Achtergrond
JPE manipuleert ijskoud spiegeltje met simpele piëzotruc
10 maart 2011
Vorige maand leverde Janssen Precision Engineering de verkleinde versie op van zijn Piezoknob. De piëzogestuurde oplossing om spiegeltjes en lensjes in cryogene omgevingen te controleren, haalt een resolutie van zo’n tien nanometer bij temperaturen tot anderhalve kelvin. Het bedrijf uit Maastricht-Airport viel bij de ontwikkeling terug op zijn ervaringen met astronomische instrumenten.
In 2007 ontwikkelde Janssen Precision Engineering een instelbaar stralingsmasker voor de Gran Telescopio Canarias. Daarmee kunnen astronomen snel en flexibel infraroodopnames van sterren maken. Het bedrijf uit Maastricht-Airport deed tijdens het project veel ervaring op met nauwkeurig positioneren in vacuüm en bij cryogene temperaturen. Die knowhow was een belangrijke reden voor het Kamerlingh Onnes-lab van de Universiteit Leiden om bij JPE aan te kloppen.
‘Ze zochten een oplossing voor het positioneren van spiegels en lenzen bij extreem lage temperaturen van 4 K’, vertelt JPE-directeur Huub Janssen. ‘Deze componenten worden normaliter zo goed mogelijk bij kamertemperatuur uitgelijnd, maar na afkoeling bleek de geometrie zodanig te veranderen dat de uitlijning niet meer voldeed. Ze zochten dus naar een mogelijkheid om de uitlijning in situ bij 4 K uit te voeren. Via Google kwamen ze toen bij ons terecht.’
De ingenieurs bij JPE gingen met z’n allen om de tafel zitten om in een brainstormsessie op zoek te gaan naar een oplossing. Basis daarbij was de zogenaamde inertial drive die ze eerder voor de telescoop hadden ontwikkeld. Janssen: ‘Het principe is gebaseerd op massatraagheid. Denk aan het bekende goocheltrucje met het tafellaken en het glas. Als je langzaam aan het laken trekt, volgt het glas. Als je vervolgens een snelle ruk aan het laken geeft, heeft het glas niets in de gaten en blijft het gewoon staan waardoor je een nettoverplaatsing hebt gerealiseerd. Je kunt zeggen dat we ons concept op deze fysica hebben gebaseerd.’
Figuur 1: Als je de piëzo tussen de twee massa’s eerst langzaam uitrekt en daarna snel samenknijpt, schuift massa M2 een klein stukje naar links.
Het principe is redelijk simpel. Een last M2 is via een piëzo verbonden met massa M1 (Figuur 1). Als de spanning op de piëzo langzaam wordt verhoogd, wordt deze langzaam langer. Door de massatraagheid merkt de last M2 niets van deze verandering en blijft hij op zijn plek liggen. Als je de piëzospanning daarna snel weer naar nul brengt, trekt die bruuske contractie M2 wel in beweging. De precieze verplaatsing is afhankelijk van de twee massa’s en de piëzoversnelling.
‘In de basis lijkt het concept inderdaad heel eenvoudig’, geeft Janssen toe. ‘Maar de uitwerking van het idee en het invullen van alle details, daar gaat het meeste werk in zitten. Het is toch altijd 1 procent inspiratie en 99 procent transpiratie.’
Bout
JPE heeft dit principe eerst vertaald naar een roterende versie (Figuur 2). De last is nu een schroefspindel M2. Op de knop zit een oortje met daarop weer een piëzo en massa M1. Door hetzelfde piëzotrucje toe te passen, draait de spindel een klein stukje met de klok mee. De andere kant opdraaien kan ook door eerst een snelle expansie en daarna een langzame contractie.
‘Hier is misschien niet direct duidelijk waar de gewenste wrijving vandaan komt’, zegt Janssen. ‘Met een goed lager heb je immers geen wrijving en zou de spindel netjes meedraaien met elke piëzoverandering. We hebben daarom bewust een slecht lager geďntroduceerd. Of beter gezegd: we hebben gebruikgemaakt van een schroefdraad. Daarmee introduceer je wrijving en heb je gelijk de omzetting van rotatie naar translatie.’
Figuur 2: JPE vertaalde het lineaire concept uit Figuur 1 naar een rotatie door een schijf met een oortje steeds een zetje te geven.
Met voorspanning zorgt JPE ervoor dat het spiegeltje stevig tegen het topje van de bout blijft aangedrukt (Figuur 3). Ook als de bout zich terugtrekt, blijft de spiegel dan volgen. Daardoor heeft het piëzogestuurde systeem nauwkeurige controle over de precieze hoek die het spiegeltje maakt ten opzichte van de vaste wereld en kan het de laserbundel heel precies uitlijnen.
