SRON Spectrum. Nr. 8 juni Superscherpe beelden met warmtestraling Zwaartekrachtsgolven meten EURECA

SRON Spectrum Nr. 8 | juni 2006

Superscherpe beelden met warmtestraling Zwaartekrachtsgolven meten EURECA SRON Netherlands Institute for Space Research

LISA Pathfinder: een verkenner voor hoge-resolutie-elektronica De wetenschap staat aan het begin van een nieuw tijdperk. Een tijdperk dat zal worden ingeluid met de detectie van zwaartekrachtsgolven. Wereldwijd staan enorme detectoren opgesteld die zijn ontworpen om een glimp op te vangen van zwaartekrachtsgolven, de trillingen van ruimte-tijd die worden voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein. Zwaartekrachtsgolven worden volgens de theorie veroorzaakt door bewegingen van zware massa’s, zoals in zeer compacte dubbelsterren. De te meten effecten zijn miniem en de aardse detectoren hebben nog niet de vereiste gevoeligheid. Maar dat is slechts een kwestie van tijd. Ondertussen wordt er ook gewerkt aan een ambitieus vervolg op de aardse detectoren, namelijk een antenne voor zwaartekrachtsgolven gestationeerd in de ruimte. Deze ‘Laser Interferometer Space Antenna’ (LISA) is een samenwerking van ESA met NASA en staat gepland rond 2015 (maar deze lanceerdatum staat onder druk). Voor de lancering van LISA wordt eerst de technologie in 2009 met een kleine missie proefgedraaid: LISA Pathfinder. Net zoals dat bij elektromagnetische straling het geval is, worden

corresponderen met tijdschalen van seconden tot uren. Juist in dit

zwaartekrachtsgolven gekarakteriseerd door hun golflengte

gebied zijn er bronnen bekend waarvan men nu al weet dat deze

of hun frequentie. Ook zijn, analoog aan elektromagnetische

zichtbaar moeten zijn voor LISA. Maar de lage frequenties op het

straling, bepaalde frequenties van zwaartekrachtsgolven

gebied van uitleeselektronica herbergen enige hindernissen.

op aarde niet meetbaar. Dit zijn de ‘lage’ frequenties, die

LISA Pathfinder wordt losgekoppeld van de propulsiemodule op een afstand van 1,5 miljoen km van de aarde (EADS Astrium)



| SRON Spectrum | juni 2006

Vrij zwevende testmassa’s Het meetprincipe van LISA is gebaseerd op een afstandsmeting: de afstand tussen twee vrij zwevende ‘testmassa’s’ wordt bepaald met behulp van laserinterferometrie. Bij LISA gaat het om een onderlinge afstand tussen de testmassa’s van vijf miljoen kilometer. Een typische passerende zwaartekrachtsgolf zal deze afstand doen variëren met een amplitude van ongeveer een miljardste van een centimeter (10 -12 m), en dan hebben we het over een flink signaal! Om dergelijke minieme effecten te kunnen meten, zijn de technologische eisen enorm. Daarom wordt LISA voorafgegaan door een technologie-demonstratiemissie: LISA Pathfinder. Deze missie is er in hoofdzaak op gericht om aan te tonen dat de testmassa’s met hoge nauwkeurigheid in een vrijzwevende toestand kunnen worden gebracht. In vaktaal: zodat ze in vrije val zijn. Alle te testen technologieën ondergebracht in LISA Pathfinder zijn hierop gericht. Een belangrijke technologie is hierbij de zogeheten Inertial Sensor, die de relatieve beweging van de testmassa en satelliet meet.

LISA Technology Package van LISA Pathfinder. Te zien zijn de twee vacuüm containers met in ieder een Inertial Sensor. Tussen de twee containers bevindt zich een optische meetopstelling waarmee de afstand tussen de twee testmassa’s via een raampje in de containers gemeten wordt. Het hele pakket is zo’n 50x30x30 cm groot.

Daarnaast is het functioneren van satellieten en de meetsystemen

deze gesimuleerde signalen om naar daadwerkelijke spanningen

als één geheel van cruciaal belang. Dit vergt het uiterste op het

en stromen voor de uitleeselektronica. Dat vergt veel meer dan

gebied van navigatie en standregeling. Ook dit aspect wordt in

alleen een pure omzetting van een digitaal naar een analoog

LISA Pathfinder getest.

signaal: de aangeboden spanningen moeten precies ‘matchen’ met de eigenschappen van de uitleeselektronica. Daarvoor is een

IS-SCOE

grondige kennis van de uitleeselektronica een vereiste. Tevens

SRON draagt aan LISA Pathfinder bij met de zogeheten Inertial

moet de IS-SCOE de signalen loepzuiver houden. Er mogen geen

Sensor Special Check-Out Equipment (IS-SCOE). Voordat LISA

vertragingen in de IS-SCOE optreden en de signalen moeten

Pathfinder in 2009 gelanceerd wordt, zal deze uitvoerig op de

nagenoeg ruisvrij zijn.

