Pure laseronderzoek

(Quelle Fraunhofer IPA; Foto: Martin Salajka)

(Quelle Fraunhofer IPA; Foto: Martin Salajka)

(Bron: Fraunhofer IPA)

( Bron: Fraunhofer IPA)

In de buurt van de Tsjechische hoofdstad Praag wordt momenteel met EU-middelen het krachtigste lasercentrum ter wereld gebouwd: «Extreme Light Infrastructure» (ELI). Het moet binnen enkele jaren wetenschappers van over de hele wereld ter beschikking staan voor fundamenteel onderzoek.

Wat CERN betekent voor de deeltjesfysici, moet ELI worden voor de laseronderzoekers. Alleen al de bouw van de faciliteit, die meerdere honderden miljoenen euro's zal kosten, stelt experts voor tot nu toe onbekende uitdagingen. Het probleem: de apparatuur, ter grootte van een voetbalveld, reageert zeer gevoelig op verontreinigingen. De hoogenergetische laserstralen, die door een ultrahoge vacuüm reizen, zouden deeltjes en gassen in de muren branden of laten versinteren, dat wil zeggen omzetten in stoffen die zich als een coating afzetten. De omkeer spiegels zouden blind worden, en de hele installatie onbruikbaar. Daarom is netheid van het hoogste belang. De eisen zijn streng: er mag slechts 100 nanogram organische vuildeeltjes per vierkante meter aan de binnenkant blijven hangen, dat zijn slechts een paar moleculaire lagen. Als bijkomend probleem komt dat tientallen verschillende bedrijven uit heel Europa de onderdelen leveren, van de vloerbedekking tot het roestwerende middel, van de stalen draagbalk tot het isolatiemateriaal. Zij moeten allemaal de voorgeschreven reinheidsnormen nauwkeurig naleven. «Dat is een enorme inspanning», zegt Markus Keller, expert voor reinheid bij het Fraunhofer IPA.

Fraunhofer IPA ondersteunt

Veel bedrijven hebben zich inmiddels tot het IPA gewend – en het worden er steeds meer. Want het Stuttgarter instituut beschikt niet alleen over de grootste cleanroom ter wereld in de luchtkwaliteitsklasse ISO 1, maar haar experts hebben ook de benodigde knowhow op alle gebieden van reinheid. En bij dit project, dat Keller leidt, zijn alle facetten aan bod, van reiniging tot validatie, van schone verpakking tot training. Het gaat zowel om organische verontreinigingen als om deeltjes. En het gaat erom dat geen materialen worden gebruikt die uitgassen, zoals de kunststof in een nieuwe auto. De aanpak is daarom zeer veelzijdig. Sommige onderdelen, zoals een vacuümklep van een halve ton, worden in Stuttgart gereinigd, zorgvuldig verpakt en op weg gestuurd. De Schwäbische schoonmakers gebruiken voor de verpakking een speciale folie, die de fabrikant speciaal voor het IPA in een cleanroom heeft geproduceerd. Voor andere componenten zou het transport te omslachtig zijn. Alleen al zijn er meer dan 100 roestvrijstalen buizen nodig, elk 6 meter lang en 40 centimeter dik. Later zullen de laserstralen door deze buizen door het ultrahoge vacuüm reizen. Deze buizen kunnen alleen ter plaatse worden verbonden, waarvoor een voorlopige cleanroom nodig is. Dat betekent: wandafwerking, vloerbedekking, roestwering – niets in deze omgeving mag uitgassen. Het IPA zoekt met behulp van laboratoriumproeven naar de optimale bouwmaterialen. De verschillen zijn groot: zo verliest een gewone industriële vloer ongeveer 10.000 keer zoveel gas als een cleanroomvloer.

Analyzes uit Stuttgart

De grootste uitdaging vormen echter de binnenruimtes, de buizen en verdeelkamers, waar later de laserstralen doorheen zullen reizen. Ze moeten aan de hoogste eisen voldoen. Dat betekent: de producent moet ze reinigen, hermetisch verpakken en in Tsjechië schoon assembleren. Zonder controle is dat niet mogelijk. De reiniging gebeurt met een oplosmiddelmengsel, waarmee de onderdelen worden afgespoten. Daarna komt het IPA in actie – en een voortdurende transport door heel Europa. Het instituut stuurt eerst uiterst schone vaten naar het productiebedrijf, dat ze vult met monsters van hun spoelvloeistof. Ter analyse komen ze terug naar Stuttgart. Hier filtert Keller met zijn team de vloeistoffen en telt vervolgens de deeltjes. Zo kan hij niet alleen bepalen of het aantal deeltjes aan de normen voldoet, maar ook het reinigingsproces optimaliseren. Want de analyses laten zien hoe de reinheid tijdens het reinigen toeneemt en hoe lang moet worden afgespoten.

Naast de deeltjes kunnen ook organische stoffen aan de wanden blijven kleven, zoals vingerafdrukken. Daar zijn verdere controles voor nodig. Ook hier beschikt het IPA over de benodigde hoogreine apparatuur: voor kleine oppervlakken gebruikt men SWABs, een soort high-end wattenstaafjes, voor grotere oppervlakken WIPEs, hoogreine doeken. De kleine doosjes waarin de doeken worden verzonden, zien er niet bepaald uit als hightech-producten, en toch zit er veel knowhow en jarenlange arbeid achter. Want overal loeren verontreinigingen die het doek of de doos kunnen contamineren. Het IPA heeft zelfs transportproeven gedaan en containers bij elk weer over land gestuurd om veranderingen tijdens de reis uit te sluiten. De aanpak is vergelijkbaar met die bij de deeltjes: een medewerker van het productiebedrijf opent de transportcontainer, haalt het wismedium eruit, veegt over een vooraf bepaalde oppervlakte en stopt alles zo snel mogelijk weer in de container, die ook oplosmiddelen bevat. Voor de analyse zijn opnieuw de Stuttgarters verantwoordelijk. Zij laten een bepaalde hoeveelheid van het oplosmiddel indrogen en bepalen vervolgens hoe groot de organische vervuiling is. «We kunnen zelf nog een moleculenlaag meten», zegt Keller.

Na- of bijreiniging uitgesloten

Tot de taken van de IPA-experts behoort ook het trainen van de medewerkers van de betrokken bedrijven. Want bijna niemand weet hoe hij zich moet gedragen om verontreinigingen te voorkomen – vooral omdat er voor dit speciale vakgebied nog geen studieprogramma bestaat. En de superlaser vergeeft geen fouten. Hoe dan ook betreedt iedereen die bij dit project betrokken is, nieuw terrein. De projectleiders van het bedrijf ELI Beamlines vrezen niets meer dan een black-out bij het opstarten van de installatie. Twee scenario's zijn mogelijk: het benodigde vacuüm kan niet worden bereikt omdat materialen uitgassen. Of de omkeer spiegels kunnen plotseling beslaan. Een bijreiniging is niet mogelijk. Als de apparatuur eenmaal staat, blijft ze hermetisch afgesloten.

Contact:

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