Sensoren gevoeliger maken met een koude vinger (Onder de Radar #13)

Hoe lager de temperatuur, hoe minder thermische ruis en hoe beter een sensor in staat is om zelfs het kleinste signaal op te pikken. Bij Thales houdt Roel Arts zich bezig met de ontwikkeling van cryogene technologie om de boel te koelen, typisch tot zo’n 200 graden onder nul.

Trots haalt Roel Arts een ingelijste oorkonde tevoorschijn: van de National Aeronautics and Space Administration, ter bekroning van een uitzonderlijke prestatie in innovatieve cryotechnologie. “Drie van onze koelers doen nu al drieënhalf jaar dienst aan boord van het internationale ruimtestation ISS. NASA’s Jet Propulsion Laboratory draait daar een experiment om de oppervlaktetemperatuur van de aarde te monitoren met behulp van infraroodstraling. Om de ruis te verminderen, koelen ze hun instrument met onze cryo-oplossing, die wij in recordtijd hebben geleverd, tegen een uiterst concurrerende prijs. Ze waren zo onder de indruk van deze prestatie dat ze ons twee onderscheidingen hebben gegeven: een voor het bedrijf en een voor mij – ik ben de enige in mijn vriendengroep met een onderscheiding van NASA”, zegt hij met een knipoog.

Arts werkt bij Thales' Cryogenics-afdeling in Eindhoven. “Zoals veel bedrijven in deze regio hebben ook wij onze wortels in Philips”, legt hij uit. “Begin jaren tachtig besloot Philips’ Ultrasone Fabriek, USFA, zich te gaan toeleggen op infraroodcamera’s. Al snel realiseerden ze zich dat hun infraroodsensoren alleen goed zouden functioneren als ze tot ongeveer -200 graden Celsius zouden worden gekoeld. Om niet te hoeven werken met vloeibare stikstof, begonnen ze met de ontwikkeling van cryogene koelers. Dit is nu de kernactiviteit van Thales Cryogenics.”

De carrière van Arts vertoont opmerkelijke parallellen. In 2008, kort na het behalen van een masterdiploma toegepaste natuurkunde aan de Universiteit Twente, ging hij bij Thales Huizen aan de slag als systeemengineer voor infraroodcamera’s. “Ik was een klant van Cryogenics en gebruikte hun producten om de mijne te koelen”, kijkt hij terug. Omdat Thales nog twee vestigingen had waar het gekoelde IR-camera’s ontwikkelde, besloot het deze activiteiten in 2012 te consolideren. Terwijl Arts de deur in Huizen zag sluiten, ging er een andere open in Eindhoven. “Tegelijk met mijn opzegging wees mijn manager me op een vacature bij Cryogenics. Daar zochten ze een techneut die ook gevoel had voor klanten. Wie kun je dan beter aannemen dan een techneut die klant is geweest?”

Gammastraling

In Eindhoven stroomde Arts door van applicatieontwikkeling via projectmanagement naar productlijnmanagement, om in 2018 verantwoordelijk te worden voor het productbeleid van de zogeheten lineaire cryokoelers. In essentie bestaan deze apparaten uit twee 10 à 20 cm lange cilinders – een compressor en een koude vinger – met een dun buisje ertussen. In de compressor wordt heliumgas afwisselend samengeperst en gedecomprimeerd door twee tegen elkaar in bewegende zuigers. Dit doet een puls ontstaan door het verbindingsbuisje, naar de basis van de koude vinger, naar de tip, en terug. In de decompressiefase transporteert het uitzettende gas warmte van de vingertop naar de basis, waar die via een warmtewisselaar wordt afgevoerd – hierdoor daalt de temperatuur bij de tip. De door Arts en zijn collega’s ontwikkelde koelers heten “lineair” omdat de zuigers lineair naar elkaar toe en van elkaar af bewegen, in tegenstelling tot de roterende modellen die Thales Cryogenics in Frankrijk maakt.

De temperatuurdelta die de koelers kunnen bereiken, is instelbaar maar ligt over het algemeen in de buurt van de -200 graden. Typisch wordt de superkoude vinger gebruikt om infraroodsensoren te koelen. “Dat is een groot deel van de markt”, bevestigt Arts. “Omdat IR-fotonen minder energie hebben en ook dunner gezaaid zijn, moeten dergelijke sensoren veel gevoeliger zijn dan normale camera’s. Dat maakt ze echter ook gevoeliger voor thermische ruis. Gewone CCD-camera’s kampen met een soortgelijk probleem als je een foto wilt maken en er weinig zichtbaar licht is, bijvoorbeeld in de astronomie. Door intensieve koeling verdwijnt de thermische ruis, wat de beeldkwaliteit ten goede komt.”