grond worden getest. Omdat de satelliet en de tesmassa’s onder

De IS-SCOE heeft nog een functie. De testmassa’s worden tijdens

Bij LISA is de afstand tussen de testmassa’s vijf miljoen kilometer invloed van de aardse zwaartekracht nu eenmaal op de vloer

de vlucht door middel van elektrische krachten bijgestuurd, om

staan, wordt tijdens de tests op de grond het dynamische gedrag

de afstand tussen testmassa en hun behuizing – de satelliet – niet

gesimuleerd. Hierbij worden de testmassa’s en hun behuizing

al te groot te laten worden (ze moeten bijvoorbeeld niet tegen

vervangen door de IS-SCOE van SRON en gekoppeld aan de

hun behuizing botsen). De elektrische krachten worden opge-

uitleeselektronica van de Inertial Sensor. Het simulatiemodel

wekt door spanningen aan te brengen op elektroden in de behui-

van de Inertial Sensor, dat ook door SRON is ontwikkeld, vertaalt

zing van de testmassa’s. In de tests op de grond worden deze

het dynamische gedrag van de testmassa’s naar elektronische

bijstuur-spanningen naar de IS-SCOE omgeleid. Deze voert een

signalen die representatief zijn voor de signalen zoals de uitlees-

aantal bewerkingen uit op de gemeten spanningen, maakt er ver-

elektronica die tijdens de vlucht zou registreren. De IS-SCOE zet

volgens een digitaal signaal van en sluist dat weer door naar het juni 2006 | SRON Spectrum |



simulatiemodel van de Inertial Sensor, waar de digitale signalen

getest worden – het LISA Technology Package. Astrium Duitsland

worden gebruikt om de krachten te berekenen die de elektrode

geeft de IS-SCOE dan door aan de hoofdaannemer voor de

in werkelijkheid op de testmassa’s zouden uitoefenen. Wederom

satelliet, Astrium Verenigd Koninkrijk, die deze vervolgens inte-

is het daarbij zaak dat de IS-SCOE bij het uitlezen van de bijstuur-

greert in de grondtestopstelling.

spanningen nagenoeg geen ruis injecteert. ExoMars Laagfrequente elektronische ruis

Het meetprincipe van LISA en de ermee gemoeide technologieën

De uitdaging in de ontwikkeling van de IS-SCOE ligt vooral in

hebben overeenkomsten met een aantal potentiële toekomstige

het feit dat de vereiste gevoeligheid zeer hoog is, namelijk gelijk

missies op het gebied van geofysica en planetaire evolutie

aan de gevoeligheid van de uitleeselektronica, en liefst nog

van de aarde en planeten, een belangrijk wetenschappelijk

Wereldwijd staan enorme detectoren opgesteld om een glimp op te vangen van zwaartekrachtsgolven, de trillingen van ruimte-tijd voorspeld door de algemene relativiteitstheorie van Einstein wat beter. Nu zijn de elektronici bij de Engineering Division, die de ontwikkeling van de IS-SCOE op zich heeft genomen, wel wat gewend. Iedere nieuwe missie van SRON verlangt immers altijd een verbetering op het gebied van gevoeligheid en nauwkeurigheid van de instrumenten, en daarbij horen dan scherpere eisen aan de elektronische componenten. Maar met de IS-SCOE voor LISA Pathfinder is door de elektronici een tamelijk nieuw gebied betreden, namelijk die van de laagfrequente elektronische ruis. Alle elektrische componenten (versterkers, weerstanden, transistoren, etc.) vertonen een bepaalde mate van ruis die het signaal verstoren. Deze ruis heeft de typische eigenschap dat hoe langer je de ruis bekijkt, hoe groter de fluctuaties worden. Bij LISA Pathfinder gaat het nu juist om de beweging van de testmassa’s op een tijdschaal van uren, een gebied waar elektronische ruis prominent is. Hier moet bij de ontwikkeling van de IS-SCOE terdege rekening mee worden gehouden. Het komt aan op een gedegen ontwerp met daarin verwerkt speciale ruisonderdrukkende technieken, het gebruik van de allerbeste elektronische componenten, en kennis en begrip van de uitlees- en regelelektronica. Wat betreft het laatste wordt nauw samengewerkt met de Technische Universiteit Zürich, die de uitlees- en regelelektronica voor de Inertial Sensor ontwikkelt. Op dit moment wordt de laatste hand gelegd aan een prototype van de IS-SCOE. Het prototype wordt onderworpen aan een uitvoerige testcampagne om er zeker van te zijn dat het ontwerp in orde is en met name de eisen op de nauwkeurigheid worden gehaald. Aan het eind van dit jaar wordt de IS-SCOE afgeleverd aan Astrium Duitsland, die eindverantwoordelijk is voor het gehele pakket sensoren en instrumenten die in LISA Pathfinder



| SRON Spectrum | juni 2006

Elektronici van de Engineering Division die de IS-SCOE hebben ontworpen, testen een ‘breadboard’ van de IS-SCOE

aandachtsgebied van SRON. Het gaat dan zowel om planetaire seismische metingen ter plaatse als zwaartekrachtsveldmetingen aan aarde en planeten. Dit soort missies staat op de agenda van SRON, waarbij onze aandacht uitgaat naar prestatie-kritische en volledig geminiaturiseerde uitlees-, meet- en regelelektronica voor vergelijkbare sensoren als in LISA Pathfinder. In dat veld is dus de kennis die we met onze deelname in LISA Pathfinder op het gebied van de uitleeselektronica hebben verkregen direct inzetbaar. Heel concreet is de aansluiting met onze onlangs verworven rol in ExoMars. De Technische Universiteit Zürich heeft SRON benaderd voor het ontwikkelen van zogeheten mixed-signal-ASICs (zie SRON Spectrum nr. 7, januari 2006), die voor de ExoMars-missie onderdeel gaan uitmaken van de uitlees- en bijstuurelektronica van een extreem breedbandige (de laagste frequentie is 0,1 mHz, oftewel een golflengte van bijna drie uur) seismometer op Mars. Ondertussen heeft de PI (Principal Investigator) van het seismometerinstrument onze bijdrage officieel als essentieel voor de wetenschappelijke kwaliteit betiteld. De ASICs hebben als kerntaak de data-acquisitie met hoge nauwkeurigheid bij zeer lage frequenties, waar de eerder genoemde laag-frequente ruis het onkruid is dat gewied moet worden. De kennis en expertise die is opgedaan in het IS-SCOE sluiten dus perfect aan op het aankomende ASIC-traject voor ExoMars. SRON heeft zijn kaarten goed gespeeld. Deelname aan LISA Pathfinder en het opzetten van de ASIC-lijn binnen de Engineering Division (zie SRON Spectrum nr. 7) in samenwerking met het Nederlands MKB en de universiteiten hebben samen geleid tot een ‘full-house’: een hardwarerol op een missie naar Mars. Hier begint werkelijk een nieuw tijdperk voor de Engineering Division van SRON.