JPE zit nu op een nauwkeurigheid van ongeveer tien nanometer translatie voor elk duwtje van de piëzo. Janssen: ‘Het is altijd een gevecht tussen de wrijving en de stijfheid van de constructie. Als de constructie heel slap is, kun je duwen wat je wilt, maar dan zie je aan de voorkant niets gebeuren. Het is ook belangrijk om de wrijving beheersbaar te houden. Je moet zo veel marge in je impuls inbouwen dat je zeker weet dat je de wrijvingskracht overwint. Wat er dan uitkomt - of dat nou acht, tien of twaalf nanometer is – maakt niet zo veel uit. Dat is het dilemma: je wilt de stapjes zo klein mogelijk maken, maar het spiegeltje moet wel echt bewegen. Bij het Kamerlingh Onnes-lab zijn ze blij dat ze überhaupt iets kunnen manipuleren waar ze met hun handen niet bij kunnen.’
JPE ontwikkelde het concept voor 4 K, maar in de praktijk werkt het al bij 1,5 K. ‘Het zou me niets verbazen als ze ook nog naar 0,5 K willen’, lacht Janssen. ‘Wetenschappers zoeken altijd de grens op. Het lastige is dat hoe dichter je bij het absolute nulpunt komt, hoe kleiner de slag van de piëzo wordt. Op het huidige niveau is dat nog ongeveer een tiende van het oorspronkelijke bereik.’
Het sterke punt van het concept is dat het systeem kracht kan genereren. Janssen legt uit: ‘Dat betekent dat je met de spiegel 100 N belasting op de bout kunt zetten en dat je hem dan nog van z’n plaats krijgt. Dat is inherent aan het concept. Om nauwkeurig te positioneren, moet de verbinding met de vaste wereld ook stijf zijn. Daarbij heb je te maken met mechanische overgangen, hertzcontacten, noem maar op. Je moet dus voorspannen. Concurrerende concepten kunnen daar niet mee omgaan, maar het zit wel in ons ontwerp.’
Figuur 3: De Piezoknob controleert heel nauwkeurig de hoek die het spiegeltje maakt met de vaste wereld en dus de uitlijning van de laserbundel.
Cern
Vorig jaar toonden de ontwikkelaars in Maastricht-Airport aan dat het concept werkte. Vanuit Leiden kregen ze een bestelling voor een aantal Piezoknobs, zoals JPE de knopjes heeft gedoopt. De wetenschappers wilden echter nog een stapje verder. ‘We kregen de vraag of we ook een variant konden maken voor een slag van vijf millimeter’, vertelt Janssen. ‘Conceptueel was dat geen probleem, maar in het oorspronkelijke ontwerp werkten we met vaste aansluitdraden. Om zo’n grote afstand te overbruggen, moest de knop veel te veel slagen maken en draaiden de draden op. We moesten dus iets bedenken om dat ontwerpprobleem te verhelpen.’
Tegelijk kwam de vraag of de Piezoknob niet wat kleiner kon. De eerste versie had een diameter van dertig millimeter en was tien millimeter dik. ‘Ongeveer een damschijf dus. Dat was al klein in mijn ogen, maar de klant vond het nog te groot. In de cryogene omgeving waar hij werkte, kon hij er drie kwijt, maar hij wilde er graag meer gebruiken. We moesten daarvoor echt de grens opzoeken. Wordt die piëzo kleiner, zet hij minder uit, wordt de massa kleiner - het wordt allemaal een stapje complexer. Conceptueel ging het wel, maar we wisten eigenlijk niet precies waar de grens lag.’
JPE slaagde erin om de dimensies terug te brengen. Vorige maand leverde het ingenieursbureau een versie op ter grootte van een tiencentmuntje met een dikte van 14 mm. Bovendien is de update uitgerust met een sleepcontact waardoor de kabeltjes niet meer opdraaien. Bij 80 K heeft JPE de werking al aangetoond. Of hij het ook bij 1,5 K zal doen, moet in het Leidense lab blijken. Janssen heeft er echter alle vertrouwen in.
Janssen ziet wel markt voor de vinding. ‘Vooral in de wetenschappelijke wereld waar ze micromanipulatie willen doen in cryogene omgevingen. Zo hebben we onlangs contact gehad met Cern in Genčve. In de deeltjesversneller daar willen ze onderzoeken of antimaterie massa heeft. Ze kunnen al antimaterie maken voor een fractie van een seconde. Nu willen ze met een laserbundel meten of die antimaterie door de zwaartekracht wordt aangetrokken. Details van het experiment weet ik niet, maar het moet gebeuren in vacuüm en dicht tegen het absolute nulpunt. Om de laserbundels in situ goed te manipuleren, zouden ze de Piezoknob kunnen gebruiken. Bovendien is er maar heel beperkt ruimte. De nieuwe knop is achttien millimeter en er is plek voor twintig. Het past dus precies.’