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

Transcriptie

1 SRON Spectrum Nr. 8 juni 2006 Superscherpe beelden met warmtestraling Zwaartekrachtsgolven meten EURECA SRON Netherlands Institute for Space Research

2 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 zwaartekrachtsgolven gekarakteriseerd door hun golflengte of hun frequentie. Ook zijn, analoog aan elektromagnetische straling, bepaalde frequenties van zwaartekrachtsgolven op aarde niet meetbaar. Dit zijn de lage frequenties, die corresponderen met tijdschalen van seconden tot uren. Juist in dit gebied zijn er bronnen bekend waarvan men nu al weet dat deze zichtbaar moeten zijn voor LISA. Maar de lage frequenties op het gebied van uitleeselektronica herbergen enige hindernissen. LISA Pathfinder wordt losgekoppeld van de propulsiemodule op een afstand van 1,5 miljoen km van de aarde (EADS Astrium) SRON Spectrum juni 2006

3 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. Daarnaast is het functioneren van satellieten en de meetsystemen als één geheel van cruciaal belang. Dit vergt het uiterste op het gebied van navigatie en standregeling. Ook dit aspect wordt in LISA Pathfinder getest. IS-SCOE SRON draagt aan LISA Pathfinder bij met de zogeheten Inertial Sensor Special Check-Out Equipment (IS-SCOE). Voordat LISA Pathfinder in 2009 gelanceerd wordt, zal deze uitvoerig op de grond worden getest. Omdat de satelliet en de tesmassa s onder 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. deze gesimuleerde signalen om naar daadwerkelijke spanningen en stromen voor de uitleeselektronica. Dat vergt veel meer dan alleen een pure omzetting van een digitaal naar een analoog signaal: de aangeboden spanningen moeten precies matchen met de eigenschappen van de uitleeselektronica. Daarvoor is een grondige kennis van de uitleeselektronica een vereiste. Tevens moet de IS-SCOE de signalen loepzuiver houden. Er mogen geen vertragingen in de IS-SCOE optreden en de signalen moeten nagenoeg ruisvrij zijn. 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 staan, wordt tijdens de tests op de grond het dynamische gedrag gesimuleerd. Hierbij worden de testmassa s en hun behuizing vervangen door de IS-SCOE van SRON en gekoppeld aan de uitleeselektronica van de Inertial Sensor. Het simulatiemodel van de Inertial Sensor, dat ook door SRON is ontwikkeld, vertaalt het dynamische gedrag van de testmassa s naar elektronische signalen die representatief zijn voor de signalen zoals de uitleeselektronica die tijdens de vlucht zou registreren. De IS-SCOE zet de vlucht door middel van elektrische krachten bijgestuurd, om de afstand tussen testmassa en hun behuizing de satelliet niet al te groot te laten worden (ze moeten bijvoorbeeld niet tegen hun behuizing botsen). De elektrische krachten worden opgewekt door spanningen aan te brengen op elektroden in de behuizing van de testmassa s. In de tests op de grond worden deze bijstuur-spanningen naar de IS-SCOE omgeleid. Deze voert een aantal bewerkingen uit op de gemeten spanningen, maakt er vervolgens een digitaal signaal van en sluist dat weer door naar het juni 2006 SRON Spectrum

4 simulatiemodel van de Inertial Sensor, waar de digitale signalen worden gebruikt om de krachten te berekenen die de elektrode in werkelijkheid op de testmassa s zouden uitoefenen. Wederom is het daarbij zaak dat de IS-SCOE bij het uitlezen van de bijstuurspanningen nagenoeg geen ruis injecteert. Laagfrequente elektronische ruis De uitdaging in de ontwikkeling van de IS-SCOE ligt vooral in het feit dat de vereiste gevoeligheid zeer hoog is, namelijk gelijk aan de gevoeligheid van de uitleeselektronica, en liefst nog getest worden het LISA Technology Package. Astrium Duitsland geeft de IS-SCOE dan door aan de hoofdaannemer voor de satelliet, Astrium Verenigd Koninkrijk, die deze vervolgens integreert in de grondtestopstelling. ExoMars Het meetprincipe van LISA en de ermee gemoeide technologieën hebben overeenkomsten met een aantal potentiële toekomstige missies op het gebied van geofysica en planetaire evolutie 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 Elektronici van de Engineering Division die de IS-SCOE hebben ontworpen, testen een breadboard van de IS-SCOE SRON Spectrum juni 2006

