Het klinkt zo simpel: plak een tralie op een prisma en je hebt het begin van een compacte spectrometer. Maar bij het ruimteonderzoeksinstituut SRON moest het technische team tot het uiterste gaan om dat goed voor elkaar te krijgen.

Het doel: het meten van gassen met een heel lage concentratie in de atmosfeer vanuit de ruimte. Het apparaat: een infraroodspectrometer voor de rond 2020 te lanceren missie Sentinel-5. Een cruciaal onderdeel: een tralie achterop een prisma. Het waarom van dat zogeheten verzonken tralie: de spectrometer kan zo veel kleiner.

Rond de tafel zitten projectmanager dr.ir. Luc Dubbeldam, lithograaf Mustafa Kaykisiz MSc en instrumentenmaker Sander van Loon van SRON, het Nederlandse instituut voor ruimteonderzoek. Dit technische team maakte het verzonken tralie. Dat de keuze van de Europese ruimtevaartorganisatie viel op de Nederlanders zegt genoeg. ‘Wat wij hebben gemaakt is uniek.’


Het tralie is nodig om metingen te doen aan het infrarode spectrum van de aardse atmosfeer. Via dat tralie, een serie groeven en ribbels achter elkaar, worden de verschillende frequenties waaruit het infrarode licht is opgebouwd ruimtelijk van elkaar gescheiden. Vergelijk het met wat er gebeurt als er (zichtbaar) licht op een compact disc valt: de groeven op het schijfje splitsen dit licht in de bekende regenboogkleuren.


In de glasbak

Mede vanwege de relatief lange golflengte van het infrarode licht zou de complete spectrometer bij gebruik van een gewoon tralie veel te groot worden. Daarom is er gekozen voor een verzonken tralie (immersed grating). Hierbij gaan de lichtstralen eerst door een prisma. Vervolgens worden ze vanaf de achterkant van een tralie naar hun frequentie uiteengerafeld. Dan gaan ze via hetzelfde prisma naar de detector. ‘Deze optische ingreep leidt ertoe dat de spectrometer in zijn geheel veertig keer kleiner kan zijn.’

Het verschil tusen een gewoon en verzonken tralie.


In een eerste uitvoering fabriceerde het team tralie en prisma uit één stuk silicium, maar dat bleek niet ideaal. Dat heeft vooral te maken met de kwaliteitseisen waaraan het tralie moet voldoen. De groeven hebben een onderlinge afstand van 2 μm en zijn 1,6 μm diep. ‘Je wilt niet dat die beschadigd raken. Dat bleek met de oude werkwijze lastig.’ Bovendien: als er ook maar iets aan het tralie of het prisma niet goed was, kon gelijk alles in de glasbak.

Daarom is voor het meetinstrument van Sentinel- 5 een nieuwe werkwijze gekozen: het tralie wordt met de gebruikelijke techniek gemaakt op een silicium schijf, de wafer, en vervolgens aan het prisma bevestigd. ‘We hebben daarmee veel meer controle over de kwaliteit van het proces.’


Eén atoom dik

Het klonk als het ei van Columbus – totdat het team zich realiseerde welke nieuwe uitdagingen het zich daarmee op de hals haalde. Dat begint al met het maken van het tralie van zo’n 7 bij 7 cm. ‘We krijgen bij het etsen van de groeven alleen de gewenste hoek als de wafer op een heel specifieke manier uit het siliciumkristal is gezaagd.’ Bovendien moet de achterkant van die wafer extreem vlak zijn om hem later goed op het prisma te kunnen bevestigen. De tolerantie ligt in de orde van een enkele nanometer.

Dan volgt de bevestiging van het tralie op het prisma. Die mag niet leiden tot reflecties of verstrooiing van het licht. Lijmen of klemmen is daardoor uitgesloten. ‘Het enige wat goed werkt, is een moleculaire binding. Die creëren we met een waterlaag die één atoom dik is.’ En hoe is dan te voorkomen dat er tussen wafer en prisma holtes ontstaan? ‘We drukken de wafer een beetje bol en spreiden hem vervolgens vanuit het midden over het prisma.’ Prismavlak en wafer moeten dan wel volledig parallel staan. ‘Ook voor de richting van de groeven geldt een hoge eis: de afwijking mag niet meer dan een tweehonderdste graad zijn.’
 

Het vastlijmen van het tralie op het prismaglas.


Voor het bepalen van de kwaliteit van het verzonken tralie is het meten van de hoeveelheid strooilicht die het produceert de ultieme test: hoe minder, hoe beter. ‘Daarvoor konden we bij een lab van Estec in Noordwijk terecht. Let wel: voor een enkel prisma zijn voor de complete cyclus van uitlijnen en meten drie volle weken nodig.’ En al die tijd moet het verzonken tralie ook nog eens superschoon blijven. ‘ESA is op dat punt extreem streng. Om ons schoon werken te kunnen controleren gaat er bijvoorbeeld elke keer dat het tralie op reis moet naar Frankrijk, Noordwijk of elders een dummy mee waaraan is te meten of er vuil op is gekomen.’