Inhoud. Over Rijnhuizen. Studenten Open Dag Rijnhuizen

Transcriptie

1

2 Inhoud Inhoud Over Rijnhuizen Programma Studenten Open Dag Ontvangst Keuzemogelijkheden Toelichting op de te kiezen experimenten en groepen Plasmawand interactie: Pilot-PSI Plasmawand interactie: Magnum-PSI, een opstelling in opbouw Optiek voor Extreem Ultraviolet licht: onderzoek in de groep Physics of thin films & multilayers (TFM) Microgolfdiagnostiek voor ITER: Tokamak Physics Group Vrije-elektronenlaser en gebruikersfaciliteit: FELIX Moleculaire Dynamica moleculaire fysica met lasers De groep Elektronica en ICT Mechanische Techniek Het Fusie Informatie Centrum Over Rijnhuizen Het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen in Nieuwegein is een van de onderzoeksinstituten van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM). Het instituut wordt meestal Rijnhuizen genoemd, naar het 17e-eeuwse kasteel en het omliggende landgoed waar het instituut sinds 1959 is gevestigd. Het onderzoek richt zich op plasma-, laser-, molecuul-, en dunne film- en oppervlaktefysica. Rijnhuizen is het zwaartepunt van het Nederlandse natuurkundig onderzoek aan kernfusie als energiebron en exploiteert de infraroodlaser FELIX/FELICE, een gerenommeerde, internationale onderzoeksfaciliteit. Verder ontwikkelt Rijnhuizen geavanceerde optische elementen voor gebruik in de computerchipindustrie. Het verbindende element in al het onderzoek van het instituut is het ontwikkelen van grootschalige instrumentatie en daar in internationaal verband onderzoeksprogramma s mee uitvoeren. Pagina van 10

3 Programma Studenten Open Dag De begintijd van de Studenten Open Dag voor de deelnemers van uw onderwijsinstelling en de precieze dagindeling is afhankelijk van hoeveel groepen studenten zich hebben aangemeld. U wordt hierover tijdig geïnformeerd. Ontvangst Na ontvangst met een kopje thee of koffie bestaat het programma voor de Studenten Open Dag op Rijnhuizen uit de volgende onderdelen: het bijwonen van een voordracht over onze onderzoeksgebieden een bezoek aan drie experimenten en/of groepen een bezoek aan het Fusie Informatie Centrum een lunch U kunt op het aanmeldingsformulier uw voorkeur aangeven voor de experimenten en/of groepen die u wilt bezoeken. Wij proberen bij het opstellen van het programma zoveel mogelijk rekening te houden met uw voorkeur, maar kunnen niet garanderen dat we aan alle wensen kunnen voldoen. Elk programma van de Open Dag opent met een lezing en eindigt in het Fusie Informatie Centrum (zie pagina 10). Keuzemogelijkheden U kunt een keuze maken uit de hier onderstaande experimenten en/of groepen. Kiest u maximaal drie onderdelen. Op de volgende pagina s vindt u een toelichting op deze onderdelen. 1. Plasma-wand interactie: Pilot-PSI 2. Plasma-wand interactie: Magnum-PSI 3. Optiek voor Extreem Ultraviolet licht: Physics of thin films & multilayers (TFM) 4. Microgolfdiagnostiek voor ITER: Tokamak Physics Group 5. Vrije-elektronenlaser en gebruikersfaciliteit: FELIX 6. Moleculaire fysica met lasers: Moleculaire Dynamica 7. Elektronica en ICT, onderverdeeld in de afdelingen: 7.1 Elektronica 7.2 Vermogenselektronica 7.3 ICT: Beheer en Data Acquisitie & Control 8. Mechanische techniek, onderverdeeld in: 8.1 Tekenkamer 8.2 Fijnmechanische techniek 8.3 Vacuümsoldeergroep Pagina van 10

