Grootste monokristallijne siliciumspiegel ter wereld gemaakt voor Einstein Telescope
Met een diameter van 45 centimeter en een gewicht van 80 kilogram is de monokristallijne siliciumspiegel voor het ET-CRISTAL-laboratorium in Luik de grootste ooit ter wereld gemaakt. De spiegel werd gepolijst door het Waalse bedrijf AMOS binnen het ERC SILENT-project van prof. Christophe Collette (Universiteit Luik) en vormt een belangrijke stap in de ontwikkeling van technologie voor de toekomstige Einstein Telescope.
Meer dan vijf jaar geleden startte prof. Christophe Collette, lucht- en ruimtevaartingenieur aan de Universiteit Luik, een ambitieus project rond het ontwerp en de productie van een uitzonderlijk grote monokristallijne siliciumspiegel. Het doel was de grenzen van optische technologieën voor fundamenteel onderzoek verder te verleggen. “De ruwe kristalstaaf werd geproduceerd door een gespecialiseerd Amerikaans bedrijf dat apparatuur levert voor de groei van siliciumkristallen“, legt de onderzoeker uit. “Vervolgens werd hij toevertrouwd aan AMOS voor de mechanische bewerking en het polijsten.”
Deze samenwerking heeft nu geleid tot een uitzonderlijke prestatie: een spiegel met een diameter van 45 centimeter en een gewicht van ongeveer 80 kilogram, waarvan de resterende oppervlakteruwheid na het polijsten in de orde van één nanometer ligt – met andere woorden: oneffenheden die een miljoen keer kleiner zijn dan een millimeter.
De diameter van 45 centimeter is op zich al opmerkelijk, aangezien de productie van een monokristallijn siliciumkristal van deze afmetingen, zonder defecten of korrelgrenzen, zich op de grens bevindt van wat de huidige technieken mogelijk maken. Dit onderdeel is dan ook de grootste monokristallijne siliciumspiegel die tot op heden werd geproduceerd. Hoewel de prestaties nog niet volledig voldoen aan alle specificaties die voor de toekomstige Einstein Telescope worden nagestreefd, vertegenwoordigt deze spiegel de meest geavanceerde stand van de techniek die momenteel beschikbaar is.
Van kristalstaaf tot precisiespiegel
Alles begint met een monokristallijne siliciumstaaf: een massieve cilinder die uit één enkel kristal bestaat en uiterst langzaam uit een bad van gesmolten silicium wordt getrokken. Deze kristalgroei werd uitgevoerd door een Amerikaans bedrijf dat gespecialiseerd is in de productie van machines voor dit soort toepassingen. Tot op heden zijn slechts enkele bedrijven wereldwijd in staat om monokristallijn silicium met een dergelijke diameter te produceren. Op deze schaal zou zelfs de kleinste verontreiniging of kristaldefect de homogeniteit van het materiaal aantasten, wat een monokristal met een diameter van 45 centimeter bijzonder zeldzaam maakt.
Na aankomst in België werd de mechanische bewerking toevertrouwd aan AMOS, een spin-off van de Universiteit Luik. Silicium is een hard maar tegelijkertijd broos materiaal dat geen enkele fout verdraagt; zelfs een kleine rekenfout had voldoende kunnen zijn om het te doen barsten.
“De kristalstaaf werd eerst op maat gezaagd en vervolgens met diamantgereedschap in vorm gebracht – de enige gereedschappen die dit materiaal kunnen bewerken“, vertelt Philippe Klinkenberg, hoofd van de afdeling Opticafabricage bij AMOS. “Daarna volgden langdurige slijp- en polijstprocessen, waarbij steeds fijnere schuurmiddelen geleidelijk de microscopische beschadigingen verwijderden die tijdens de voorgaande bewerkingsstappen onder het oppervlak waren ontstaan. Na elke bewerking werd het resultaat gecontroleerd met uiterst nauwkeurige optische metrologie, totdat een resterende oppervlakteruwheid van ongeveer één nanometer werd bereikt.“
In totaal duurde de mechanische bewerking en het polijsten zes maanden om de ruwe kristalstaaf om te vormen tot een uiterst nauwkeurige precisiespiegel.
Centre Spatial de Liège (CSL)
De spiegel zal tegen het einde van het jaar worden geïnstalleerd in het ET-CRISTAL-laboratorium (CRyogenic and Inertial STAbility Lab) dat binnenkort wordt ondergebracht in de nieuwe gebouwen van het Centre Spatial de Liège (CSL). Hier kan optimaal gebruik worden gemaakt van de expertise van het CSL op het gebied van cryogene technologie en cleanroomomgevingen. Daarnaast zal het laboratorium beschikken over een extra vacuümkamer met een diameter van drie meter, waarin het E-TEST-prototype verder zal worden ontwikkeld.
De spiegel zal dienen als experimenteel platform voor de ontwikkeling en validatie van technologieën voor zwaartekrachtgolfdetectoren van de volgende generatie en uiteindelijk voor de Einstein Telescope.
