Programma Studenten Open Dag FOM-Instituut "Rijnhuizen" donderdag 15 oktober 2009
Programma Studenten Open Dag FOM-Instituut "Rijnhuizen" donderdag 15 oktober 2009 Na de ontvangst met een kopje thee of koffie bestaat het programma voor de Studenten Open Dag van het FOM-Instituut "Rijnhuizen" uit de volgende onderdelen: •
het bijwonen van een voordracht over onze onderzoeksgebieden
•
een bezoek aan drie experimenten en/of groepen
•
een bezoek aan het Fusie Informatie Centrum
•
de lunch
U kunt bij aanmelding uw voorkeur opgeven voor de experimenten en/of groepen, die u wilt bezoeken. Wij proberen bij het opstellen van het programma zoveel mogelijk rekening te houden met uw voorkeur, maar we kunnen niet garanderen dat we alle wensen kunnen vervullen. Een bezoek aan het Fusie Informatie Centrum (zie pagina 10) maakt altijd deel uit van het bezoek. De aanvang van de Studenten Open Dag voor de deelnemers van uw onderwijsinstelling en de precieze dagindeling is afhankelijk van het aantal groepen studenten, dat zich inschrijft voor de Studenten Open Dag. U wordt hierover tijdig geïnformeerd.
Keuzemogelijkheden U kunt bij aanmelding uw voorkeur opgeven voor drie van de volgende experimenten en/of groepen. Onder de opsomming vindt u een verdere toelichting. 1)
Plasma-wand interactie: Pilot-PSI
2)
Plasma-wand interactie: Magnum-PSI
3)
Optiek voor Extreem Ultraviolet licht: Physics of thin films & multilayers (TFM)
4)
Plasma-surface interactie: Surface Ion- and Photo-Chemistry
5)
Microgolfdiagnostiek voor ITER: Tokamak Physics Group
6)
Vrije-elektronenlaser en gebruikersfaciliteit: FELIX
7)
Moleculaire fysica met lasers: Moleculaire Dynamica
8)
Elektronica en ICT, onderverdeeld in de afdelingen: a) Elektronica b) Vermogenselektronica c) ICT: Beheer en Data Acquisitie & Control
9)
Mechanische techniek, onderverdeeld in: a) Tekenkamer b) Fijnmechanische techniek c) Vacuümsoldeergroep
-2-
Toelichtingen op de te kiezen experimenten en groepen: 1) Plasma-wand interactie: Pilot-PSI In toekomstige kernfusie-elektriciteitscentrales wordt een heet geïoniseerd gas (een plasma) gemaakt om atoomkernen met elkaar te laten samensmelten. De benodigde temperatuur is zo hoog (150 miljoen °C), dat het plasma met behulp van een magneetveld opgesloten moet worden, omdat het anders de wand van het reactorvat kan beschadigen. De magnetische opsluiting zorgt ervoor dat het plasma op een gecontroleerde manier wordt afgevoerd naar een speciaal gedeelte van het vat (de afvoer). Hierbij is het plasma al flink afgekoeld tot enkele tienduizenden graden, maar de grote hoeveelheid deeltjes die hier op de wand terecht komen, zorgen toch nog voor een extreme wandbelasting. Wisselwerking tussen plasma’s en oppervlakken treedt niet alleen op in een fusiereactor, maar bijvoorbeeld ook in veel industriële processen en bijvoorbeeld bij de terugkeer van een spaceshuttle in de atmosfeer. Voor al deze situaties is het van belang te weten hoe een plasma reageert met een materiaaloppervlak. Om deze processen te bestuderen hebben we een experiment nodig, waarbij we plasma-wand interactie onder extreme omstandigheden kunnen onderzoeken. In het experiment Pilot-PSI maken we een intense plasmabundel, waarmee we een oppervlak beschieten met een warmtebelasting van meer dan 10 MW per m2. Met dit experiment is het mogelijk om voor een aantal seconden plasma’s te maken die even intens zijn als die in de afvoer van een fusiereactor. Pilot-PSI is een voorloper van het grotere experiment Magnum-PSI, waarmee we straks plasma’s kunnen Pilot-PSI met een waterstofplasma maken die net zo intens zijn als die in Pilot-PSI, maar dan veel groter. De kennis die nu wordt opgedaan in Pilot-PSI wordt gebruikt voor het ontwerp en het onderzoeksprogramma van Magnum-PSI. Het uiteindelijke doel van deze experimenten is om de situatie in een grote fusiereactor 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 verdere ontwikkeling van fusie-reactoren.
