Čistý výzkum laserů

(Zdroj Fraunhofer IPA; Fotografie: Martin Salajka)

(Zdroj Fraunhofer IPA; Fotografie: Martin Salajka)

(Zdroj: Fraunhofer IPA)

(Zdroj: Fraunhofer IPA)

V blízkosti české metropole Prahy vzniká nyní s prostředky EU nejvýkonnější laserové centrum na světě: „Extreme Light Infrastructure“ (ELI). Mělo by být k dispozici vědcům z celého světa během několika let pro základní výzkum.

To, co znamená CERN pro částicové fyziky, má být ELI pro laserový výzkum. Již samotná výstavba zařízení, která bude stát několik stovek milionů eur, představuje odborníkům dosud neznámé výzvy. Problém spočívá v tom, že přístroj o rozloze fotbalového hřiště reaguje velmi citlivě na nečistoty. Vysoce energetické laserové paprsky, které procházejí ultranízkým vakuem, by spálily nebo ztuhly částice a plyny na stěnách, což by mohlo způsobit jejich vypálení nebo ztuhnutí, tedy přeměnu na látky, které se usazují jako povrchová vrstva. Zrcadla by se zakalila a celé zařízení by se stalo nepoužitelným. Čistota je proto nejvyšší prioritou. Požadavky jsou vysoké: na vnitřní straně smí být pouze 100 nanogramů organických nečistot na metr čtvereční, což odpovídá jen několika molekulárním vrstvám. Ztěžující okolností je, že desítky různých společností z celé Evropy dodávají jednotlivé komponenty, od podlahových krytin po protikorozní prostředky, od ocelových nosníků po izolační materiály. Všichni musí pečlivě dodržovat stanovené normy čistoty. „Je to obrovské úsilí,“ říká Markus Keller, expert na čistotu ve Fraunhofer IPA.

Fraunhofer IPA podporuje

Řada firem se již obrátila na IPA – a počet těchto žádostí stále roste. Protože stuttgartský institut má nejen největší čistou místnost na světě v třídě ISO 1, ale jeho odborníci mají také potřebné know-how ve všech otázkách čistoty. A v tomto projektu, který řídí Keller, jsou potřeba všechny aspekty, od čištění po validaci, od čistého balení po školení. Jde jak o organické nečistoty, tak o částice. A také o to, aby se nepoužívaly materiály, které uvolňují plyny, například plast v novém autě. Postup je proto velmi rozmanitý. Některé díly, například vakuové uzávěry o váze půl tuny, se čistí ve Stuttgartu, pečlivě balí a posílají na cestu. Švábští odborníci používají pro balení speciální fólii, kterou výrobce speciálně pro IPA vyrobil v čisté místnosti. U jiných komponentů by byl přeprava příliš náročná. Například je potřeba více než 100 nerezových trubek, každá dlouhá 6 metrů a široká 40 centimetrů. Skrze ně budou později procházet laserové paprsky v ultranízkém vaku. Tyto trubky lze spojovat pouze na místě, což vyžaduje dočasnou čistou místnost. To znamená: nátěr stěn, podlahová krytina, protikorozní ochrana – nic v tomto prostředí nesmí uvolňovat plyny. IPA hledá pomocí laboratorních testů optimální stavební materiály. Rozdíly jsou velké: běžná průmyslová podlaha uvolňuje asi 10 000krát více plynů než čistá místnost.

Analýzy ze Stuttgartu

Největší výzvou jsou však vnitřní prostory, trubky a rozvodné komory, kterými budou později procházet laserové paprsky. Musí splňovat nejvyšší požadavky. To znamená: výrobce je musí vyčistit, hermeticky zabalit a v Česku složit dohromady v čistém prostředí. Bez kontroly to není možné. Čištění probíhá pomocí směsi rozpouštědel, která se na díly postříká. Poté přichází na řadu IPA – a neustálá přeprava sem a tam po Evropě. Institut nejprve posílá extrémně čisté nádoby výrobní firmě, která je naplní vzorky čisticího roztoku. K analýze se vracejí zpět do Stuttgartu. Zde Keller se svým týmem filtruje kapaliny a následně počítá částice. Tak může nejen zjistit, zda počet částic odpovídá normám, ale také optimalizovat proces čištění. Analýzy ukazují, jak se čistota během čištění zvyšuje a jak dlouho je třeba postříkat.

Kromě částic se na stěnách mohou držet i organické látky, například otisky prstů. Proto jsou potřeba další kontroly. I zde má IPA k dispozici potřebné vysoce čisté vybavení: pro malé plochy se používají SWABy, což jsou špičková vatová tyčinka, pro větší plochy WIPEs, vysoce čisté utěrky. Malé dózy, ve kterých jsou utěrky zasílány, nevypadají jako high-tech produkty, ale za jejich výrobou stojí mnoho know-how a letitá práce. Všude hrozí kontaminace nečistotami, které by mohly znečistit utěrku nebo dózu. IPA dokonce provedlo přepravní pokusy a kontejnery poslalo za každého počasí přes celou zemi, aby vyloučilo jakékoli změny během cesty. Postup je podobný jako u částic: zaměstnanec výrobní firmy otevře přepravní obal, odebere utěrku, setře plochu předem stanovené velikosti a vše co nejrychleji znovu uloží do obalu, který také obsahuje rozpouštědlo. Pro analýzu jsou opět zodpovědní Stuttgartští. Nechají vyschnout určité množství rozpouštědla a poté stanoví, jak velké je organické znečištění. „My sami dokážeme změřit i molekulární vrstvu,“ říká Keller.

Možnost dodatečného čištění vyloučena

Mezi úkoly expertů z IPA patří také školení zaměstnanců zúčastněných firem. Protože jen málokdo ví, jak se má chovat, aby se zabránilo kontaminaci – navíc na toto speciální téma zatím neexistuje žádný studijní obor. A superlaser neodpouští žádné chyby. Všichni zúčastnění jdou do neznáma. Projektoví manažeři z firmy ELI Beamlines se nejvíce obávají výpadku při spuštění zařízení. Existují dvě možné scénáře: požadované vakuum nelze dosáhnout, protože materiály uvolňují plyny, nebo se zrcadla mohou náhle zamlžit. Dodatečné čištění není možné. Jakmile je přístroj jednou sestaven, zůstává hermeticky uzavřen.

Kontakt:

Dr.-Ing. Markus Keller
Telefon +49 711 970-1560
markus.keller@ipa.fraunhofer.de