5 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. Martijn Smit Onderdeel van de IS-SCOE: een van de twaalf printed-circuit board (PCB) in de IS- SCOE-behuizing. Via de drie zichtbare aansluitingen wordt IS-SCOE aangesloten op uitlees- en regelelektronica voor de Inertial Sensor van LISA Pathfinder. Missies voor planetaire seismische metingen en zwaartekrachtsveldmetingen aan aarde en planeten staan op de agenda van SRON juni 2006 SRON Spectrum 5

6 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, - de mogelijkheid om van ieder gedetecteerd röntgenfoton zowel de positie aan de hemel afbeelding als zijn golflengte of energie spectrum zeer nauwkeurig te kunnen bepalen. 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. 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. De ontwikkeling van een dergelijke afbeeldende microcalorimeter opent de weg voor spectroscopie van uitgebreide bronnen, zoals sterrenstelsels, groepen van sterrenstelsels, supernova-restanten en gaswolken. Microcalorimeter Wanneer een röntgenfoton met een bepaalde energie wordt geabsorbeerd in een absorber, veroorzaakt dit een temperatuur- stijging met een veranderde weerstand als gevolg. De absorber is door een warmtegeleider verbonden aan een bad op een stabiele, lage temperatuur nabij het absolute nulpunt, zodat de door het röntgenfoton veroorzaakte temperatuurverhoging vervalt in ongeveer 0,1 ms. Hierdoor kan de sensor enkele honderden fotonen per seconde detecteren. In een typische microcalorimeter leidt de absorptie van een röntgenfoton met een energie van 6 kev tot een temperatuurver- 6 SRON Spectrum juni 2006

7 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. 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. De grote ruimtevaartorganisaties hebben plannen voor een nieuwe röntgensatelliet, bijvoorbeeld XEUS (ESA), Constellation- X (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 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 mm 2 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 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 wordt gedacht aan een array van 32 x 32 pixels. Vroege heelal Aangezien de twee belangrijkste röntgenobservatoria, XMM- Newton (ESA) en Chandra (NASA), in 1999 zijn gelanceerd, is 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. (SRON/Nederland), ESTREMO (ASI/Italië), DIOS (JAXA/Japan). Hoofdthema voor deze missies, die mogelijk iets eerder kunnen worden gerealiseerd, is de studie van warm gas in de ruimte tussen sterrenstelsels. Dat gas zendt röntgenstraling uit en kan juni 2006 SRON Spectrum 7

8 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 tegelijkertijd ook afbeeldingen kan maken. Om sturing te kunnen geven aan de definitie van deze missies en om goed voorbereid te zijn op mogelijke deelname, heeft 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. De aftrap van het EURECA-project vond plaats in mei 2005 bij SRON. De integratie van hardware start midden 2006 met aflevering van de ADR-koeler aan SRON. Het plan is om eind 2007 zover te zijn dat het instrument geijkt kan worden met een röntgenbundel van het Synchrotron BESSY te Berlijn. Piet de Korte SRON Spectrum juni 2006

9 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 programma zijn nu missies als BepiColombo, Solar Orbiter, LISA en GAIA gepland. In het kader van het nieuwe ESAprogramma Cosmic Vision wordt al gedacht aan een opvolger van Herschel: ESPRIT zou zo n opvolger kunnen zijn. Vooruitgang in de sterrenkunde heeft vaak te maken met doorbraken in technologie. Als het mogelijk wordt te kijken in meer spectraal of ruimtelijk detail of met hogere gevoeligheid, levert dat vaak zeer onverwachte resultaten op met hoge wetenschappelijke waarde. In het infrarood zijn de afgelopen jaren de meeste ontwikkelingen gericht geweest op het toepassen van interferometrische technieken (waarbij meerdere telescopen aan elkaar worden gekoppeld). Zo zijn op dit moment bij de Europese zuidelijke sterrenwacht te Paranal (Chili) de eerste interferometrische instrumenten actief. Maar ook in het submillimeter golflengtegebied is eenzelfde ontwikkeling te zien. ALMA (Atacama Large Millimeter Array), een samenwerking van Europese landen, Noord-Amerika en Japan, is van start gegaan en zodra ALMA over een paar jaar begint met waarnemingen, zal het mogelijk zijn om zelfs bij lange golflengtes met een nauwkeurigheid van 10 milliboogseconden te kijken (dat komt er ongeveer op neer dat een tennisbal op 1000 km afstand zichtbaar is). In het gebied van 25 tot 300 micron ontbrak echter een initiatief om een zelfde scherpte te bereiken. Niet helemaal verwonderlijk, want dit golflengtegebied is alleen te bekijken vanuit de ruimte en dat stelt zo zijn eigen eisen aan grote projecten. Voor een scherp plaatje moeten de telescopen afwisselend ver van elkaar en dicht bij elkaar staan juni 2006 SRON Spectrum 9

