Jyväskylässä saadaan avaruuselektroniikka sekaisin

Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratoriossa tehdään tutkimusta sekä valmistetaan cocktaileja – hiukkassekoituksia, joiden tarkoituksena on jäljitellä mahdollisimman tarkasti avaruudessa olevaa säteilyä.

Avaruuteen lähetettäviä laitteita testataan monin tavoin, jotta voidaan olla varmoja siitä, että ne kestävät avaruuden vaativia olosuhteita ja laukaisun rasitukset. Satelliitteja ja niiden osia ravistetaan, täristetään, altistetaan korkeille ja matalille lämpötiloille, kuritetaan sähkömagneettisilla häiriöillä sekä laitetaan tyhjiökammioihin. Niitä myös ammutaan hiukkasilla.

Jyväskylän kiihdytinlaboratorio on yksi kolmesta Euroopan avaruusjärjestö ESA:n tukemasta säteilytestauspaikasta. Sen lisäksi testausta tehdään Belgiassa ja Sveitsissä, mutta jokaisella testipaikalla on oma erikoisuutensa: suomalaisilla se on suurienergiset hiukkaset sekä elektronit. Näiden vuoksi Jyväskylään tullaan myös kauempaa, sillä testejä Keski-Suomessa käyvät tekemässä myös amerikkalaiset ja japanilaiset.

JUY_Radlab_piiri_testattavanaKuva: Elektroniikkapiiri laitetaan testiaseman sisälle telineeseen. Kuvassa testattavaksi tulevan piirin liittimet, joiden kautta piiri kytketään testilaitteistoon ja ohjaamoon.

Tutkimusaseman johtajana toimii sen myös perustanut Ari Virtanen.

“Kun tämä Jyväskylän yliopiston fysiikan laitoksen kiihdytinlaboratorio otettiin käyttöön vuonna 1995, kaavailimme sille heti alusta alkaen myös soveltavaa tutkimusta ja haimme jopa kaupallisia sovelluksia.”

Avaruuslaitteiden säteilytestaus oli yksi Virtasen ajatuksista. Hän kävi tutkimassa alaa Yhdysvalloissa ja eurooppalaisissa testausta tekevissä keskuksissa, ja alkoi puuhata Jyväskylään omaa säteilytysasemaa.

“Otimme yhteyttä moniin testejä tekeviin yhtiöihin ja tutkimuslaitoksiin, ja lopulta vuonna 1998 Daimler-Benz Aerospace Saksasta saatiin kiinnostumaan meistä. Rakensimme heille räätälöidyn koejärjestelyn, ja he olivat tyytyväisiä.”

“Siitä se sitten alkoi”, hymyilee Virtanen selvästikin yhä tyytyväisenä.

ESA tulee mukaan

Heti alkuvaiheessa Jyväskylästä oltiin yhteydessä myös Euroopan avaruusjärjestöön, mutta tarjous ei tuolloin herättänyt vastakaikua. Suomi oli 1990-luvulla vielä varsin tuntematon uusi jäsenmaa Euroopan avaruuspiireissä.

“Aloin käydä tuolloin aktiivisesti alan konferensseissa, ja Daimler-Benz Aerospacen referenssin avulla sain kerrottua meistä hieman aiempaa paremmin”, jatkaa Virtanen.

“Lopulta myös ESA kiinnostui, he tulivat testaamaan meidät ja totesivat, että tosiaan tiedämme mitä teemme. Tämän pohjalta teimme vuonna 2003 sopimuksen ESA:n kanssa siitä, että tänne tehdään heidän vaatimuksensa täyttävä koeasema. Se otettiin käyttöön täällä juhlallisesti toukokuussa 2005.”

“Nykyisin täällä käy noin 20 yritystä vuosittain tekemässä testejä ja tästä tulee ihan kohtuullisesti tuloja laboratoriolle. Noin 20 prosenttia ajasta, kun kiihdytin on päällä, käytetään testaamiseen.”