Onderdeel van de IS-SCOE: een van de twaalf printed-circuit board (PCB) in de ISSCOE-behuizing. Via de drie zichtbare aansluitingen wordt IS-SCOE aangesloten op uitlees- en regelelektronica voor de Inertial Sensor van LISA Pathfinder.

Martijn Smit

Missies voor planetaire seismische metingen en zwaartekrachtsveldmetingen aan aarde en planeten staan op de agenda van SRON

juni 2006 | SRON Spectrum |



EURECA Het EURECA-project beoogt het ontwerp, bouw en test van een afbeeldende röntgenspectrometer, een detector die met hoge gevoeligheid zowel ‘plaatjes’ of beelden, als hoge-resolutiespectra kan maken van uitgebreide hemelobjecten, zoals sterrenstelsels, groepen van sterrenstelsels en supernovarestanten. EURECA (EURopEan Calorimeter Array) is een technologie-demonstratieproject ter voorbereiding op toekomstige ruimteprojecten en zal drie jaar duren. SRON is expert op het gebied van röntgenspectroscopie van astronomische objecten, zoals sterren, supernovaresten en zwarte gaten. Uit spectra kun je onder meer de chemische samenstelling, druk en temperatuur afleiden. Als hoofdaannemer (PI – Principal Investigator) van de reflectietralie spectrometer (RGS) op het in 1999 gelanceerde ESA-observatorium XMM-Newton was SRON verantwoordelijk voor de bouw van dit instrument. Het RGS-instrument kan geen spectrum meten van supernovarestant Casseopeia A, maar wel van puntvormige bronnen, zoals sterren. In het kader wordt een röntgenafbeelding getoond van de supernovarestant Cas A en een röntgenspectrum van de ster Capella, beide gemeten met XMM-Newton-instrumenten. Om een leidende rol op het gebied van röntgenspectroscopie te handhaven, werkt SRON al een tiental jaren aan een nieuw type röntgenspectrometer die gebaseerd is op een microcalorimeter. De voordelen van zo’n type detector ten opzichte van de RGSspectrometer zijn: - een ongeveer vijf keer grotere detectie-efficiency en een groter golflengtebereik,

Afbeelding in röntgenstraling van supernovarestant Casseopeia A (NASA/CXC/SAO). De hete gasbol is de restant van een supernova-explosie, die omstreeks 1700 heeft plaatsgevonden. Röntgenstraling wordt uitgezonden door interstellair gas, dat door een schokgolf van de explosie is verhit tot temperaturen van omstreeks 1-10 miljoen graden. Ook heet gas uit de ster zelf is zichtbaar in röntgenlicht.

- de mogelijkheid om van ieder gedetecteerd röntgenfoton zowel de positie aan de hemel – afbeelding – als zijn golflengte

Spectrum van de ster Capella gemeten met het RGS-instrument. De figuur toont de röntgenintensiteit (verticale as) als functie van de golflengte (onderste horizontale as). Ter vergelijking is ook de energie vermeld in de bovenste horizontale as. In dit deel van het spectrum bevindt zich lijnemissie van de elementen zuurstof (O) en ijzer (Fe). De meetdata (zwarte lijn) worden samen met een model spectrum (rode lijn) getoond. Hieruit valt af te leiden dat de röntgenstraling van Capella wordt uitgezonden door gebieden met temperaturen van 1, en 7 miljoen graden.

of energie – spectrum – zeer nauwkeurig te kunnen bepalen. De ontwikkeling van een dergelijke afbeeldende microcalorime-

stijging met een veranderde weerstand als gevolg. De absorber

ter opent de weg voor spectroscopie van uitgebreide bronnen,

is door een warmtegeleider verbonden aan een bad op een sta-

zoals sterrenstelsels, groepen van sterrenstelsels, supernova-res-

biele, lage temperatuur nabij het absolute nulpunt, zodat de door

tanten en gaswolken.

het röntgenfoton veroorzaakte temperatuurverhoging vervalt in ongeveer 0,1 ms. Hierdoor kan de sensor enkele honderden foto-

Microcalorimeter

nen per seconde detecteren.

Wanneer een röntgenfoton met een bepaalde energie wordt

In een typische microcalorimeter leidt de absorptie van een rönt-

geabsorbeerd in een absorber, veroorzaakt dit een temperatuur-

genfoton met een energie van 6 keV tot een temperatuurver-

6

| SRON Spectrum | juni 2006

de tijd rijp voor het maken van toekomstplannen. Beide bovengenoemde satellieten zijn operationeel tot ongeveer 2009 en de tijd benodigd voor de implementatie van een nieuwe missie is op zijn minst tien jaar. De grote ruimtevaartorganisaties hebben plannen voor een nieuwe röntgensatelliet, bijvoorbeeld XEUS (ESA), ConstellationX (NASA) en NEXT (JAXA), en in alle plannen is een van de hoofdinstrumenten een afbeeldende röntgenspectrometer, zoals hierboven geschetst. Deze nieuwe plannen kunnen op zijn vroegst omstreeks 2015 worden gerealiseerd. XEUS is de meest ambitieuze missie van de drie. Door de grote optiek (een spiegel met 5 m2 verzamelend oppervlak) beoogt XEUS een studie van de röntgenbronnen in het vroege heelal. Hierbij is de hoge detectie-efficiency van de koude cryogene spectrometer van ultiem Volledig functioneel detector-array voor EURECA. Alle 25 pixels zijn apart aangesloten met 5 μm brede bedrading die naar de zijkant wegloopt. In het centrum van ieder pixel is een absorber aangebracht. De detectoren zijn met dunne-filmlithografie op een 1 μm dik membraan gemaakt en zijn onderling door openingen (‘slots’) in het membraan gescheiden. Detector is ontwikkeld door MESA+ en SRON.

