Hoe een mechatronicacursus de synchrotrongemeenschap vooruit stuwde

Toen Curt Preissner de cursus Metron-deel 1 volgde aan het High Tech Institute in Eindhoven, was hij onder de indruk van de lokale expertise, maar ook van alle fietsen die hier rondreden. ‘Ik fiets naar mijn werk hier in de Verenigde Staten, maar dat is helemaal niet zoals in Nederland', blikt hij tevreden terug.

Preissner is werktuigbouwkundig ingenieur bij de Advanced Photon Source (APS), een gebruikersfaciliteit van het U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science in het Argonne National Laboratory van het DOE in Illinois.

Deze synchrotron, een soort cirkelvormige deeltjesversneller, genereert straling in de vorm van röntgenstraling. Deze röntgenstraling kan weer gebruikt worden om bijvoorbeeld afbeeldingen te maken van de nanostructuur van materialen. Preissner ontwerpt een heel specifiek onderdeel van dat systeem.

‘In een deeltjesversneller versnel je elektronen met behulp van radiofrequentie-energie’, legt Preissner uit. Vervolgens slingeren ze heen en weer tussen de noord- en zuidpool van magneten, wat synchrotronstraling oplevert. In onze machine heeft die straling de vorm van röntgenstraling. De energie van de röntgenstralen die we produceren varieert van een paar KeV tot 100 KeV, dus ze zijn zeer doordringend. We nemen die röntgenstraling en gebruiken een zogenaamde monochromator om een bepaalde golflengte te selecteren. Het instrument dat ik ontwerp is een röntgenmicroscoop genaamd PtychoProbe. Dit wordt een uniek instrument van wereldklasse dat röntgenstraling focust tot op vijf nanometer, wat nu nog niet bestaat. Het wordt dus een wereldprimeur. De röntgenstralen worden op het monster gericht en breken er dan vanaf. De gebroken röntgenstralen van het monster worden dan opgevangen door een detector, waarvan we de gegevens verwerken tot een beeld dat de structuur van het monster laat zien.

Nieuwe technische filosofie

Preissner en zijn collega's realiseerden zich dat dit nieuwe ontwerp, dat een hoge mate van precisie vereist, een nieuwe engineeringfilosofie zou vereisen. ‘De specificaties waarmee we werken kunnen zeer uitdagend zijn’, zegt Preissner. Over het algemeen is ons systeem statisch. Maar aan de kant van de beamline beweegt alles. We moeten onze monsters op een andere manier scannen omdat de nieuwe bundels veel helderder zijn. Dankzij deze helderheid kunnen we onze monsters gedetailleerder bekijken. Deze hoge fotonflux kan het monster echter beschadigen, waardoor we deze details niet meer kunnen zien. We willen dit dus snel doen. We hoeven niet zo snel te werken als sommige halfgeleiderproductieapparatuur. We scannen ongeveer zeven millimeter per seconde, wat geen extreem hoge snelheden zijn. Maar voor wat we gewend zijn, is dit vrij hoog. Het monster en de röntgenlens, die de zoneplaat wordt genoemd, moeten ook een registratie van 1,25 nanometer behouden. Dat is behoorlijk krap. We doen dat over lengteschalen van ongeveer 10 millimeter. Dit is nieuw terrein voor ons. Daarom zijn we op zoek naar nieuwe technische benaderingen om dit te bereiken.’

Geïntegreerde aanpak

Na wat onderzoek realiseerden ze zich dat mechatronica een oplossing kon bieden. ‘We zijn begonnen in de synchrotrongemeenschap, die niet zo groot is', legt Preissner uit. Er zijn een paar honderd synchrotron-ingenieurs, waarschijnlijk minder dan een paar duizend. De gemeenschap is niet zo groot. Dus toen we niet de antwoorden vonden die we zochten, zijn we op zoek gegaan naar andere gebieden met vergelijkbare prestatiespecificaties. Zo kwamen we uit bij halfgeleiderproductieapparatuur, en op zijn beurt bij de mechatronica-aanpak.

Deze aanpak, die op sommige gebieden gebruikelijk is, is nieuw in de synchrotrongemeenschap. Mechatronica zou echter wel eens datgene kunnen zijn wat we nodig hebben om de technologie vooruit te helpen. In de laatste generatie instrumenten, tien tot vijftien jaar geleden, was het niet ongewoon dat een mechanisch ingenieur met een beamline-wetenschapper ging zitten en gewoon de mechanica ontwierp, een bewegingscontroller aansloot, misschien wat interferometrie, en resultaten behaalde waarmee de wetenschappelijke klus geklaard werd. De enige aandacht voor dynamica in het ontwerp was trillingen, en er was zeker geen benadering op systeemniveau’, zegt Preissner. ‘Maar nu dwingen de ontwikkelingen in de versneller en de röntgenoptiektechnologie ons om de grenzen op te zoeken van wat we kunnen doen. Die oude aanpak zal niet werken. We moeten vooruit kijken; de wetenschap staat niet toe dat we stil blijven staan. Het instrument dat ik ontwerp moet minstens de komende tien jaar wetenschappelijk productief zijn. Een mechatronische benadering is hier erg interessant. Het is geweldig om vanaf het begin na te denken over zaken als foutbudgettering en dynamische modellen. Het is een meer geïntegreerde aanpak.’