10 Water Op de vraag Hoe kunnen we een beeldscherpte van 10 milliboogseconden krijgen op 100 micrometer (ver infrarood)? heeft een groep astronomen en ruimtevaartexperts nu een voorlopig antwoord op gegeven, gebruikmakend van de gezamenlijke kennis Vooruitgang in de sterrenkunde heeft vaak te maken met doorbraken in technologie in vooral Nederland. Dit mogelijke project voor de toekomst hebben we ESPRIT genoemd en we zijn begonnen met het uitwerken van de randvoorwaarden en mogelijke technische oplossingen. Het belangrijkste doel van ESPRIT (Exploratory Submm space Radio Interferometric Telescope) is het meten van de rol die water speelt in de vorming van planetenstelsels. Dit zal cruciale de koude ruimte) en net als bij ALMA willen we gebruikmaken van gekoelde detectoren. Bij ESPRIT zal deze keer geen vloeibaar Helium gebruikt worden, maar worden alleen de detectoren, in plaats van het gehele instrument, gekoeld met microkoelers. Kandidaat-koelers zijn nu al als prototype aanwezig bij bijvoorbeeld de Universiteit Twente. Voor de detectoren gelden nu als belangrijkste kandidaten de Hot Electron Bolometer Mixers (HEBM), zoals ook toegepast op de hoogste frequenties van HIFI. Deze mixers ontvangen hun referentiesignaal van Quantum Cascade Lasers (QCL). Het is onlangs het SRON/TU Delft-team voor het eerst in de wereld gelukt om deze combinatie te gebruiken, 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. 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. informatie over het algemene planeetvormingsproces en dus uiteindelijk antwoord geven op de vragen: waarom is onze eigen aarde zoals die is en zijn er veel planeten zoals onze aarde? Microkoelers Hoe ziet ESPRIT er voor ons uit? De ESPRIT-satelliet bestaat uit zes telescoopschotels ter grootte van de Herschel-telescoop, te weten 3,5 meter in doorsnede. Deze schotels worden net als Herschel passief gekoeld (door het wegstralen van warmte naar 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 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 ongetwijfeld op te lossen. Met een ruimte-interferometer zoals ESPRIT komt het begrijpen van het planeetvormingsproces een stuk dichterbij en tegelijkertijd biedt het Nederland de mogelijkheid al haar huidige kennis en kunde in te zetten. Van detectoren naar correlatoren en geavanceerde koelers, dit alles is in Nederland aanwezig en kan samengebracht worden in ESPRIT. Frank Helmich 10 SRON Spectrum juni 2006