belang. Op (multi)nationale schaal zijn buiten de bovengenoemde ruimtevaartagentschappen om, meer bescheiden (vooral goedkopere) missies met cryogene spectrometers in studie, zoals NEW

hoging van slechts 10 -3 K. Om de energie van dit foton met een nauwkeurigheid (resolutie) van 5 eV te kunnen bepalen, is het dus nodig om die temperatuurstijging met een nauwkeurigheid van 1 op 1200 te meten, oftewel een temperatuurnauwkeurigheid beter dan 10 -6 K. Hiervoor is het noodzakelijk de detector af te koelen tot 100 mK, ofwel -273,05 ºC. Bij die temperatuur is de ruis in de detector laag genoeg om temperatuurstijgingen met een nauwkeurigheid van ongeveer 10 -7 K te kunnen meten. De hoge energieresolutie beperkt ook de afmeting van de absorber tot typisch 0,5 x 0,5 mm2 x 2 μm (oppervlak x dikte). De detectorontwikkeling bij SRON heeft de afgelopen jaren tot wereldklasse sensoren geleid. Er is een energieresolutie behaald van < 4 eV voor röntgenfotonen van 6 keV, ofwel een oplossend vermogen dat beter is dan 1 op 1500. Deze resultaten zijn behaald met een enkele microcalorimeter, maar resoluties van 5 eV zijn nu ook behaald met pixels in een 5 x 5 array. Een dergelijke energieresolutie is voor XEUS vereist. Voor deze Europese missie

Spectrum van een 55Fe bron gemeten met een SRON-microcalorimeter. De inzet laat zien dat de scherpe lijn nabij 5900 eV kan worden gesplitst in twee aparte lijnen (de blauwe lijn is een model voor het spectrum). De energieresolutie van deze detector is 3,4 eV.

wordt gedacht aan een array van 32 x 32 pixels. (SRON/Nederland), ESTREMO (ASI/Italië), DIOS (JAXA/Japan). Vroege heelal

Hoofdthema voor deze missies, die mogelijk iets eerder kun-

Aangezien de twee belangrijkste röntgenobservatoria, XMM-

nen worden gerealiseerd, is de studie van warm gas in de ruimte

Newton (ESA) en Chandra (NASA), in 1999 zijn gelanceerd, is

tussen sterrenstelsels. Dat gas zendt röntgenstraling uit en kan

juni 2006 | SRON Spectrum |



Schematisch overzicht van EURECA

SRON is verantwoordelijk voor het systeemontwerp, bouw, integratie en test van het instrument met belangrijke bijdragen van (inter)nationale partners. De ADR (Adiabatic Demagnetization Refrigerator) koeler (zie insert linksboven) koelt de detectoren naar 50 mK. Het 5 x 5 pixel detector-array (zie TES array) wordt gemaakt door MESA+ (Universiteit Twente) en SRON. De uitlezing van het instrument is gebaseerd op frequentie-multiplexing, waarbij meerdere detectorpixels worden uitgelezen met dezelfde elektronische keten. Dit is mogelijk door de signalen van elkaar te scheiden in frequentie met behulp van de supergeleidende filters en de supergeleidende SQUID-versterkers. SRON zorgt voor de demultiplex-elektronica, die de signalen van de verschillende pixels weer uit elkaar haalt. De EGSE en instrumentcontrole-unit komen van SRON met een belangrijke bijdrage van PSI.

alleen worden bestudeerd met een spectrometer, die tegelijker-

De aftrap van het EURECA-project vond plaats in mei 2005 bij

tijd ook afbeeldingen kan maken.

SRON. De integratie van hardware start midden 2006 met aflevering van de ADR-koeler aan SRON. Het plan is om eind 2007

Om sturing te kunnen geven aan de definitie van deze missies

zover te zijn dat het instrument geijkt kan worden met een

en om goed voorbereid te zijn op mogelijke deelname, heeft

röntgenbundel van het Synchrotron BESSY te Berlijn.

SRON het EURECA-project opgestart. Doel is om te laten zien dat SRON klaar is om zo’n instrument te bouwen met een team van (inter)nationale partners, uit onder andere het Verenigd Koninkrijk, Zwitserland, Duitsland, Finland, Spanje, Italië en Japan.



| SRON Spectrum | juni 2006

Piet de Korte

Superscherpe beelden met warmtestraling

Impressie van een van de ALMAantennes, die op 5000 m hoogte komen te staan in Chili (ESO)

Nu de lancering van het Herschel-ruimteobservatorium steeds dichterbij komt en het instrument HIFI (Heterodyne Instrument for the Far-Infrared) zijn voltooiing nadert, is het tijd geworden om na te denken over de volgende stappen die gezet moeten worden om onze sterrenkundige kennis te vergroten, bijvoorbeeld over het planeetvormingsproces. Deze gedachten spelen zeker ook bij ESA. Herschel is de vierde en laatste hoeksteen van ESA’s Horizons 2000-programma. In het Horizons 2000+-programma zijn nu missies als BepiColombo, Solar Orbiter, LISA en GAIA gepland. In het kader van het nieuwe ESAprogramma Cosmic Vision 2015-2025 wordt al gedacht aan een opvolger van Herschel: ESPRIT zou zo’n opvolger kunnen zijn. Vooruitgang in de sterrenkunde heeft vaak te maken met door-