JUY_Radlab_elektronit
Kuva: Elektronitestausasema on samanlainen kuin sairaaloissa, mutta testikappaleet saadaan siihen helpommin ja laitteen toimintaa voidaan muuttaa tarpeen mukaan.

Cocktailkiihdytin

Säteilytestaamisessa olennaista on luoda kiihdyttimellä sen kaltaiset olosuhteet, joihin testattava laite joutuu avaruudessa. Säteily-ympäristö puolestaan riippuu siitä, mihin laite on menossa: onko kyseessä matala kiertorata, keskikorkea vai lähteekö laite tutkimaan kaukaisempaa kohdetta.

“Laitteiden odotetaan tyypillisesti toimivan avaruudessa useita vuosia, ja me laskemme kuinka paljon ja millaista säteilyä se tulee saamaan tuona aikana. Se sitten tuplataan tai triplataan, ja annetaan laitteelle sen verran hiukkasia. Jos se kestää sen, niin todennäköisesti se kestää avaruudessa.”

Tarkalleen ottaen kokeissa ei tehdä täsmälleen samanlaista säteilyä kuin avaruudessa on, vaan säteilyä, joka vaikuttaa testilaitteeseen samalla tavalla. Esimerkiksi hyvin nopeasti kulkevia suurienergisiä hiukkasia jäljitellään raskaammilla, mutta hitaammin tulevilla ioneilla, atomiytimillä, joista on otettu osa elektroneista pois.

Valitsemalla ionit ominaisuuksiensa mukaan oikein, eli tekemällä niistä sopivan cocktailin, voidaan testattavaan laitteeseen kohdistaa juuri haluttu säteilyvaikutus.

“Kun sähköinen laite alkaa kärsiä säteilystä, ilmenee se ensin toimintahäiriöinä. Esimerkiksi muistipiireissä osa biteistä kääntyy toisinpäin ja informaatio korruptoituu, mutta kun muistiin kirjoitetaan uudelleen, pysyvää vikaa ei havaita. Kun näitä virheitä alkaa tulla, niitä alkaa syntyä aika nopeasti lisää, kun säteilyn määrää nostetaan. Sitten jossain vaiheessa tulee taso, missä virheiden määrä ei enää lisäänny.”

Testauksessa haetaan nämä kaksi säteilytyksen tasoa: milloin virheitä alkaa tulla ja milloin niiden määrä saturoituu, eli niiden määrä ei enää lisäänny säteilymäärän kasvaessa. Kun laitetta säteilytetään oikein kunnolla, se saattaa myös hajota pysyvästi. Piiriin voi tulla oikosulkuja, jolloin se ei enää toimi kunnolla, vaikka säteily lakkaisikin.

“Säteilyvirheet ovat kuitenkin leikkiä todennäköisyyksien kanssa”, Virtanen muistuttaa ja jatkaa: “Voi olla, että vaikka laitetta on testattu kuinka paljon, niin siihen osuu heti avaruudessa joku sopiva kosminen hiukkanen, joka saa aikaan vakavan virheen. Testaamalla laitteet kunnolla voidaan järjestelmät kuitenkin tehdä sellaisiksi, että ne kestävät säteilyä mahdollisimman hyvin.”

Saisiko olla myös elektroneja?

Suurin osa avaruudessa olevasta hiukkassäteilystä on protoneita, neutroneita ja hieman raskaampia atomiytimiä. Mutta siellä on muutakin: elektroneja.

Jyväskylän kannalta ne nousivat huomioon ESA:n Juice-luotaimen myötä. Juice tulee lentämään Jupiterin ympärille itse jättiläisplaneettaa, mutta ennen kaikkea sen jäisiä kuita, tutkimaan. Jupiterin ympärillä on hyvin paljon elektronisäteilyä, joten Juicen kaikki laitteet pitää tehdä kestämään sitä – ja siksi myös testata elektroneilla.