11 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 Eind februari werd bij SRON een elektronica-unit van het HIFI-instrument getest. Daarbij ging het in het bijzonder om de thermisch-vacuümtest van de FCU (Focal Plane Control Unit). Onder gesimuleerde ruimteomstandigheden, vacuüm met temperatuurschommelingen tussen -20 en 50 C, is gekeken of de elektronica heel en voldoende stabiel bleef. De elektronica van het vluchtmodel van de FCU is samengebouwd op een zestal printplaten, die een paar maanden daarvoor gereed kwamen. Vervolgens is een groot testprogramma gestart waarbij eerst de afzonderlijke printplaten getest zijn en de unit daarna als geheel. Tests Zowel het ontwerp als de bouw en het testen van de FCU is gedaan door de Engineering Division. Bert-Joost van Leeuwen leidde en coördineerde het geheel en was vaak bij de tests te vinden. De thermisch-vacuümtest duurt bijna een week lang, 24 uur per dag en loopt ook in het weekend door. Omdat er veel apparatuur bij betrokken is en omdat er een paar problemen waren met de opstelling, waren altijd meerdere mensen aanwezig. Ploegen werkten dan ook de hele week in nachtdiensten. Twee dingen bleken niet helemaal goed te gaan, vertelt hij. Een van de onderdelen van de FCU werkte na een koude start niet meer. We hopen dat het onderdeel niet stuk is maar dat dit normaal gedrag is. Alles kan dan blijven zoals het is, omdat de elektronica in de satelliet lang niet zo koud wordt als tijdens de test. Het tweede probleem was dat een computer bij de testopstelling die normaalgesproken de verwarming en koeling van het instrument regelt, het niet deed. Dat moesten we nu met de hand doen. Dat was, behalve veel extra werk, ook wel een mooie natuurkundeproef: de unit in vacuüm plaatsen en kijken hoe het systeem reageert. De thermisch-vacuümtest is verder goed verlopen, maar bij de andere testonderdelen zijn nog wel een paar problemen gevonden. Als die opgelost zijn, wordt de Een van de print-platen met een combinatie van analoge en digitale componenten FCU afgeleverd om samen met de andere HIFI-onderdelen tot een compleet instrument opgebouwd te worden. Bijzondere elektronica In de cryostaat, het koudste gedeelte van de satelliet Herschel, zit het hart van het instrument. De FCU bevindt zich echter op een ander deel van de satelliet en regelt onder andere de aansturing van spiegels, mixers en versterkers en meet temperaturen, spanningen en stromen binnen die cryostaat. De elektronica is op maat FCU-manager Bert-Joost van Leeuwen met (onderdelen van) de Focal plane Control Unit in de schone kamers gemaakt en speciaal voor HIFI ontwikkeld, maar omdat het merendeel bekende technieken en technologieën bevat, hebben we een proto flight kwalificatieprogramma. Het vluchtmodel is dus gebouwd zonder voorgaand kwalificatiemodel, zegt Bert Joost van Leeuwen. Wat na HIFI? Vooral als het wetenschappelijk interessante informatie op gaat leveren, zal hij er trots op zijn. Het was heel leuk om dit te maken, maar na een tijdje is het mooi geweest. Inmiddels heb ik er zes jaar aan gewerkt. Van Leeuwen geeft toe dat ook meespeelt dat het bij HIFI niet altijd heeft meegezeten. Zo is het niet eerder gebeurd dat we in dit allerlaatste stadium nog zoveel wissewasjes hebben. Wat rest is het testen van het reservemodel bestaand uit een set printplaten en als dat af is, is HIFI voor hem en zijn mensen echt afgelopen. juni 2006 SRON Spectrum 11