Europese landen, Noord-Amerika en Japan, is van start gegaan

braken in technologie. Als het mogelijk wordt te kijken in meer

en zodra ALMA over een paar jaar begint met waarnemingen,

spectraal of ruimtelijk detail of met hogere gevoeligheid, levert

zal het mogelijk zijn om zelfs bij lange golflengtes met een

dat vaak zeer onverwachte resultaten op met hoge wetenschap-

nauwkeurigheid van 10 milliboogseconden te kijken (dat komt

pelijke waarde. In het infrarood zijn de afgelopen jaren de

er ongeveer op neer dat een tennisbal op 1000 km afstand

meeste ontwikkelingen gericht geweest op het toepassen van

zichtbaar is).

interferometrische technieken (waarbij meerdere telescopen aan elkaar worden gekoppeld). Zo zijn op dit moment bij de

In het gebied van 25 tot 300 micron ontbrak echter een initiatief

Europese zuidelijke sterrenwacht te Paranal (Chili) de eerste

om een zelfde scherpte te bereiken. Niet helemaal verwonderlijk,

interferometrische instrumenten actief. Maar ook in het sub-

want dit golflengtegebied is alleen te bekijken vanuit de ruimte

millimeter golflengtegebied is eenzelfde ontwikkeling te zien.

en dat stelt zo zijn eigen eisen aan grote projecten.

ALMA (Atacama Large Millimeter Array), een samenwerking van

Voor een scherp ‘plaatje’ moeten de telescopen afwisselend ver van elkaar en dicht bij elkaar staan juni 2006 | SRON Spectrum |



Water

de koude ruimte) en net als bij ALMA willen we gebruikmaken

Op de vraag ‘Hoe kunnen we een beeldscherpte van 10 milliboog-

van gekoelde detectoren. Bij ESPRIT zal deze keer geen vloeibaar

seconden krijgen op 100 micrometer (ver infrarood)?’ heeft een

Helium gebruikt worden, maar worden alleen de detectoren,

groep astronomen en ruimtevaartexperts nu een voorlopig ant-

in plaats van het gehele instrument, gekoeld met microkoelers.

woord op gegeven, gebruikmakend van de gezamenlijke kennis

Kandidaat-koelers zijn nu al als prototype aanwezig bij bijvoor-

Vooruitgang in de sterrenkunde heeft vaak te maken met doorbraken in technologie in vooral Nederland. Dit mogelijke project voor de toekomst

beeld de Universiteit Twente. Voor de detectoren gelden nu

hebben we ESPRIT genoemd en we zijn begonnen met het uit-

als belangrijkste kandidaten de Hot Electron Bolometer Mixers

werken van de randvoorwaarden en mogelijke technische oplos-

(HEBM), zoals ook toegepast op de hoogste frequenties van HIFI.

singen.

Deze mixers ontvangen hun referentiesignaal van Quantum

Het belangrijkste doel van ESPRIT (Exploratory Submm sPace

Cascade Lasers (QCL). Het is onlangs het SRON/TU Delft-team voor

Radio Interferometric Telescope) is het meten van de rol die

het eerst in de wereld gelukt om deze combinatie te gebruiken,

water speelt in de vorming van planetenstelsels. Dit zal cruciale

dus dat biedt perspectief voor de toekomst, zeker omdat QCL’s zeer compact zijn en dus erg geschikt voor gebruik in de ruimte. De collega’s van ASTRON, met ervaring op het gebied van het combineren, het correleren, van signalen van meerdere telescopen, hebben laten zien dat combinatie nu al mogelijk is door middel van zogenoemde gedistribueerde correlatoren, kortom elke telescoop een eigen correlator voor een deel van het totale signaal. Zes telescoopschotels De technische aspecten zijn dus nu al onder controle, hoewel verbetering altijd nog een tot een betere satelliet zal leiden. Het moeilijkste aspect is het laten samenvliegen van de zes telescopen. Om tot een scherp ‘plaatje’ te komen, moeten de telescopen gedurende een waarneming afwisselend ver van

Overzicht van de zes ESPRIT- telescoopschotels, gezien vanuit een richting dicht bij het tweede punt van Lagrange L2, met aarde en maan op de achtergrond. De ESPRIT-telescopen bevinden zich in een driedimensionale configuratie die door middel van uitdijing en inkrimpen een scherp beeld aan de hemel vormen. De rode lijntjes geven de laser’verbindingen’ aan tussen de telescopen, waarover data gezonden wordt en die kunnen dienen als afstandmeters.

elkaar en dicht bij elkaar staan. Dat kan gedaan worden door ze uit elkaar te laten drijven en weer bij elkaar te laten komen, maar tijdens de waarneming moeten de posities binnen een paar micrometer bekend zijn. Aangezien de eisen voor de zwaartekrachtsgolvenmissie LISA nog groter zijn, valt dat de komende jaren

informatie over het algemene planeetvormingsproces en dus

ongetwijfeld op te lossen.

uiteindelijk antwoord geven op de vragen: waarom is onze eigen aarde zoals die is en zijn er veel planeten zoals onze aarde?

Met een ruimte-interferometer zoals ESPRIT komt het begrijpen van het planeetvormingsproces een stuk dichterbij en tegelijker-

Microkoelers

tijd biedt het Nederland de mogelijkheid al haar huidige ken-

Hoe ziet ESPRIT er voor ons uit? De ESPRIT-satelliet bestaat uit

nis en kunde in te zetten. Van detectoren naar correlatoren en

zes telescoopschotels ter grootte van de Herschel-telescoop,

geavanceerde koelers, dit alles is in Nederland aanwezig en kan

te weten 3,5 meter in doorsnede. Deze schotels worden net als

samengebracht worden in ESPRIT.