Tätä varten Virtanen keksi pyytää yliopiston käyttöön käytöstä poistettavana olleen syöpähoitolaitteen. Alkuperäisessä käytössään laitteella kohdistetaan potilaaseen elektroneja sekä gammasäteilyä, jota synnytetään elektronien avulla.

“Saimme laitteen ilmaiseksi, koska se oli menossa tuhottavaksi. Laboratorioinsinöörimme Heikki Kettunen muokkasi sitä hieman käyttöömme sopivaksi ja rakensimme siihen testiaseman mittausvarustuksen, ja saimme näin elektronimittausaseman hyvin edullisesti!”

Testaus alkoi viime vuonna ja Jyväskylässä on käynyt jo useita sitä käyttäneitä asiakkaita.

“Oli aika yllättävää huomata, että elektronimittaamista ei tehdä maailmalla paljoakaan, eivätkä käytössä olevat laitteet ole tarkoitukseen sopivia. Periaatteessa testausta voisi tehdä missä tahansa syöpähoitoa antavassa suuremmassa sairaalassa, mutta siellä potilaat ovat luonnollisesti etusijalla. Kyse on myös siitä, että me tiedämme, miten testaus suoritetaan. Voimme tehdä sen standardoidulla tavalla ja tarjota samassa paketissa muita testauksia.”

JUY_Radlab_ionilahdeKuva: Hiukkascocktail tuotetaan ionilähteessä, mistä se johdetaan testiasemaan. Matkalla hiukkasia valikoidaan ja kiihdytetään. Kuvassa on asennettavana oleva uusi ionilähde, joka on lähes kaksinkertainen teholtaan verrattuna nykyiseen.

Seuraava askel: kaupallinen testaaja

Nykyisin asiakkaan edustajat saapuvat Jyväskylään laitteet mukanaan testausta varten ja viipyvät siellä testistä riippuen pari päivää. Kiihdytinlaboratorio tarjoaa heille “vain” sopivat hiukkaset ja testiaseman, minkä sisälle laite voidaan laittaa ja mistä saadaan mittaustietoa ulos.

“Toki avustamme heitä koko ajan mittauksissa, mutta suurimmassa osassa tapauksista voisimme hyvin tehdä mittaukset myös itse. Voimme tarjota koko säteilymittauksen palveluja, jolloin asiakas lähettäisi meille laitteen ja ohjeet siitä, millaisia testejä sille halutaan tehdä. He säästäisivät paljon rahaa ja me voisimme tehdä testit joustavammin oman aikataulumme mukaan.”

Virtasen mukaan tämä on kuitenkin jo niin erikoistunutta kaupallista toimintaa, että sitä varten pitäisi perustaa erityinen yritys. Tämä RADLABiksi kutsuttu yritys toimisi luonnollisesti läheisessä yhteistyössä yliopiston kanssa.

“Yritykselle on varattu tilatkin ja tarkoitus on tehdä muutamia pilottitestejä ennen toiminnan varsinaista aloittamista. Samalla koko tämä testausliiketoiminta siirtyisi sitten tämän uuden yrityksen tehtäväksi.”

Testauksen lisäksi yritys voisi olla tuotteistamassa säteilynkestäviä tekniikoita. Laboratorio on ollut mukana EU-hankkeessa, missä on kehitetty säteilykestävää muistipiiriä. Se on herättänyt jo suurta kiinnostusta, ja mikäli rahoitus järjestyy, voisi RADLAB tuoda piirin myyntiin.

JUY_Radlab_Ari_ja_Arto

Sen tiimoilta Ari Virtanen (kuvassa oikealla) katsoo kuitenkin jo nuorempiin: hänen varamiehinään häärivät Heikki Kettunen ja Arto Javanainen (kuvassa vasemmalla) saanevat säteilytestauksen johdettavakseen Virtasen jäädessä pian eläkkeelle.

“Aika pitkälle tämä vuonna 1965 pesulan kellariin perustettu kiihdytinlaboratorio on päässyt!”

Lisätietoa RADEF-kiihdytinlaboratoriosta tästä

Teksti, kuvat ja videot: Jari Mäkinen