4 Toelichting op de te kiezen experimenten en groepen 1. Plasmawand interactie: Pilot-PSI In toekomstige kernfusie-elektriciteitscentrales wordt een heet geïoniseerd gas (een plasma) gemaakt om atoomkernen met elkaar te laten samensmelten. De benodigde temperatuur is zo hoog (150 miljoen C), dat het plasma met behulp van een magneetveld opgesloten moet worden, omdat het anders de wand van het reactorvat kan beschadigen. De magnetische opsluiting zorgt ervoor dat het plasma op een gecontroleerde manier wordt afgevoerd naar een speciaal gedeelte van het reactorvat (de afvoer). Hierbij is het plasma al flink afgekoeld tot enkele tienduizenden graden, maar de grote hoeveelheid deeltjes die hier op de wand terechtkomt, zorgt toch nog voor een extreme wandbelasting. Wisselwerking tussen plasma s en oppervlakken treedt niet alleen op in een fusiereactor, maar bijvoorbeeld ook in veel industriële processen en bijvoorbeeld bij de terugkeer van een space shuttle in de atmosfeer. Voor al deze situaties is het van belang te weten hoe een plasma reageert op een materiaaloppervlak. Om deze processen te bestuderen hebben we een opstelling nodig, waarmee we plasma-wand interactie onder extreme omstandigheden kunnen onderzoeken. In het experiment Pilot-PSI maken we een intense plasmabundel, waarmee we een oppervlak beschieten met een warmtebelasting van meer dan 10 MW per m 2. Met dit experiment is het mogelijk om voor een aantal seconden plasma s te maken die even intens zijn als die in de afvoer van een fusiereactor. Pilot-PSI is een voorloper van het grotere experiment Magnum-PSI, waarmee we even intense en veel grotere plasma s kunnen maken dan in Pilot-PSI. De kennis die nu wordt opgedaan in Pilot- PSI wordt gebruikt voor het ontwerp en het onderzoeksprogramma van Magnum-PSI. Het uiteindelijke doel van deze experimenten is om de situatie in een grote fusiereactor in een klein en hanteerbaar experiment na te doen, om zo wetenschappelijke en technische ideeën gemakkelijker te kunnen testen. Dat moet leiden tot een beter inzicht in plasmawand interactie en tot ideeën en adviezen voor de verdere ontwikkeling van fusie-reactoren. Pilot-PSI met een waterstofplasma 2. Plasmawand interactie: Magnum-PSI, een opstelling in opbouw Op het FOM-Instituut "Rijnhuizen" is onlangs de nieuwe opstelling Magnum-PSI opgebouwd. Het doel is het bestuderen van de wisselwerking tussen plasma s en de wanden van toekomstige kernfusiecentrales. In Magnum-PSI kan het contact tussen een fusieplasma en de wandtegels in een fusiecentrale op een zeer realistische manier worden nagebootst; nog veel realistischer dan in zijn voorganger Pilot-PSI. Zo zal het oppervlak van de plasmabundel 20 keer zo groot zijn. De experimenten worden uitgevoerd in een vacuümopstelling bij lage druk. Een supergeleidende magneet van 2.5 meter lang en met een binnendiameter van 1.3 meter is in zijn geheel om de vacuümopstelling geplaatst. Het magneetveld van deze magneet leidt het plasma naar het gebied waar de wisselwerking met de wand van een trefplaat plaatsvindt. De supergeleiding van de magneet zorgt er voor dat er langdurende experimenten gedaan kunnen worden (duur: meerdere uren tot een dag). In een aparte analysekamer, vastgekoppeld aan de opstelling, kunnen de trefplaten na wisselwerking met het plasma worden geanalyseerd. Met deze nieuwe opstelling kunnen we veel leren over mogelijke beschadigingen aan de wanden van kernfusiecentrales en hoe dit voorkomen kan worden. Pagina van 10