Herschel passief gekoeld (door het wegstralen van warmte naar

10 | SRON Spectrum | juni 2006

Frank Helmich

Mooie natuurkundeproeven Begin 2006 was een belangrijk moment voor het instrument HIFI. Een gesprek met design engineer Bert-Joost van Leeuwen over de elektronicatests. Inmiddels is het instrument bij de SRON-vestiging in Groningen voor de volgende tests. Thermisch-vacuümtest

de elektronica in de satelliet lang niet zo

Eind februari werd bij SRON een elektro-

koud wordt als tijdens de test. Het tweede

nica-unit van het HIFI-instrument getest.

probleem was dat een computer bij de

Daarbij ging het in het bijzonder om de

testopstelling die normaalgesproken de

thermisch-vacuümtest van de FCU (Focal

verwarming en koeling van het instrument

Plane Control Unit). Onder gesimuleerde

regelt, het niet deed. Dat moesten we nu

ruimteomstandigheden, vacuüm met tem-

met de hand doen. Dat was, behalve veel

peratuurschommelingen tussen -20° en

extra werk, ook wel een mooie natuurkun-

50°C, is gekeken of de elektronica heel en

deproef: de unit in vacuüm plaatsen en

voldoende stabiel bleef.

kijken hoe het systeem reageert.’

De elektronica van het vluchtmodel van de

De thermisch-vacuümtest is verder goed

FCU is samengebouwd op een zestal print-

verlopen, maar bij de andere testonder-

platen, die een paar maanden daarvoor

delen zijn nog wel een paar problemen

gereed kwamen. Vervolgens is een groot

gevonden. Als die opgelost zijn, wordt de

testprogramma gestart waarbij eerst de

FCU-manager Bert-Joost van Leeuwen met (onderdelen van) de Focal plane Control Unit in de schone kamers

afzonderlijke printplaten getest zijn en de

gemaakt en speciaal voor HIFI ontwikkeld,

unit daarna als geheel.

maar omdat het merendeel bekende technieken en technologieën bevat, heb-

Tests

ben we een proto flight kwalificatiepro-

Zowel het ontwerp als de bouw en het

gramma. Het vluchtmodel is dus gebouwd

testen van de FCU is gedaan door de

zonder voorgaand kwalificatiemodel’, zegt

Engineering Division. Bert-Joost van

Bert Joost van Leeuwen.

Leeuwen leidde en coördineerde het geheel en was vaak bij de tests te vinden.

Een van de print-platen met een combinatie van analoge en digitale componenten

Wat na HIFI?

week lang, 24 uur per dag en loopt ook in

FCU afgeleverd om samen met de andere

sante informatie op gaat leveren, zal hij

het weekend door. Omdat er veel appa-

HIFI-onderdelen tot een compleet instru-

er trots op zijn. ‘Het was heel leuk om dit

ratuur bij betrokken is en omdat er een

ment opgebouwd te worden.

te maken, maar na een tijdje is het mooi

‘De thermisch-vacuümtest duurt bijna een

paar problemen waren met de opstelling,

Vooral als het wetenschappelijk interes-

geweest. Inmiddels heb ik er zes jaar aan

waren altijd meerdere mensen aanwezig.’

Bijzondere elektronica

gewerkt.’ Van Leeuwen geeft toe dat ook

Ploegen werkten dan ook de hele week in

In de cryostaat, het koudste gedeelte van

meespeelt dat het bij HIFI niet altijd heeft

nachtdiensten.

de satelliet Herschel, zit het hart van het

meegezeten. ‘Zo is het niet eerder gebeurd

Twee dingen bleken niet helemaal goed te

instrument. De FCU bevindt zich echter op

dat we in dit allerlaatste stadium nog

gaan, vertelt hij. ‘Een van de onderdelen

een ander deel van de satelliet en regelt

zoveel wissewasjes hebben.’

van de FCU werkte na een koude start niet

onder andere de aansturing van spiegels,

Wat rest is het testen van het reservemodel

meer. We hopen dat het onderdeel niet

mixers en versterkers en meet temperatu-

bestaand uit een set printplaten en als dat

stuk is maar dat dit “normaal” gedrag is.

ren, spanningen en stromen binnen die

af is, is HIFI voor hem en zijn mensen echt

Alles kan dan blijven zoals het is, omdat

cryostaat. ‘De elektronica is op maat

afgelopen. juni 2006 | SRON Spectrum | 11

Hectiek van het bouwen De assemblage van het vluchtmodel van de Focal Plane Unit (FPU) van HIFI is begin dit jaar afgerond door de Engineering Division (ED). De FPU is het ‘hart’ van het instrument, waar de straling gedetecteerd wordt. Een gesprek met de werkpakketleider FPU-assemblage Peter Paul Kooijman over de laatste fase van de assemblage. Ontwerp

De veertien detectormodules zijn getest

Peter Paul Kooijman is hoofd van de afde-

en geïntegreerd met de Diplexer Assembly

ling Mechanical Design & Realization.

(DA) en Common Optics Assembly (COA).

Daarnaast was hij als werkpakketleider

Kooijman: ‘Het is een mooi instrument om

FPU-assemblage verantwoordelijk voor de

te zien: het glimt, er steken overal sprieten

bouw van het kwalificatie- (QM) en vlucht-

uit en het ziet er wetenschappelijk en tech-

model (FM) van de FPU. Het hele ontwerp-

nisch uit.’ In de komende maanden staan

traject is goed verlopen volgens Peter Paul

testen en tuning van het instrument op het

Kooijman. ‘Het QM, waar ons werk begon,

programma. Eerste tests in de cryostaat in

heeft de vibratietests doorstaan en dat is

Groningen hebben inmiddels al uitgewe-

een enorme prestatie voor zo’n complex

zen dat de performance van het instrument

instrument. De assemblage is zeker niet

heel redelijk is.

alleen maar het in elkaar schroeven van het geheel. Tot het einde van de oplevering

Hectiek van het bouwen

waren er nog aanpassingen nodig en is er

Het HIFI-instrument is een van de meest

een aantal lastige problemen opgelost.

ingewikkelde en complexe instrumenten

Toch hebben we de bouw behoorlijk goed

tot nu toe voor SRON, met name door de

op schema kunnen houden. Met name

hoeveelheid subunits die op zichzelf de

zijn er een aantal lastige uitlijnproblemen

complexiteit van een instrument hebben.

opgelost’.