2) Plasma-wand interactie: Magnum-PSI, een opstelling in opbouw Op het FOM-Instituut "Rijnhuizen" wordt de nieuwe opstelling Magum-PSI gebouwd voor het bestuderen van de plasma-wand wisselwerking in toekomstige kernfusiecentrales. In deze opstelling kan het contact tussen een fusieplasma en de wandtegels in een fusiecentrale op een zeer realistische manier worden nagemaakt; echter nog dan in zijn kleinere voorloper PilotPSI. Het oppervlak van de plasmabundel zal bijvoorbeeld 20 keer zo groot zijn. Het vacuümsysteem is zo ontworpen dat er zeer lage drukken bij het beschietingoppervlak kunnen worden bereikt. Er zal een supergeleidende magneet om de vacuümopstelling worden geplaatst van 2.5 meter lang en een binnendiameter van 1.3 meter. Het magneetveld van deze magneet leidt -3-
het plasma naar het beschietingoppervlak. De supergeleiding van de magneet zorgt er voor dat er continue experimenten gedaan kunnen worden. Verder zal er een aparte vacuümanalyse kamer aan de opstelling worden gebouwd waarin de bestraalde oppervlakken kunnen worden bestudeerd. Dit bestralen en onderzoeken gebeurt allemaal onder vacuüm. Er zal met deze nieuwe opstelling veel over eventuele beschadigingen van de wanden van kernfusiecentrales worden geleerd en hoe we dit kunnen voorkomen. De Magnum-PSI opstelling is nu in opbouw. Een bezoek aan de bouwlocatie van de opstelling laat mooi zien welke technische aspecten een rol spelen bij de constructie van een grote experimentele opstelling. Op dit moment wordt het vacuümsysteem in elkaar gezet en getest. Dit vacuümsysteem zal uiteindelijk 14 meter lang zijn met een gemiddelde diameter van 60 cm. Het vacuümsysteem zit vast aan drie enorme pompen (ieder 20.000 m3/h) die voor de lage druk in het systeem zorgen. Verder zullen de voorbereidingen van de plaatsing van de supergeleidende magneet te zien zijn: een ijzeren muur van 5 cm dik en 3 meter hoog. Deze muur schermt de omgeving af van de hoge magneetvelden die in de toekomst worden gemaakt bij het experiment.
De Magnum-PSI opstelling in aanbouw. Links de vacuümopstelling met op de achtergrond de ijzeren muur voor afscherming van het magneetveld. Rechts de grote vacuümpompen.
3) Optiek voor Extreem Ultraviolet licht: onderzoek in de groep Physics of thin films & multilayers (TFM) 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!
-4-
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.
Elektronenmicroscoopopname van
De afdeling nSI (Nanolayer Surface and Interface Phy- een multilaag, bestaande uit vijftig sics) doet binnen Rijnhuizen onderzoek aan de ontwikke- dubbellagen silicium en molybdeen ling van speciale multilaagspiegels die bestaan uit hon- van elk slechts 3 nanometer dikte. derden 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 plasmas en chemische oppervlakteprocessen zoals oxidatie. Hiervoor moet dus ook een oplossing bedacht worden waar beschermende lagen of processen uitgevonden moeten worden. Voor al dit onderzoek staan op de afdeling nSI diverse opdampopstellingen waar deze bijzondere gelaagde structuren gemaakt kunnen worden, alsmede analyse apparatuur die krachtig genoeg is om de resulterende structuur tot op (sub)-atomiare schaal te kunnen karakteriseren.
4) Plasma-surface interactie: Surface Ion- and Photo-Chemistry Het onderzoek in de SIPC groep (Surface Ion- and Photo-Chemistry) concentreert zich op de interactie van ionen, geladen deeltjes en fotonen met oppervlakken. Dit wordt onder nauwkeurig gecontroleerde omstandigheden gedaan om fundamentele details van de processen die zich afspelen op atomaire schaal te kunnen bestuderen. (Surface Science approach). Verschillende ultra-hoog vacuümkamers (basisdruk ~1x10-10 mbar) zijn beschikbaar voor dit onderzoek. In de “Surface-PSI” opstelling worden bijvoorbeeld zuivere kristallen van een bepaald materiaal in ultra-hoog vacuüm gebracht, waarna ze onder een heel kleine hoek met een ionenbundel worden bestraald. Daaruit valt de oppervlakteruwheid af te leiden. Met andere technieken wordt de geordendheid van het oppervlak en de chemische samenstelling bestudeerd. -5-
Een andere vacuümkamer wordt gebruikt voor de studie naar de vorming van zoutkristallen op lenzen uit lithografie-machines, ook wel wafer-steppers genoemd. Deze kristallen kunnen de lenzen minder transparant maken zodat de machines minder chips zouden produceren. deze opstelling maakt het mogelijk de oorzaak van de kristalaangroei te achterhalen. Chipmachinebouwer ASML is dan ook volop betrokken bij dit onderzoek!
