Interview met Dr. Kai Dirscherl over zijn lezing op de Cleanzone-conferentie in Frankfurt

Dr. Kai Dirscherl

Terugvoerbaarheid vereist uniforme maatstaven en betrouwbare meetmethoden. Zonder deze zou een internationaal vergelijkbare kwaliteitsborging in de cleanroomtechnologie niet mogelijk zijn. Metrologe Dr. Kai Dirscherl spreekt op het Cleanzone Congres (22. - 23. oktober 2013) over het omgaan met meetonzekerheden, over de betekenis van internationale normen en over wat schapen met zijn onderzoeksgebied te maken hebben. In een persoonlijk gesprek geeft de wetenschapper vooraf een inkijkje in zijn lezing ‘Terugvoerbaarheid van deeltjesgrootte en -aantalconcentratie’, die hij op de eerste congresdag in Frankfurt houdt.

Herr Dr. Dirscherl, wat betekent terugvoerbaarheid?
Terugvoerbaarheid beschrijft in de metrologie een fundamentele eigenschap voor de omgang met meetwaarden: Een terugvoerbaar resultaat wordt gekenmerkt door een ononderbroken keten van vergelijkingsmetingen, elk met bekende meetonzekerheden. Deze meetketen is gebaseerd op een erkend normaal, dat wil zeggen op een vergelijkingsobject, een referentiestof of een meetinstrument.

U bent onderzoeker en kwaliteitsmanager bij het Danmarks Nationale Metrologiinstituut (DFM) in Lyngby. Wat is uw werkgebied en waar komt u in aanraking met de cleanroomtechnologie?
Ik werk sinds ongeveer zeven jaar in verschillende afdelingen van het DFM. Sinds midden dit jaar ligt een van mijn aandachtsgebieden op de coördinatie van onze nieuwe vakgroep voor deeltjesmetrologie. Dit onderwerp was tot nu toe ondergebracht bij de nanometrologie, waar we aansluiting vinden in de micro-, telecommunicatie- en halfgeleiderindustrie. Over het algemeen wint het onderwerp deeltjesmetrologie steeds meer aan belang. Vooral in de farmaceutische industrie, maar ook in andere interessante toepassingsgebieden, wordt de roep om internationaal uniforme en betrouwbare normen voor deeltjesmeting en documentatie luider. Tegen deze achtergrond hebben wij besloten om deze zelfstandige vakgroep op te richten.

Met welke actuele taken houdt de metrologie zich bezig op het gebied van de cleanroomtechnologie?
Men zegt wel eens: “Wie veel meet, meet onzin”. Deze losse uitdrukking beschrijft echter een situatie die onze aandacht vereist. Want hoe kleiner de meetwaarden, en hoe meer en nauwkeuriger we moeten meten, des te meer wegen minimale afwijkingen. Zo is bijvoorbeeld elke deeltjeszaaier, net als elk ander instrument, onderhevig aan meetonzekerheid. We moeten dus leven met een zekere foutmarge en deze kennen. Daarnaast stijgen de kwaliteitsnormen. De industrie wordt vandaag de dag nog sterker geconfronteerd met de uitdaging om de zuiverheid van hun producten en installaties voor hun klanten nauwkeurig te documenteren. Dit omvat niet alleen het meten zelf, maar ook de kalibratie van de apparaten inclusief het terug te voeren bewijs van hun meetvermogen. Hiervoor hebben bedrijven dringend certificaten nodig die algemeen erkend worden. De Mutual Recognition Arrangement (CIPM MRA) van 1999 speelt hierbij een rol. Het internationale verdrag over wederzijdse erkenning van meetresultaten stelt dat de ondertekenende landen de certificaten van de nationale instituten in eigen land accepteren. Daarmee is een handelsinstrument van groot belang ontstaan om technische handelsbelemmeringen in de door de overheid gereguleerde sector weg te nemen. De moderne metrologie heeft als taak de voorwaarden te scheppen voor dergelijke overeenkomsten. Dat wil zeggen: het ontwikkelen van algemeen geldende normen, het beschikbaar stellen van geteste meetmethoden en erkende certificaten.