De afgelopen tijd was zeer hectisch voor de medewerkers van Kooijman. ‘Voor de problemen die op ons af kwamen, moest altijd een snelle, maar toch vluchtwaardige oplossing worden bedacht. Dat betekende creatief omspringen met de mogelijkheden

Manager van de afdeling Mechanical Design & Realization Peter Paul Kooijman in de cleanroom met het HIFI-instrument

en maakte het vooral een combinatie van

Na HIFI

werk en tijdsdruk.’

Het FM is nu afgebouwd, maar is nog niet vluchtwaardig. Het feit dat dit stadium

Bedrading wordt vastgelegd aan lichtfilters, waar het referentiesignaal en het ruimtesignaal samengevoegd worden

12 | SRON Spectrum | juni 2006

Bij de bouw van HIFI brengen de SRON-ves-

bereikt is, vindt Kooijman al heel veel

tigingen in Utrecht en Groningen ieder hun

waard en moet gevierd worden, want er

eigen expertise in. ‘De Groningse collega’s

zijn veel technische problemen opgelost.

zijn onder andere goed in het onderzoek

Na een dergelijk groot project zal leven

en in het testen van de mixerunits en het

van Kooijman en collega’s er even anders

sterke punt van Utrecht is juist het bouwen

uitzien. ‘Je wordt geleefd door zo’n instru-

en in elkaar zetten ervan. Deze werkver-

ment. Hierna loop ik even niet meer rond

deling was heel natuurlijk en samenwer-

met een doorgeschakelde telefoon, word

king liep heel goed, ondanks de 200 km

ik niet meer elke vergadering een paar

afstand.’

keer gebeld of gestoord.’

Status HIFI In 2007 wordt de Europese ruimtetelescoop Herschel gelanceerd. Deze satelliet zal straling in het verre infrarood en submillimetergebied detecteren. SRON heeft de leiding over de bouw van een van de drie instrumenten aan boord: het HIFI-instrument, Heterodyne Instrument for the Far Infrared. In SRON Spectrum houden we u in elk nummer op de hoogte van de laatste ontwikkelingen en tests.

Van de Focal Plane Unit (FPU), het hoofdbestanddeel van HIFI waarin zich ook de detectoren bevinden, zijn door SRON drie modellen gemaakt. Het eerste model is het zogenoemde Development Model (DM). Aan de hand van dit model is het ontwerp van HIFI getest. Het tweede model is het cryokwalificatiemodel, het HIFI FPU CQM. Dit model is gebouwd om te zien of het instrument functioneert in de satellietconfiguratie. Het derde model is het vluchtmodel (HIFI FPU FM), dat in 00 gelanceerd wordt om op anderhalf miljoen kilometer verwijderd van de aarde z’n waarnemingen te gaan doen. HIFI FPU CQM is net terug bij SRON na een jaar bij Astrium in Duitsland te zijn geweest. Daar is het succesvol in de satellietconfiguratie getest, samen met de andere twee instrumenten van Herschel, te weten PACS en SPIRE.

De Herschel-satelliet wordt bij EADS in elkaar gezet. Op de foto is de cryostaat te zien, met de tanks en het platform voor de instrumenten (EADS Astrium, A. Ruttloff)

De afgelopen periode zijn vanuit de hele wereld onderdelen binnengekomen voor het vluchtmodel van HIFI FPU. Dit model is nu volledig geassembleerd. Waren eerder al delen van dit vluchtmodel getest, binnenkort gebeurt dit met de volledige FPU. Eerst wordt bekeken of alles op instrumentniveau naar behoren functioneert, daarna volgt een koude vibratietest om te checken of het de trillingen van de lancering kan doorstaan. Tot slot wordt geheel HIFI getest voordat alles in de tweede helft van 006 wordt afgeleverd aan ESA. Daar wordt HIFI geïntegreerd in de satelliet. Herschel krijgt de grootste spiegel ooit voor een satelliet gemaakt en doet zijn waarnemingen 1,5 miljoen km van de aarde (EADS Astrium, P. Dumas)

Reina de Lange

juni 2006 | SRON Spectrum | 1

KORT NIEUWS ASIC-elektronica getest op straling Op het gebied van digitale elektronica voor ruimtetoepassingen is wereldwijd al veel ontworpen en getest. Om juist de niche van kennis omtrent het ontwerp van mixed-signalelektronica (een combinatie van digitaal en analoog) voor ruimtetoepassingen op te vullen, is SRON het Space Qualification-project gestart. SRON heeft tests uitgevoerd om het gedrag van geminiaturiseerde elektronica in de ruimte te onderzoeken. Immers, elektronica

Testboard met de testtransistoren en microscoopfoto van digitale testchip

aan boord van satellieten staat bloot aan kosmische straling die kan leiden tot een korte levensduur of uitval van functies van de

aan de radioactieve bron gemeten, om een idee te krijgen van

elektronica. Voor een mixed-signal-ASIC (een enkele chip met

de verslechtering van de analoge prestatie onder invloed van

analoge en digitale componenten) is dit vaak een groot probleem,

straling. Verder is een aantal exemplaren van in huis ontwikkelde

niet alleen in het digitale, maar ook in het analoge deel.

mixed-signal en digitale geïntegreerde circuits bestraald om de stralingstolerantie van de circuits te testen.