5 De bouw van de Magnum-PSI opstelling is onlangs afgerond. Op dit moment zijn de testmetingen in volle gang. Een bezoek aan de opstelling laat mooi zien welke technische aspecten een rol spelen bij het opzetten van een dergelijk groot experiment. De vacuümopstelling is 14 meter lang en heeft een gemiddelde diameter van 60 cm. De opstelling wordt leeggepompt door drie grote pompen met ieder een zuigvermogen van m3/h. Aan weerszijden van de opstelling bevinden zich ijzeren muren van 5 cm dik en 3 m hoog; De Magnum-PSI opstelling deze muren schermen de omgeving af van de hoge magneetvelden die bij dit experiment worden gemaakt. Vanuit de Magnum controlekamer wordt het experiment bestuurd en worden de verzamelde data bestudeerd en geanalyseerd. 3. Optiek voor Extreem Ultraviolet licht: onderzoek in de groep Physics of thin films & multilayers (TFM) Bij de productie van computerchips wordt het patroon van een chip op een plak silicium afgebeeld. De grootte van de details die je kunt afbeelden wordt beperkt door de golflengte van het gebruikte licht. Om kleinere structuren te kunnen maken voor chipfabricage in de toekomst, moet dus licht met een kortere golflengte worden gebruikt. Op dit moment worden met een ultraviolette lichtbron (193 nanometer; 300 keer dunner dan een hoofdhaar), en een complex systeem van lenzen, afbeeldingen gemaakt van typisch 50 nm. Voor de nabije toekomst is men van plan over te schakelen op licht met een nog kleinere golflengte, namelijk maar 13,5 nanometer, het 'extreem ultraviolet' (EUV) golflengtegebied. Met deze golflengte is het in principe mogelijk om structuren te maken van maar 10 nm, zo dik als een DNA-molecuul! Voor de toepassing van 13,5 nm lithografie is nog heel wat werk nodig. Krachtige lichtbronnen en gevoelige optische componenten moeten Elektronenmicroscoopopname van een naast elkaar gebruikt kunnen worden, en juist daarom is het EUV golflengtegebied voor onderzoek en technologie heel aantrekkelijk. Licht multilaag, bestaande uit vijftig dubbellagen silicium en molybdeen van elk slechts 3 nanometer dikte. met een golflengte van 13,5 nm wordt namelijk volledig geabsorbeerd in elk denkbaar materiaal. Optische systemen die de structuren op een chip moeten afbeelden kunnen daarom niet uit lenzen bestaan. De oplossing wordt gevonden in het gebruik van reflecterende optieken, waarbij een reflecterende coating iets anders zal moeten zijn dan alleen een enkele Pagina van 10