Wat is daarbij de grootste moeilijkheid?
Terugvoerbaarheid van meetwaarden op algemeen geldende en geaccepteerde normen is de basisvoorwaarde voor betrouwbare metingen en vergelijkbaarheid van resultaten, ontwikkeling van normen en standaarden, waarborging van productkwaliteit en niet in de laatste plaats het wederzijds erkennen van geleverde (dienst-)prestaties. Het beschikbaar stellen van een primair normaal voor deeltjesaantalkoncentratie is de taak van de nationale metrologische instituten. Dit is niet triviaal. Verschillende deeltjessoorten, zoals verbrandingsdeeltjes of bacteriën, vereisen andere meetmethoden. Bij het DFM hebben we een primair normaal opgebouwd dat de kalibratie van typische deeltjeszaaiers voor cleanrooms mogelijk maakt. Methoden voor de deeltjesafgifte van moderne verbrandingsmotoren worden momenteel onder andere in internationale projecten samen met meerdere nationale metrologische instituten ontwikkeld. Zoals gezegd: meetonzekerheden zijn hierbij onvermijdelijk - we moeten er alleen verstandig mee omgaan en ze technologisch minimaliseren. Daarom zien wij het als een van de grootste uitdagingen om betrouwbare normen hiervoor te ontwikkelen.

Welke benaderingen volgt u om het onderwerp meetonzekerheid beheersbaar te maken?
Als we ons bezighouden met meetonzekerheden, moeten we eerst de meetmethoden bekijken. Het principe ervan werkt meestal hetzelfde voor cleanroomdeeltjeszaaiers: de te testen lucht wordt aangezogen en de deeltjes daarin worden optisch gemeten. Hiervoor worden ze met licht bestraald. Het verstrooide licht stelt ons in staat om terug te rekenen op het aantal en de grootte van de deeltjes. Meetonzekerheden tot tien procent liggen binnen de normale marge. Het probleem wordt vooral problematisch doordat fabrikanten geen richtlijnen geven voor de meetapparatuur met betrekking tot de te gebruiken golflengte, dus lichtkleur. Deze veroorzaken verschillende verstrooiingshelderheden en daarmee verschillende resultaten. Hoewel de fabrikanten hiermee rekening houden, blijft het voor vergelijkbaarheid van de meetresultaten kritisch dat de kalibratie van de klantapparatuur meestal door de fabrikanten zelf gebeurt - dus intern binnen het systeem. Onze aanpak is het bereiken van neutrale normen voor een betere vergelijkbaarheid. Een voorbeeld: voor onze internationaal erkende certificaten gebruiken we onze eigen gecontroleerde test-aerosolen en deeltjeszaaiers als primair normaal. In een internationale vergelijking met andere nationale metrologische instituten bevestigen we regelmatig onze meetvaardigheid. Zo worden de meetresultaten transparant en vergelijkbaar. Door deze terugvoerbaarheid creëren we voor de gekalibreerde eindapparatuur een internationale meetgelijkheid zoals bijvoorbeeld in de MRA wordt geëist. Dit komt uiteindelijk de kwaliteitsborging ten goede. Bedrijven die zich op deze wijze door een erkend instituut laten certificeren, profiteren wereldwijd van hun locatievoordeel.