In februari vond bij ESA-ESTEC (Noordwijk) een stralingstest plaats op een aantal speciale, tegen straling bestande transistoren

De tests vonden plaats in samenwerking met het Belgische IMEC,

en een aantal normale transistoren. In deze test hebben we de

die de teststructuren heeft geleverd. Voor meer informatie kunt u

karakteristieken van de transistoren tijdens de blootstelling

contact opnemen met Steven Leussink ([email protected]).

Symposium ‘Water’ De Koninklijke Nederlandse Vereniging voor Weer en Sterrenkunde (KNVWS), de Vereniging voor weerkunde en Klimatologie (VWK) en SRON organiseren op 7 oktober een symposium met als thema: ‘Water’. Gerenommeerde onderzoekers van onder andere SRON zullen op een voor breed publiek toegankelijke manier vertellen over de rol van water in het heelal, in het zonnestelsel, in de atmosfeer en op het aardoppervlak. De bijdragen van SRON aan HIFI en de begin 2007 te lanceren Gravity field and steady state Ocean Circulation Explorer (GOCE) komen uitgebreid aan bod. Het symposium vindt plaats in het Educatorium op Universiteitsterrein De Uithof in Utrecht. Meer informatie over het programma en de aanmeldprocedure is te vinden op www.sterrenkunde.nl/knvwssymposium. Beeld: Bert van Dijk

14 | SRON Spectrum | juni 2006

Detectoren voor CHAMP+ afgeleverd De afgelopen drie jaar is bij SRON gewerkt aan het ontwerpen en het maken van detectoren voor de CHAMP+-array. Het CHAMP+project is een samenwerkingsverband van SRON, de Technische Universiteit Delft en het Max Planck Institüt für Radioastronomie te Bonn. CHAMP+ is een voorloper voor het grote ALMA-project, waarbij enige tientallen telescopen worden geplaatst in de hooggelegen, uiterst droge Atacamawoestijn in Chili. De CHAMP+-ontvanger is in maart afgeleverd bij het Max Planck Institut om te worden ingebouwd in APEX, de eerste multipixelsubmillimetertelescoop. Deze telescoop is in feite een kopie van het prototype voor de 12m ALMA-antennes. Ook de locatie is identiek: APEX staat op de op 5000 m hoogte gelegen ALMA-site in

De XMM-Newton maakte dit beeld van de pulsar, te zien in het rood (ESA)

Chili. Het ontwerp van de CHAMP+-ontvanger wordt ook gebruikt voor de ALMA Band 9 cartridge (voor de frequentie 600-720 GHz), die SRON momenteel ontwikkelt. Veel componenten hiervoor worden vervaardigd door lokale bedrijven. De detectoren, zeven

Kosmische klok blijkt draaitol

supergeleidende state-of-the-art SIS-mixers, zijn een product

Een internationaal team ruimteonderzoekers van onder andere

van de al langlopende samenwerking van SRON met de TU Delft,

SRON heeft vastgesteld dat een door hen onderzochte ster niet

waarbij continu gepoogd wordt de prestaties van de ontvangers te

alleen om zijn as draait, maar dat die as zelf ook rondtolt met

verbeteren.

een periode van zeven jaar. De hiervoor gebruikte metingen zijn gedaan met een door SRON gebouwd instrument aan boord van de ESA-röntgensatelliet XMM-Newton. De resultaten, die een belangrijke stap zijn in het onderzoek naar het binnenste van neutronensterren, verschijnen binnenkort in het tijdschrift Astronomy & Astrophysics. Toen de Europese XMM-Newton satelliet gelanceerd werd, gebruikten de astronomen die ermee werkten de temperatuur van de pulsar RXJ0720.4-3125 als ijkpunt voor hun metingen met de onder leiding van SRON gebouwde röntgendetector. ‘De ster zendt alleen röntgenstraling uit en dat is zeldzaam,’ legt Cor de Vries, instrument scientist bij SRON, uit. In 2004 werd echter duidelijk dat deze ster helemaal niet zo stabiel is. De temperatuur nam eerst toe om vervolgens weer te dalen. Dit blijkt veroorzaakt te worden doordat we steeds verschillende delen van de ster zien. ‘De rotatie-as zelf tolt rond met een periode van ongeveer zeven jaar. Waarschijnlijk komt dit doordat de ster niet rond maar een

CHAMP+-mixer block met daarin een focal plane array van zeven 600-720 GHz SIS-mixers

beetje eivormig is. Het is pas de tweede pulsar waarbij deze tolbeweging is ontdekt’, aldus De Vries.

juni 2006 | SRON Spectrum | 15

Colofon SRON Spectrum is de nieuwsbrief van SRON Netherlands Institute for Space Research en verschijnt drie keer per jaar. In SRON Spectrum gepubliceerde meningen en opvattingen vallen onder de verantwoording van de redactie en weerspiegelen niet noodzakelijk het standpunt van de directie van SRON. SRON maakt deel uit van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek, NWO. Wilt u zich aan- of afmelden voor SRON Spectrum, stuur dan een email naar [email protected]. Uitgave SRON Netherlands Institute for Space Research Sorbonnelaan 2, 3584 CA Utrecht T 030 253 5600 F 030 254 0860 [email protected] www.sron.nl Redactie Jasper Wamsteker, Tessa Knaake, Hans Braun, Jelle de Plaa, Reina de Lange, Steven Leussink, Ruud Hoogeveen, Marcel Ridder Vormgeving Tom de Vries Lentsch Productie PrintPartners Ipskamp B.V. Figuur cover: Het vluchtmodel van het HIFI-instrument wordt in de cleanroom van SRON met black light gecontroleerd. Eventuele vuil- of stofdeeltjes op het instrument die hiermee te zien zijn, worden verwijderd met een speciale stofzuiger en een marterharen penseel.