6 laag. Voor deze golflengte wordt voor een enkele laag namelijk niet meer dan een paar procent van het licht gereflecteerd per spiegel, wat veel te weinig is voor praktische toepassing in de industrie. De afdeling nsi (nanolayer Surface and Interface Physics) doet binnen Rijnhuizen onderzoek aan de ontwikkeling van speciale multilaagspiegels die bestaan uit honderden afwisselende lagen, met diktes van enkele nanometers tot slechts tienden van nanometers. Het onderzoek brengt technologische uitdagingen met zich mee, zoals de eis van perfecte controle over de laagdikte. Zo is positieve interferentie te verkrijgen van alle afzonderlijke reflecties. Ook is er de noodzaak om bij het maken van grote spiegels de totale laagdikte te controleren met een nauwkeurigheid van beter dan 0,02 nanometer, veel minder dan een atoomdiameter! Dat het principe werkt, is inmiddels aangetoond in twee prototype lithografiemachines waaraan Rijnhuizen heeft meegewerkt. Er moet nog veel fundamenteel onderzoek worden gedaan aan de interne structuur en de oppervlakteverschijnselen die plaatsvinden tijdens het maken van de multilaagspiegels en bij jarenlang gebruik van de spiegels onder agressieve bedrijfsomstandigheden. Onderzoeksthema's zijn het goed begrijpen van de diffusieprocessen waardoor de lagen gaan mengen onder hoge bedrijfstemperaturen, en het ontwikkelen van speciale gestabiliseerde structuren om dit mengen te voorkomen. Verder is de levensduur van de spiegels momenteel sterk beperkt door direct contact met intense plasma'ss en chemische oppervlakteprocessen zoals oxidatie. Hiervoor moet dus ook een oplossing bedacht worden door beschermende lagen of processen uit te vinden. Voor al dit onderzoek staan op de afdeling nsi diverse opdampopstellingen waar deze bijzondere gelaagde structuren gemaakt kunnen worden. Ook is er analyse-apparatuur die krachtig genoeg is om de geproduceerde structuur tot op (sub)-atomaire schaal te kunnen onderzoeken. 4. Microgolfdiagnostiek voor ITER: Tokamak Physics Group In 2007 is de bouw van ITER, de internationale experimentele fusiereactor, begonnen. Een van de belangrijke technische uitdagingen van een fusiereactor is om het plasma op te sluiten bij een temperatuur van 150 miljoen graden. Bij zulke temperaturen kunnen de isolatie van het plasma en de stabiliteit van de plasmakolom verstoord worden door magnetische eilanden. De Tokamak Physics Group ontwikkelt de wetenschap en technologie voor de controle van magnetische eilanden. De eilanden kunnen worden gemeten en gestabiliseerd met behulp van microgolfstraling. De hoog vermogens microgolven worden in het plasma gedeponeerd met een beweegbare component, de launcher. Een nieuw geïntegreerd detectieen stabilisatiesysteem is ontwikkeld door FOM Rijnhuizen in nauwe samenwerking met de TU/Eindhoven. Het unieke van ITER, de tokamak die nu wordt gebouwd in dit ontwerp is dat de detectietak grotendeels dezelfde opstelling benut als waarmee de microgolfstraling voor verhitting Cadarche, Frankrijk. het plasma wordt in geschoten. Dit systeem heeft vorig jaar geleid tot de eerste real-time island-track-and-kill experimenten ter wereld op de tokamak TEXTOR. De groep is ook betrokken bij het ontwikkelen van een onderhoudsmethodologie voor belangrijke ITER onderdelen: de port plugs. Manipulatie van deze systemen gebeurt volledig telemetrisch (door een operator die op afstand een robotsysteem bedient). De gereedschappen en procedures hiervoor worden ontwikkeld en getest in een virtual reality omgeving. Pagina van 10

7 Bij de Tokamak Physics afdeling krijgt u video s en demo s te zien over MHD-modes en het controlesysteem zoals dat op TEXTOR is ingezet, de mechanische controle van een launcher. Verder wordt uitgelegd wat remote handling op ITER inhoudt, en hoe met behulp van virtual reality hele controlesystemen kunnen worden getest. Als onderzoekstaak voor ITER is de groep ook betrokken bij het ontwikkelen van een onderhoudsmethode voor belangrijke ITER onderdelen, de port plugs. Manipulatie van deze systemen gebeurt volledig met robots op afstand. De benodigde gereedschappen en procedures worden ontwikkeld met behulp van een virtual reality omgeving. 5. Vrije-elektronenlaser en gebruikersfaciliteit: FELIX Rijnhuizen beschikt over FELIX (Free Electron Laser for Infrared experiments), een zelfgebouwde, unieke laser die licht uitzendt met een instelbare golflengte tussen de 0,003 mm en 0,25 mm (zogenaamd ver-infrarood licht) met een piekvermogen van wel 100 Megawatt. De laser is geschikt voor heel uiteenlopend onderzoek, zoals naar goedkopere zonnecellen en de structuur van biologische moleculen. In de vrije-elektronenlaser FELIX wordt een intense elektronenbundel door een wisselend magneetveld gestuurd, waardoor licht gegenereerd wordt. Dit licht wordt versterkt in een optische trilholte. De golflengte kan continu worden aangepast door de elektronenenergie en/of de sterkte van het magneetveld te veranderen. Vrije-elektronenlasers zijn enorm. FELIX ligt in een tientallen meters lange bunker onder de grond (zie foto) en wordt op afstand bestuurd. Het laserlicht wordt met behulp van spiegels door vacuümbuizen naar de gebruikersruimten getransporteerd, waar de onderzoekers hun experimentele opstellingen opgebouwd hebben. Met FELIX kun je experimenten doen die nergens anders ter wereld kunnen worden uitgevoerd. Daarom komen jaarlijks tientallen onderzoekers uit binnen- en buitenland naar Nieuwegein om experimenten te doen met FELIX. Met FELICE (Free Electron Laser for Intra-Cavity Experiments) heeft de faciliteit een nieuwe bundellijn ter beschikking, die ontworpen is om experimenten binnen de trilholte van de laser uit te voeren. Hierdoor is het voor de experimenten beschikbare vermogen ten opzichte van FELIX met een factor 50 toegenomen. De opbouwfase is bijna afgesloten en er worden eerste experimenten met FELICE uitgevoerd. Een 3D tekening van de intracavity opstellingen met de resonator eronder is in de figuur te zien. Pagina van 10