In Nederland beland

Zo kwamen Preissner en een collega in Nederland terecht, waar ze een mechatronicacursus volgden aan het High Tech Institute. Voor hen was het de ideale manier om snel in het vakgebied te worden ondergedompeld. Bij APS hebben we niet altijd de luxe om enorm veel aan r&d te kunnen doen', zegt Preissner. ‘Met dit project zitten we in tijdsnood. We moeten snel kennis opdoen, zodat we kunnen samenwerken met leveranciers of ons eigen ontwerp kunnen maken. Als je bijvoorbeeld kijkt naar de waferscanners van ASML, dan zijn hun prestaties zeer indrukwekkend. Maar het is belangrijk om te onthouden dat er ongeveer veertig jaar ontwikkeling aan vooraf is gegaan. Wanneer we deze instrumenten ontwerpen, hebben we die tijd niet. We moeten zo snel mogelijk leren.’

Leveranciers

Een belangrijk ding dat ze tijdens de cursus leerden was een nieuw soort taal, waardoor ze beter met hun leveranciers konden praten. ‘We gaan niet zomaar iets kopen', zegt Preissner. ‘We doen voorstellen en beslissen of een leverancier bepaalde ontwerpen kan maken. Het is dus belangrijk om technieken als foutbudgettering te kennen en ontwerpen met een mechatronische blik te kunnen bekijken. Formele training versnelde ons vermogen om met leveranciers te praten. Er zijn bepaalde belangrijke kwesties in dit ontwerp die me 's nachts wakker houden en dat moeten we kunnen communiceren. Na de cursus kon ik naar een leverancier gaan en ze vragen om ons bijvoorbeeld hun foutenbudget te laten zien. Of ik zou met ze kunnen praten over de dynamica van de controller in combinatie met de dynamica van de mechanica.’

Kort tijdsbestek

De cursus leerde hun dit alles in een kort tijdsbestek. Dit is belangrijk voor een ingenieur als Preissner, die werkt aan een tijdgevoelig project voor een door de overheid gesubsidieerde organisatie. ‘We staan onder hoge druk, dus we wilden graag leren en deden dat ook vrij snel. We hebben hard gezocht naar een cursus die deze kennis snel voor ons op een rijtje kon zetten. APS is ook een overheidsinstelling, dus we gebruiken belastinggeld. We moeten goed opletten hoe we dat besteden. We zijn altijd op zoek naar manieren om onze doelen op een effectieve manier te bereiken en deze cursus heeft ons geleerd wat we moesten weten op een zeer efficiënte manier.’

Dit is allemaal werk in uitvoering, volgens Preissner. ‘De synchrotron engineering gemeenschap heeft lange tijd op een bepaalde manier gewerkt. Maar nu realiseren mensen zich dat we het anders moeten doen. Deze cursus stelde ons in staat om voor die andere aanpak te kiezen.'

Model op een holistische manier?

Tot nu toe is de nieuwe mechatronica-kennis vooral gebruikt in contacten met leveranciers, maar Preissner merkt op dat ze het in de toekomst ook willen gebruiken om nieuwe instrumenten vanaf de grond af aan te ontwerpen. ‘Het ligt op de tekentafel', zegt hij. ‘We vragen ons af of we deze nieuwe aanpak op een meer systematische manier kunnen toepassen. Kunnen we het instrument, het besturingssysteem en de invloeden op een holistische manier modelleren? Aan welke knoppen moeten we draaien? Welke controleaanpak zou zinvol zijn?’

Voorlopig willen Preissner en zijn collega's hun kennis van mechatronica echter uitbreiden. Ze kijken er al naar uit om meer cursussen te volgen. ‘Als je het niet gebruikt, raak je het zo weer kwijt. We voelen een zekere druk om het geleerde zo regelmatig mogelijk toe te passen. Het eerste deel van de training was goed en nu denken we erover om aanvullende cursussen te volgen. Als je nieuwe engineeringtechnieken leert, kost dat wat tijd. Je moet ermee werken. Het heeft onze interacties met leveranciers al veranderd. De volgende stap zal zijn om onze eigen ontwerpen vanaf de grond af aan te veranderen.’