Wat zijn volgens uw perspectief de grootste toekomstige uitdagingen in de cleanroomtechnologie?
Tot nu toe hebben we vooral gesproken over levenloze deeltjes, die we volgens de huidige normen al heel goed onder controle hebben. Een van de grote toekomstige uitdagingen zal het meten van levende deeltjes zijn. Traditionele deeltjeszaaiers kunnen niet onderscheid maken tussen stof en bacteriën. De bepaling van bacteriële besmetting gebeurt daarom nog steeds door het tellen van deeltjes tussen 0,5 en 5 micrometer, de gebruikelijke grootte van bacteriën, in combinatie met het testen door het aanleggen van culturen. Om zeker te zijn dat een product niet bacterieel besmet is, moet het tot drie dagen na productie in het bedrijf worden teruggehouden - zo lang totdat de analyse van de culturen op de voedingsstoffen is afgerond. Nieuwe instrumenten integreren hiervoor een meting via UV-licht. Ze maken gebruik van de fluorescerende eigenschap van levende stoffen. Te meten deeltjes worden daarmee zowel klassiek met aantal en grootte vastgelegd als met hun fluorescerende signaal. Deze innovatieve ontwikkelingen zijn een positieve stap richting ‘Realtime-Meting’. Ze vertonen echter nog enkele tekortkomingen. Zo zijn de UV-metingen nog vrij traag, waardoor meestal slechts een deel van de aangezogen lucht kan worden gecontroleerd met UV-licht. De normale meetonzekerheid meegerekend, kan op deze wijze vaak nog geen representatief resultaat worden verkregen. In hooggevoelige gebieden zoals de farmaceutische industrie of de medische technologie zal men dus eerst blijven vertrouwen op het testen door het aanleggen van culturen en de daarbij horende tijdsduur - maar dat is natuurlijk het doel. In de metrologie werken we al aan nieuwe kalibratiesystemen en toepasbare normen voor dit gebied.

Wat was eigenlijk de aanleiding voor de opleiding van de moderne metrologie? En wat levert ze vandaag de dag?
De metrologie is eigenlijk een heel oude wetenschap, want meten en tellen werd altijd al gedaan: of het nu de breedte van het veld was of de grootte van een schapenhoeder. De daarbij gebruikte maateenheden waren door de tijd heen echter heel verschillend. Zo diende bijvoorbeeld tot in de 18e eeuw meestal het lichaam als basis voor lengtematen zoals elle, voet of stap. Het probleem was dat deze eenheden meestal aan een levend persoon waren gekoppeld. Zo werd daadwerkelijk gemeten aan de lengte van de elle van de zittende farao of zelfs aan de buikomvang van de heerser. Alleen al in Frankrijk waren er in de 18e eeuw ongeveer 250.000 verschillende maateenheden. Met de Verlichting en de renaissance kwam langzaam de wens naar uniformering van de maten - zowel in wetenschap, politiek als economie. Want voor de handel en kennisuitwisseling over parzellen- en landsgrenzen heen, zijn uniforme normen nodig. Onze huidige uniforme lengtemaat moest nog wachten tot de Franse Revolutie, waar deze haar oorsprong vindt. Als basis voor de ‘Oude Meter’ van 1799 werd onder grote inspanningen een neutrale en voor iedereen gelijke referentie-eenheid gezocht en gevonden: onze aardbol. Het meter moest de tiemiljoenste deel van het aardkwadrant op de meridiaan door Parijs worden. Vandaag kennen we zowel de kleine meetfout die de onderzoekers destijds maakten, als het feit dat onze wereldbol niet aan het ideaal van een perfecte bol voldoet. Wat echter telt, is het idee: een uniforme, betrouwbare en erkende maat, waarop we grensoverschrijdend kunnen communiceren. Dit streven volgen wij tot op heden. Want dat is de basisvoorwaarde voor onze vooruitgang, die zonder normen en standaarden - dat wil zeggen zonder vergelijkbaarheid en kwaliteitsborging over industrie- en landgrenzen heen - niet mogelijk zou zijn.

De lezing ‘Terugvoerbaarheid van deeltjesgrootte en -aantalconcentratie’ van Dr. Kai Dirscherl is op 22 oktober 2013 te horen op het Cleanzone Congres in Frankfurt am Main.