8 6. Moleculaire Dynamica moleculaire fysica met lasers In de moleculaire dynamica groep worden moleculen in de gasfase onderzocht met behulp van lasers, in het bijzonder met de vrije-elektronenlaser FELIX. Door te onderzoeken welke lichtfrequenties ( kleuren ) wel en welke niet geabsorbeerd worden, krijgen we informatie over de opbouw van de moleculen. Het infrarode deel van het spectrum, waarin FELIX opereert, is hiervoor uitermate geschikt. In het algemeen is het begrijpen van de moleculaire structuur - d.w.z. de afstanden en krachten tussen de atomen waaruit de moleculen bestaan - de sleutel tot het begrijpen van de fysische en chemische eigenschappen. Moleculaire Dynamica onderzoekt verschillende soorten moleculen, met name de soorten die moeilijk met standaard IR absorptietechnieken te bestuderen zijn, zoals elektrisch geladen moleculen (ionen), metaal- en metaalcarbide clusters, zwak gebonden complexen van twee of meer moleculen/atomen, en grote flexibele biomoleculen zoals peptiden en eiwitten. We leggen ons met name toe op drie toepassingsgebieden: moleculaire systemen met astrofysische, biologische of katalytische relevantie. 7. De groep Elektronica en ICT De groep Elektronica en ICT (E&I) koopt, ontwerpt, bouwt en beheert de elektronica en ICT die de medewerkers en experimentele opstellingen binnen Rijnhuizen nodig hebben. E&I bestaat uit een aantal specialismen, die hieronder worden beschreven Elektronica Elektronici binnen E&I ontwerpen en bouwen analoge en digitale elektronische schakelingen voor experimenten. Onder de analoge elektronica vallen bijvoorbeeld versterkers, signaalbronnen en motorregelingen. Onder de digitale elektronica vallen onder andere VMEbus modules, Programmable Logic Devices (PLD) en Field Programmable Gate Arrays (FPGA) Vermogenselektronica Vermogenselektronici binnen E&I ontwerpen en bouwen o.a. installaties die hoge spanningen (tot 2 miljoen volt), hoge stromen of hoge vermogens kunnen schakelen, met - indien nodig - zeer snelle schakeltijden. Zo worden er systemen en voedingen van 10 A tot 100 ka en van 1 kilovolt tot 2 megavolt ontworpen en gebouwd. Pagina van 10

