geabsorbeerd, wordt een spectrum verkregen. Zo’n spectrum vertelt je iets over de structuur van het molecuul. Zo kunnen we bijvoorbeeld bepalen wat de structuur is van gefragmenteerde eiwitmoleculen, die in uiterst kleine hoeveelheden geproduceerd worden in een massaspectrometer, maar die van groot belang zijn bij de bepaling van de volgorde van aminozuren in een eiwit. Met FELIX worden allerlei soorten moleculen onderzocht: ionen, radicalen, clusters van metaalatomen, en biomoleculen. Kennis van de structuur
van moleculaire systemen is de sleutel tot het begrijpen van hun fysische en chemische eigenschappen. Specifieke vragen die we met ons onderzoek hopen te beantwoorden zijn bijvoorbeeld: hoe binden organische moleculen zich aan metaalionen (bijvoorbeeld van belang in enzymen)? Hoe vouwen biomoleculen zich op (belangrijk voor de functie van biomoleculen)? Wat is de vorm van chemische verbindingen die worden waargenomen in interstellaire wolken?
Informatie over de technische groepen
Elektronica en ICT De groep Elektronica en ICT (E&I) is verantwoordelijk voor de ontwikkeling van elektronica en software voor experimentbesturing en dataacquisitie, en voor het beheer van de ICT infrastructuur. ICT-Beheer maakt deel uit van E&I en is verantwoordelijk voor de aanschaf, de installatie en het onderhoud van ruim 300 computers en laptops, 25 servers en netwerkprinters, 300 telefoons en de netwerkinfrastructuur. Daarnaast levert zij support aan ruim 150 gebruikers. De elektronici binnen E&I ontwerpen en bouwen installaties die hoge spanningen (tot 2 miljoen volt), hoge stromen of hoge vermogens kunnen schakelen, met - indien nodig - zeer snelle schakeltijden. Zo worden er systemen en voedingen van 10 A tot 100 kA en van 1 kilovolt tot 2 Megavolt ontworpen en gebouwd. Verder ontwerpt, simuleert en implementeert men elektronische circuits, zowel analoog als digitaal en optische schakelingen. Dit betreft zowel losse modules als computer-interfaces. Onder de analoge elektronica vallen bijvoorbeeld versterkers, signaalbronnen en motorregelingen. Onder de digitale elektronica vallen onder andere VME-bus modules en Programmable Logic Device (PLD) logica. De software-ontwikkelaars binnen E&I ontwerpen en implementeren systemen voor de beveiliging en besturing van experimenten, en de acquisitie, opslag en ontsluiting van meetdata. Dit varieert van eenvoudige LabVIEW gebaseerde tafelopstellingen tot complexe (PLC, LabVIEW of andere) systemen bestaande uit meerdere computers.
Mechanische Techniek De groep Mechanische Techniek bestaat uit drie subgroepen - de tekenkamer, de groep fijnmechanische techniek en de soldeergroep - die samen verantwoordelijk zijn voor het complete traject van ontwerp tot fabricage van vele mechanische producten benodigd voor het wetenschappelijk onderzoek bij de verschillende experimenten. Deze producten variëren van klein en zeer kwetsbaar tot groot en massief, en omvatten o.a. ultrahoogvacuüm systemen, spiegelsystemen voor microgolfbundels, gasafsluiters, en complete opstellingen. a. De tekenkamer Op de tekenkamer wordt de voor onderzoek benodigde apparatuur op mechanisch gebied ontworpen, geconstrueerd en gedetailleerd. De ontwerpsoftware die op deze groep gebruikt wordt is Catia V5, een geavanceerd 3D ontwerppakket. Voordeel van dit pakket is de mogelijkheid om van het ontwerp op een relatief eenvoudige manier 2D werktekeningen te maken. Ook is er de mogelijkheid om de modellen door te rekenen op bijvoorbeeld sterkte en stijfheid. Nadat het ontwerp gereed is wordt in overleg met de groep Fijnmechanische Techniek bekeken welke onderdelen in huis gemaakt kunnen worden en welke onderdelen het beste uitbesteed kunnen worden. b. Fijnmechanische Techniek De groep Fijnmechanische Techniek is verantwoordelijk voor de fabricage van de onderdelen die nodig zijn voor het wetenschappelijk onderzoek. Fabricage geschiedt over het algemeen aan de hand van werktekeningen die aangeleverd worden door de tekenkamer. Werken vanaf schetsen is echter ook mogelijk. Sinds een aantal jaren wordt veelvuldig gebruik gemaakt van een CAD-CAM koppeling met de tekenkamer. Deze koppeling maakt het mogelijk om de door de tekenkamer gemaakte modellen direct als input te gebruiken in de bewerkingssoftware van de groep. Naast een aantal conventionele draai- en freesmachines heeft de groep de beschikking over een drietal CNC freesmachines en één CNC draaibank. Ook is de groep in het bezit van een 5-assige simultaanfreesmachine, waarmee complexe structuren gefreesd kunnen worden. c. Soldeergroep De soldeergroep is vandaag niet open.