Een andere belangrijke toepassing is gammaspectroscopie, het in kaart brengen van de energiespectra van gammastralingsbronnen. “Je kunt radioactieve materialen identificeren aan de hand van hun gammasignatuur, maar ook daarvoor heb je een zeer gevoelige, en dus supergekoelde, detector nodig”, merkt Arts op. Gammaspectroscopie wordt bijvoorbeeld gebruikt in de nucleaire industrie, in geochemisch onderzoek en in de astrofysica. “En op vliegvelden en in havens heb je poorten die supergekoelde gammadetectoren gebruiken om passerende vracht te scannen op gevaarlijke stoffen.”

Lange levensduur

“Generaliserend zou ik zeggen dat onze cryokoelers op een van de volgende drie manieren worden toegepast: voor infraroodinstrumenten in de ruimte, voor IR-sensoren voor militair en industrieel gebruik en voor civiele gammadetectoren”, vat Arts samen. “Onze oplossingen verschillen niet zo veel over deze drie domeinen, maar de redenen om met ons in zee te gaan wel. Onze civiele klanten kiezen onze koelers omdat ze lang meegaan en weinig trillen. Onze militaire klanten waarderen de lange levensduur, de robuustheid en het integratiegemak. Voor onze ruimtevaartklanten zijn vooral de lange levensduur en prijsstelling belangrijk – voor hen zijn we een soort prijsvechter, zonder aan kwaliteit in te boeten.”

Volgens Arts zijn de lange levensduur, het lage trillingsgetal en de robuustheid grotendeels terug te voeren op twee dingen: het kleine aantal bewegende onderdelen en het slimme ontwerp daarvan. “Dankzij onze flexure bearing-technologie bewegen de zuigers vrijwel wrijvingsloos in de compressorcilinder. Dit minimaliseert trillingen en vermindert slijtage, wat de levensduur van het product verlengt. En onze pulse tube-technologie om de drukgolven in het helium om te zetten in koelvermogen elimineert de noodzaak voor bewegende onderdelen in dat deel van de koeler, waardoor het in wezen slijtagevrij wordt en bijna oneindig lang meegaat.”

Arts en zijn collega’s werken hard aan verdere verbetering van de cryokoelers. “Sensormakers zijn aan het onderzoeken hoe ze de bedrijfstemperatuur van hun producten kunnen verhogen. Dat is ook van invloed op onze inspanningen. Als we maar tot -130 of -120 graden hoeven te zakken, in plaats van naar -200 graden, kunnen we onze koelers niet alleen energiezuiniger maken maar ook kleiner omdat ze niet zo hard hoeven te werken. Een kleinere afmeting helpt ons ook de kosten nog verder te verlagen. Dit zal op zijn beurt onze positie versterken in wat ik zie als een van onze belangrijkste groeimarkten: de ruimtevaart.”

Grote verscheidenheid

Als productlijnmanager ziet Arts het als zijn taak om de stem van de markt te vertolken binnen Thales en de stem van het bedrijf binnen de markt. “Aan de ene kant heb ik een strategische rol, waarbij ik productplannen maak, ze uitleg, er buy-in voor probeer te krijgen en ze vervolgens uitvoer. Aan de andere kant verleen ik technische assistentie aan onze verkoopafdeling, help ik hen te achterhalen wat klanten nodig hebben en dit af te stemmen op een bestaand product of een nieuwe ontwikkeling. Daarnaast houd ik me bezig met projectmanagement en systeemengineering.”

De diversiteit is wat Arts het leukste vindt aan werken bij Thales. Niet alleen de brede mix van verantwoordelijkheden maar ook de grote verscheidenheid aan klanten. “Ruimtevaart, defensie, medisch, wetenschappelijk – ik mag bij een heleboel verschillende techbedrijven in de keuken kijken en hun engineers ondersteunen met onze producten om hun koeluitdagingen op te lossen. Dat geeft me echt energie.”

Meer weten over werken bij Thales? Op zoek naar een baan bij het leukste high-tech bedrijf van Nederland? Klik hier voor onze vacatures!