12 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 Peter Paul Kooijman is hoofd van de afdeling Mechanical Design & Realization. Daarnaast was hij als werkpakketleider FPU-assemblage verantwoordelijk voor de bouw van het kwalificatie- (QM) en vluchtmodel (FM) van de FPU. Het hele ontwerptraject is goed verlopen volgens Peter Paul Kooijman. Het QM, waar ons werk begon, heeft de vibratietests doorstaan en dat is een enorme prestatie voor zo n complex instrument. De assemblage is zeker niet alleen maar het in elkaar schroeven van het geheel. Tot het einde van de oplevering waren er nog aanpassingen nodig en is er een aantal lastige problemen opgelost. Toch hebben we de bouw behoorlijk goed op schema kunnen houden. Met name zijn er een aantal lastige uitlijnproblemen opgelost. Bedrading wordt vastgelegd aan lichtfilters, waar het referentiesignaal en het ruimtesignaal samengevoegd worden De veertien detectormodules zijn getest en geïntegreerd met de Diplexer Assembly (DA) en Common Optics Assembly (COA). Kooijman: Het is een mooi instrument om te zien: het glimt, er steken overal sprieten uit en het ziet er wetenschappelijk en technisch uit. In de komende maanden staan testen en tuning van het instrument op het programma. Eerste tests in de cryostaat in Groningen hebben inmiddels al uitgewezen dat de performance van het instrument heel redelijk is. Hectiek van het bouwen Het HIFI-instrument is een van de meest ingewikkelde en complexe instrumenten tot nu toe voor SRON, met name door de hoeveelheid subunits die op zichzelf de complexiteit van een instrument hebben. 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 en maakte het vooral een combinatie van werk en tijdsdruk. Bij de bouw van HIFI brengen de SRON-vestigingen in Utrecht en Groningen ieder hun eigen expertise in. De Groningse collega s zijn onder andere goed in het onderzoek en in het testen van de mixerunits en het sterke punt van Utrecht is juist het bouwen en in elkaar zetten ervan. Deze werkverdeling was heel natuurlijk en samenwerking liep heel goed, ondanks de 200 km afstand. Manager van de afdeling Mechanical Design & Realization Peter Paul Kooijman in de cleanroom met het HIFI-instrument Na HIFI Het FM is nu afgebouwd, maar is nog niet vluchtwaardig. Het feit dat dit stadium bereikt is, vindt Kooijman al heel veel waard en moet gevierd worden, want er zijn veel technische problemen opgelost. Na een dergelijk groot project zal leven van Kooijman en collega s er even anders uitzien. Je wordt geleefd door zo n instrument. Hierna loop ik even niet meer rond met een doorgeschakelde telefoon, word ik niet meer elke vergadering een paar keer gebeld of gestoord. 12 SRON Spectrum juni 2006

13 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) 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) 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. Reina de Lange juni 2006 SRON Spectrum 1

14 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 aan boord van satellieten staat bloot aan kosmische straling die kan leiden tot een korte levensduur of uitval van functies van de elektronica. Voor een mixed-signal-asic (een enkele chip met analoge en digitale componenten) is dit vaak een groot probleem, niet alleen in het digitale, maar ook in het analoge deel. In februari vond bij ESA-ESTEC (Noordwijk) een stralingstest plaats op een aantal speciale, tegen straling bestande transistoren en een aantal normale transistoren. In deze test hebben we de karakteristieken van de transistoren tijdens de blootstelling Testboard met de testtransistoren en microscoopfoto van digitale testchip aan de radioactieve bron gemeten, om een idee te krijgen van de verslechtering van de analoge prestatie onder invloed van straling. Verder is een aantal exemplaren van in huis ontwikkelde mixed-signal en digitale geïntegreerde circuits bestraald om de stralingstolerantie van de circuits te testen. De tests vonden plaats in samenwerking met het Belgische IMEC, die de teststructuren heeft geleverd. Voor meer informatie kunt u contact opnemen met Steven Leussink (S.F.Leussink@sron.nl). Symposium Water Beeld: Bert van Dijk 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 14 SRON Spectrum juni 2006

15 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 Chili. Het ontwerp van de CHAMP+-ontvanger wordt ook gebruikt voor de ALMA Band 9 cartridge (voor de frequentie GHz), die SRON momenteel ontwikkelt. Veel componenten hiervoor worden vervaardigd door lokale bedrijven. De detectoren, zeven supergeleidende state-of-the-art SIS-mixers, zijn een product van de al langlopende samenwerking van SRON met de TU Delft, waarbij continu gepoogd wordt de prestaties van de ontvangers te verbeteren. De XMM-Newton maakte dit beeld van de pulsar, te zien in het rood (ESA) Kosmische klok blijkt draaitol Een internationaal team ruimteonderzoekers van onder andere SRON heeft vastgesteld dat een door hen onderzochte ster niet alleen om zijn as draait, maar dat die as zelf ook rondtolt met 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. CHAMP+-mixer block met daarin een focal plane array van zeven GHz SIS-mixers Toen de Europese XMM-Newton satelliet gelanceerd werd, gebruikten de astronomen die ermee werkten de temperatuur van de pulsar RXJ 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 beetje eivormig is. Het is pas de tweede pulsar waarbij deze tolbeweging is ontdekt, aldus De Vries. juni 2006 SRON Spectrum 15

16 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 e- mail naar info@sron.nl. Uitgave SRON Netherlands Institute for Space Research Sorbonnelaan 2, 3584 CA Utrecht T F info@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.