Voorbeeld van micro-kristalaangroei op lenzen van chipmachines.
5) Microgolfdiagnostiek voor ITER: Tokamak Physics Group In 2007 is de bouw van ITER, de internationale experimentele fusiereactor, begonnen. Eén van de belangrijke technische uitdagingen van een fusiereactor is om het plasma te verhitten tot een temperatuur van 150 miljoen graden en instabiliteiten te onderdrukken. Er zijn verschillende soorten instabiliteiten: in één daarvan ontstaan de zogenaamde magnetische ‘eilanden’ in het plasma, die lager van temperatuur zijn. Dit maakt het plasma veel minder controleerbaar, en dus minder efficiënt om fusie mee te maken. Om deze eilanden te verkleinen, wordt microgolfstraling gebruikt. Wanneer er met de microgolven precies in het midden van een eiland geschoten wordt krimpt het eiland. Maar als de straling op de verkeerde plaats terecht komt, dan ITER, de grootste tokamak ter wereld. kunnen de eilanden juist groeien! Om de precieze plaats van deze eilanden te bepalen, is er een nieuw detectiesysteem ontwikkeld. Dit detectiesysteem wordt gebruikt als onderdeel van een controlesysteem dat nu op de tokamak TEXTOR in Duitsland geïnstalleerd is. Dit meetsysteem is uniek, want het gebruikt grotendeels dezelfde opstelling waarmee de microgolfstraling voor verhitting het plasma wordt in geschoten. Het uiteindelijke doel is een dergelijk systeem ook voor ITER te ontwikkelen. Als R&D taak voor ITER is de groep ook betrokken bij het ontwikkelen van een onderhoudsmethodologie voor belangrijke ITER onderdelen, de “port plugs”. Manipulatie van deze systemen gebeurt volledig met robots op afstand. De benodigde gereedschappen en procedures worden ontwikkeld met behulp van een virtual reality omgeving. -6-
6) Vrije-elektronenlaser en gebruikersfaciliteit: FELIX 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 (zie foto) 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.
Overzicht van de FELIX kelder
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 bijna afgesloten en op dit moment worden eerste experimenten met een van de opstellingen in FELICE uitgevoerd en de tweede experimentele opstelling gereed gemaakt. Een 3D tekening van de intra-cavity opstellingen met de resonator eron3D tekening van de twee intra-cavity opstellinder is in de figuur te zien. gen met resonator in FELICE. -7-
7) Moleculaire Dynamica – moleculaire fysica met lasers In de moleculaire dynamica groep worden moleculen in de gasfase onderzocht met behulp van lasers, in het bijzonder met de vrije-elektronenlaser FELIX. Door te onderzoeken welke lichtfrequenties (“kleuren”) wel en welke niet geabsorbeerd worden, kan informatie over de structuur van de moleculen verkregen worden. Het infrarode deel van het spectrum, waarin FELIX opereert, is hiervoor uitermate geschikt. In het algemeen is het begrijpen van de moleculaire structuur - d.w.z. de afstanden en krachten tussen de atomen waaruit de moleculen bestaan - de sleutel tot het begrijpen van de fysische en chemische eigenschappen. Verschillende soorten moleculen worden onderzocht, met name de soorten die moeilijk met standaard IR absorptietechnieken te bestuderen zijn, zoals elektrisch geladen moleculen (ionen), metaal- en metaalcarbide clusters, zwak gebonden complexen van twee of meer moleculen/atomen, en grote flexibele biomoleculen zoals peptiden en eiwitten. We leggen ons met name toe op drie toepassingsgebieden: moleculaire systemen met astrofysische, biologische of katalytische relevantie.
