Czyste badania nad laserami

(Zdjęcie Fraunhofer IPA; Fotografia: Martin Salajka)

(Zdjęcie Fraunhofer IPA; Fot. Martin Salajka)

(Zdjęcie: Fraunhofer IPA)

(Zdjęcie: Fraunhofer IPA)

W pobliżu stolicy Czech Pragą powstaje obecnie z funduszy UE najpotężniejsze na świecie centrum laserowe: „Extreme Light Infrastructure” (ELI). Ma ono być dostępne dla naukowców z całego świata w ciągu kilku lat do badań podstawowych.

To, co CERN oznacza dla fizyków cząstek, ma stać się ELI dla badań nad laserami. Już sam budowa obiektu, który będzie kosztować kilkaset milionów euro, stawia ekspertom dotąd nieznane wyzwania. Problem polega na tym, że urządzenie wielkości boiska piłkarskiego jest bardzo wrażliwe na zanieczyszczenia. Silnie energiczne wiązki laserowe, które przebiegają przez ultrawysokie vacuum, mogłyby przypalić lub zespolić cząstki i gazy na ścianach, czyli zamienić je w substancje, które osadzają się jak powłoka. Zwierciadła kierujące wiązkami byłyby ślepe, a cała instalacja nie nadawałaby się do użytku. Dlatego czystość jest najwyższym nakazem. Warunki są wysokie: na wewnętrznych powierzchniach może przylegać tylko 100 nanogramów organicznych zanieczyszczeń na metr kwadratowy, co odpowiada zaledwie kilku warstwom molekularnym. Dodatkowym utrudnieniem jest fakt, że dziesiątki różnych firm z całej Europy dostarczają poszczególne komponenty, od podłóg po środki antykorozyjne, od stalowych belek po materiały izolacyjne. Wszystkie muszą skrupulatnie przestrzegać norm czystości. „To ogromny wysiłek”, mówi Markus Keller, ekspert ds. czystości w Fraunhofer IPA.

Fraunhofer IPA wspiera

Wiele firm zwróciło się już do IPA — i jest ich coraz więcej. Ponieważ stuttgarcki instytut dysponuje nie tylko największą na świecie komorą czystości klasy ISO 1, ale także posiada niezbędną wiedzę w zakresie czystości. A w tym projekcie, którym kieruje Keller, potrzebne są wszystkie aspekty, od czyszczenia po walidację, od czystego pakowania po szkolenia. Chodzi zarówno o zanieczyszczenia organiczne, jak i cząstki. I o to, by nie używać materiałów emitujących gazy, jak plastik w nowym samochodzie. Metody postępowania są więc bardzo różnorodne. Niektóre części, jak pół tony wakuomowego zaworu, są czyszczone w Stuttgarcie, starannie pakowane i wysyłane. Schwarzwaldzcy specjaliści używają do pakowania specjalnej folii, którą producent wyprodukował specjalnie dla IPA w komorze czystości. Dla innych komponentów transport byłby zbyt skomplikowany. Potrzebnych jest ponad 100 rurek ze stali nierdzewnej, każda o długości 6 metrów i grubości 40 centymetrów. Przez nie będą później przebiegały wiązki laserowe w ultrawysokim vacuum. Rurki te można łączyć tylko na miejscu, co wymaga tymczasowej komory czystości. Oznacza to: powłoka ścian, podłoga, środki antykorozyjne — nic w tym środowisku nie może emitować gazów. IPA poszukuje za pomocą prób laboratoryjnych optymalnych materiałów budowlanych. Różnice są duże: typowa podłoga przemysłowa emituje około 10 000 razy więcej gazu niż podłoga w komorze czystości.

Analizy z Stuttgartu

Największym wyzwaniem są oczywiście wnętrza, rury i kanały rozdzielcze, przez które będą przebiegały wiązki laserowe. Muszą spełniać najwyższe wymagania. Oznacza to, że producent musi je wyczyścić, hermetycznie zapakować i w Czechach zmontować w czystości. Bez kontroli jest to niemożliwe. Czyszczenie odbywa się za pomocą mieszanki rozpuszczalników, które spryskują części. Potem do gry wchodzi IPA — i stały transport w różnych kierunkach Europy. Instytut najpierw wysyła bardzo czyste pojemniki do firmy produkcyjnej, która napełnia je próbkami swojej płukanki. Po analizę wracają do Stuttgartu. Tu Keller wraz z zespołem filtruje płyny i następnie zlicza cząstki. W ten sposób może nie tylko sprawdzić, czy liczba cząstek spełnia normy, ale także zoptymalizować proces czyszczenia. Analizy pokazują, jak czystość wzrasta podczas czyszczenia i jak długo trzeba spryskiwać.

Oprócz cząstek, na ścianach mogą osadzać się także substancje organiczne, np. odciski palców. Wymaga to kolejnych kontroli. Również tutaj IPA dysponuje odpowiednim, wysokiej czystości sprzętem: do małych powierzchni używa się SWAB-ów, czyli wysokiej klasy patyczków higienicznych, do większych powierzchni WIPE-ów, wysokiej czystości tkanin. Małe pudełka, w których wysyłane są ściereczki, nie wyglądają na produkty high-tech, a jednak kryje się za nimi dużo wiedzy i wieloletniej pracy. Wszędzie czają się zanieczyszczenia, które mogłyby zanieczyścić tkaninę lub pojemnik. IPA przeprowadziło nawet testy transportowe, wysyłając pojemniki w różnych warunkach pogodowych, aby wykluczyć zmiany podczas podróży. Postępowanie jest podobne jak przy cząstkach: pracownik firmy produkcyjnej otwiera pojemnik, wyjmuje medium czyszczące, przetrzeć powierzchnię o określonym rozmiarze i jak najszybciej ponownie zamknąć pojemnik, który zawiera rozpuszczalnik. Do analizy ponownie odpowiedzialni są Stuttgarci. Pozostawiają odparować określoną ilość rozpuszczalnika i oceniają, jak duże jest zanieczyszczenie organiczne. „Możemy nawet zmierzyć warstwę molekularną”, mówi Keller.

Brak możliwości późniejszego czyszczenia

Do zadań ekspertów IPA należy także szkolenie pracowników firm zaangażowanych w projekt. Niewiele osób wie, jak się zachować, aby uniknąć zanieczyszczeń — zwłaszcza że nie ma jeszcze specjalistycznego kierunku studiów w tym zakresie. A superlaser nie wybacza błędów. Wszyscy zaangażowani w ten projekt wchodzą na nieznany teren. Kierownicy projektu z firmy ELI Beamlines boją się najbardziej awarii podczas uruchomienia instalacji. Są dwa scenariusze: nie uda się osiągnąć wymaganego vacuum, ponieważ materiały emitują gazy, albo zwierciadła kierujące wiązkami nagle się zaparują. Późniejsze czyszczenie jest niemożliwe. Gdy urządzenie już stoi, pozostaje hermetycznie zamknięte.

Kontakt:

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