9 7.3 - ICT Beheer en Data Acquisitie & Control Helpdeskmedewerkers en systeembeheerders binnen E&I verzorgen aanschaf, installatie, testen en onderhoud van computer- en communicatieapparatuur, en beheren de centrale computers, het netwerk, de printers, de internetverbinding en de website van ons instituut, en ondersteunen de gebruikers. Software engineers binnen E&I verzorgen de technische automatisering: bouw en onderhoud van systemen voor experimentbesturing, de dataverzameling en de data opslag. Voor deze systemen wordt gebruik gemaakt van commerciële en zelfontwikkelde hardware, waarvoor meestal software op maat moet worden gemaakt in LabVIEW of C/C++ of Python. Tijdens de open dag wordt zo'n besturingssysteem gedemonstreerd. 8. Mechanische Techniek De groep Mechanische Techniek bestaat uit drie subgroepen: tekenkamer, fijnmechanische techniek en vacuümsoldeergroep. Samen zijn ze verantwoordelijk voor het complete traject van ontwerp tot fabricage van de vele mechanische producten voor het wetenschappelijk onderzoek bij de verschillende experimenten. Deze onderdelen variëren van klein en zeer kwetsbaar tot groot en massief, en omvatten o.a. ultra-hoogvacuüm systemen, spiegelsystemen voor microgolfbundels, gasafsluiters, maar ook complete opstellingen om moleculen op te sluiten en te bestuderen De tekenkamer Op de tekenkamer wordt al de apparatuur op mechanisch gebied ontworpen, geconstrueerd en gedetailleerd. De ontwerpsoftware die op deze afdeling gebruikt wordt is Catia V5, een geavanceerd 3D ontwerppakket. Voordeel van dit pakket is de mogelijkheid om van het ontwerp op een relatief eenvoudige manier 2D werktekeningen te genereren. Ook is er de mogelijkheid om de modellen door te rekenen op bijvoorbeeld sterkte en stijfheid. Nadat het ontwerp gereed is, wordt in overleg met de groep fijnmechanische techniek bekeken welke onderdelen in huis gemaakt kunnen worden en welke onderdelen het beste uitbesteed kunnen worden Fijnmechanische Techniek De groep fijnmechanische techniek is verantwoordelijk voor de fabricage van de onderdelen die nodig zijn voor het wetenschappelijk onderzoek. Fabricage gebeurt over het algemeen aan de hand van werktekeningen. Die worden aangeleverd door de tekenkamer. Ook kan er gewerkt worden met schetsen. Sinds een aantal jaren wordt er ook gebruik gemaakt van een CAD-CAM verbinding met de tekenkamer. Naast een aantal conventionele draai- en freesmachines heeft de groep ook de beschikking over een drietal CNC freesmachines, waaronder één machine die 5 assen simultaan kan bewerken en één CNC draaibank. FELICE spiegelhouder Pagina van 10

10 8.3 - De vacuümsoldeergroep Het gebruik van verschillende materialen en in ultrahoog vacuüm vereist hoogwaardige soldeertechnieken. Rijnhuizen heeft door de jaren heen een naam opgebouwd op het gebied van het vacuümsolderen. Naast de ruime expertise beschikt de afdeling over hoogwaardige apparatuur voor het soldeerwerk. Het Fusie Informatie Centrum In het Fusie Informatie Centrum vindt u informatie over het hoe en waarom van fusie-energie, over de status en vooruitgang van het onderzoek, demonstraties van plasma s, een model van ITER en een korte film over het fusieonderzoek. Kernfusie is het proces waarbij lichte atoomkernen samensmelten tot zwaardere. Het is de energiebron van de zon en de sterren, en daarmee is kernfusie de grootste energiebron van het heelal. Wetenschappers doen onderzoek om fusie als veilige en onuitputtelijke energiebron op aarde te gebruiken. Om de levensstandaard van de hele wereldbevolking aan het eind van deze eeuw op een westers niveau te brengen, is ongeveer vijf keer zo veel energie nodig als we nu gebruiken. Tegelijkertijd raken de huidige fossiele hoofdleveranciers uitgeput. De toenemende vraag naar energie roept om nieuwe manieren van energie opwekken. Eén daarvan is fusie. Fusie-energie biedt uitzicht op een schone, veilige, en duurzame energiebron. Sinds januari 2007 wordt in het Franse Cadarache door zeven internationale partners, waaronder de EU, gebouwd aan de internationale ITER reactor. Ontwerpers, technici en wetenschappers van FOM-Rijnhuizen werken mee aan het testen en ontwerpen van onderdelen voor ITER. Dit uitdagende wetenschappelijke en technologische project zal aantonen dat met fusie meer energie kan worden opgewekt dan de reactor zelf verbruikt. Een onderzoeker in het hart van de grootste experimentele fusiereactor ter wereld: Joint European Torus (JET), bij Oxford, Engeland. Pagina van 10