8) De groep Elektronica en ICT De groep Elektronica en ICT (E&I) koopt, ontwerpt, bouwt en beheert de elektronica en ICT ten behoeve van de medewerkers en experimentele opstellingen binnen Rijnhuizen. E&I bestaat uit een aantal specialismen, die hieronder worden beschreven. a) Elektronica Elektronici binnen E&I ontwerpen en bouwen analoge en digitale elektronische schakelingen voor experimenten. Onder de analoge elektronica vallen bijvoorbeeld versterkers, signaalbronnen en motor-regelingen. Onder de digitale elektronica vallen onder andere VMEbus modules, Programmable Logic Devices (PLD) en Field Programmable Gate Arrays (FPGA).
b) Vermogenselektronica Vermogenselektronici binnen E&I ontwerpen en bouwen o.a. 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.
-8-
c) ICT Beheer en Data Acquisitie & Control Helpdeskmedewerkers en systeembeheerders binnen E&I verzorgen aanschaf, installatie, testen en onderhoud van computer- en communicatieapparatuur, en beheren de centrale computers, het netwerk, de printers, de internetverbinding en de website van ons instituut, en ondersteunen de gebruikers. Software engineers binnen E&I verzorgen de technische automatisering: het realiseren en onderhouden van systemen voor experimentbesturing, de dataverzameling en de data opslag. Voor deze systemen wordt gebruik gemaakt van commerciële en zelfontwikkelde hardware, waarvoor meestal software op maat moet worden gemaakt in LabVIEW of C/C++ of Python. Tijdens de open dag zal er zo'n besturingssysteem gedemonstreerd worden.
9) De groep Mechanische Techniek De groep Mechanische Techniek bestaat uit drie subgroepen, 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 varieren van klein en zeer kwetsbaar tot groot en massief, en omvatten o.a. ultra-hoogvacuüm systemen, spiegelsystemen voor microgolfbundels, gasafsluiters, maar ook complete opstellingen om moleculen op te sluiten en te bestuderen. De drie subgroepen zijn de tekenkamer, fijnmechanische techniek en de vacuümsoldeergroep. a) De tekenkamer Op de tekenkamer wordt al de apparatuur op mechanisch gebied ontworpen, geconstrueerd en gedetailleerd. De ontwerpsoftware die op deze afdeling 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 genereren. 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. Ook is het mogelijk dat er gewerkt wordt met schetsen. Sinds een aantal jaren wordt er ook gebruik gemaakt van een CAD-CAM verbinding met de tekenkamer. -9-
Felice spiegelhouder
Naast een aantal conventionele draai- en freesmachines heeft de groep ook de beschikking over een drietal CNC freesmachines, waaronder één machine die 5 assen simultaan kan bewerken en één CNC draaibank. c) De vacuümsoldeergroep Het gebruik van verschillende materialen in ultra-hoogvacuüm vereist hoogwaardige soldeertechnieken. Rijnhuizen heeft door de jaren heen een naam opgebouwd op het gebied van het vacuümsolderen. Naast de ruime expertise beschikt de afdeling over hoogwaardige apparatuur voor het soldeerwerk.
Het Fusie Informatie Centrum Kernfusie is het proces waarbij lichte atoomkernen samensmelten tot zwaardere. Het is de energiebron van de zon en de sterren, en daarmee is kernfusie de grootste energiebron van het heelal. Wetenschappers doen onderzoek om fusie als veilige en onuitputtelijke energiebron op aarde te gebruiken. Om de levensstandaard van de gehele wereldbevolking aan het eind van deze eeuw op een westers niveau te brengen, is ongeveer vijf keer zo veel energie nodig als we nu gebruiken. Er zijn nieuwe oplossingen nodig om het hoofd te bieden aan de toenemende vraag naar energie, en aan de problemen die aan ons huidige energiesysteem kleven. Fusie-energie biedt uitzicht op een schone, veilige, en duurzame energiebron. Sinds januari 2007 wordt Een onderzoeker in het hart van de grootste experiin het Franse Cadarache door ze- mentele fusiereactor ter wereld: Joint European ven internationale partners, waar- Torus (JET), bij Oxford, Engeland. onder de EU, gebouwd aan de internationale ITER reactor. Dit uitdagende wetenschappelijke en technologische project moet voor het eerst aantonen dat met fusie meer energie kan worden opgewekt dan verstookt. Ontwerpers, technici en wetenschappers van FOM-Rijnhuizen werken mee aan het testen en ontwerpen van onderdelen voor ITER. In het Fusie Informatie Centrum vindt u informatie over het hoe en waarom van fusie-energie, over de status en vooruitgang van het onderzoek, demonstraties van plasma’s, een model van ITER en een korte film over het fusie-onderzoek.
- 10 -
