Looking inside spent nuclear fuel

      No Comments on Looking inside spent nuclear fuel

July 2019. After a hasty breakfast, scientists from STUK, IAEA and HIP (i.e. me), and a few observers from the European Commission, leave their hotels in Rauma at 6:30 to meet up at the Olkiluoto nuclear power plant at 7:00. After changing into white coveralls and shoes, with hard hat, safety glasses and dosimeters in place, we enter the spent fuel storage by 7:30. While Finland is in holiday mode, we early risers are testing novel instruments to look inside spent nuclear fuel.

Two measurement devices, one installed on top of the other, were lowered into the 15-meter deep pool on the first day of the 1-week measurement campaign. No air bubbles rose from inside the instruments during the lowering, a promising start. Measurements on fuel assemblies started on the 2nd day and continued uninterrupted for the rest of the week. Mind you, not around the clock as accelerator-based experiments: we were “kicked out” of the spent fuel storage by 16:00 every day. This provided plenty of time to discuss the results over dinner in sunny and hot Rauma.

Both neutrons and gamma rays were measured to provide a view of the inside of the spent fuel assembly. The Passive Gamma Emission Tomography (PGET) instrument[1,2] performs tomography using the gamma rays emitted in the radioactive decay of fission products. The most intense of these is the gamma ray from Cs-137. PGET provides two-dimensional cross-sectional images of the spent fuel, with the purpose of checking whether all fuel is in place as declared by the power plant operator. Additionally, the PGET instrument measures the total number of neutrons emitted, a signal also used to verify the operator’s declaration. The Passive Neutron Albedo Reactivity (PNAR) instrument measures neutron multiplication and thus the presence of fissile material inside an assembly[3,4].

Both devices are being developed in the context of nuclear safeguards, the international effort to deter the proliferation of nuclear weapons. Various technical measures are used to verify the declarations made by the signatories to the Treaty on the Non-Proliferation of Nuclear Weapons about their nuclear material and activities.

Since the 1980s, IAEA has developed PGET, in collaboration with some of its Member States including Finland[5]. HIP got involved in this work in 2015 as part of the FiDiPro NINS3 (Novel instrumentation for Nuclear Safety, Security and Safeguards) project. At the end of 2017, IAEA approved the PGET device for inspections. This however did not mean that the development of the device was over. The most urgent need was the development of novel tomographic image reconstruction and image analysis algorithms. With this in mind, a collaboration between HIP and the Department of Mathematics and Statistics of the University of Helsinki was initiated in early 2018. Most of the developing work was performed by MSc student Rasmus Backholm. Rasmus submitted the results to the IAEA Tomography reconstruction and analysis challenge, winning 2nd prize (challenge.iaea.org/news) !

The development of the PNAR device, the first operational one in the world, was initiated by STUK. The NINS3 project was heavily involved in the design by means of Monte Carlo simulations, while the HIP Detector Lab assisted in the construction of the prototype device that was tested successfully last July at Olkiluoto.

Both the PGET and PNAR instruments performed very well, gathering data on different types of spent fuel assemblies with varying properties. We’re all looking forward to the first results of the PNAR device, to see how closely the simulations resemble reality. The new PGET data, combined with measurements from 2017 and 2018, now form a comprehensive data set for the further development and optimization of image reconstruction and analysis algorithms. HIP is continuing the development of the PGET and PNAR methods in a collaboration with STUK. Over the next few years, this capability to look inside spent nuclear fuel will be implemented in the context of the geologic repository of spent nuclear fuel being completed at Olkiluoto (www.posiva.fi). And now and again, new measurement campaigns at spent fuel storage facilities will be organised.

A spent fuel assembly being lowered into the PGET + PNAR device. The device sits 15 meter underwater at the bottom of the spent fuel pool.
PGET measurements in progress. Gathered around the data acquisition and analysis computer are, from left to right, Pauli Peura (IAEA),Tapani Honkamaa (STUK) and Peter Dendooven (HIP).

Peter Dendooven

[1] T.White, M. Mayorov, A. Lebrun, P. Peura, T. Honkamaa, J. Dahlberg, J. Keubler, V. Ivanov, A. Turunen, Application of passive gamma emission tomography (PGET) for the verication of spent nuclear fuel, in Proc. INMM 59th Annu. Meeting, Baltimore, MD, USA, 2018.

[2]  C. Bélanger-Champagne, P. Peura, P. Eerola, T. Honkamaa, T. White, M. Mayorov, P. Dendooven, Effect of gamma-ray energy on image quality in passive gamma emission tomography of spent nuclear fuel, IEEE Trans. Nucl. Sci., 66 (2019), 487-496. doi.org/10.1109/TNS.2018.2881138

[3]  S.J. Tobin, P. Peura, C. Bélanger-Champagne, M. Moring, P. Dendooven, T. Honkamaa, Utility of including Passive Neutron Albedo Reactivity in an Integrated NDA system for encapsulation safeguards, ESARDA Bulletin 56 (2018) 12-18. https://esarda.jrc.ec.europa.eu/images/Bulletin/Files/B_2018_056.pdf

[4]  S.J. Tobin, P. Peura, C. Bélanger- Champagne, , M. Moring, P. Dendooven, T. Honkamaa, Measuring spent fuel assembly multiplication in borated water with a Passive Neutron Albedo Reactivity instrument, Nucl. Inst. Meth. Phys. Res., A 897 (2018) 32-37. https://doi.org/10.1016/j.nima.2018.04.044

[5] T. Honkamaa, F. Levai, A. Turunen, R. Berndt, S. Vaccaro, P. Schwalbach, A Prototype for passive gamma emission tomography, IAEA Safeguards Symposium (2014)

Physics research opens new collaboration opportunities for Finnish companies

Helsinki Institute of Physics is advancing the industrial collaboration and technology development in Finnish companies that seek to work in collaboration with CERN. The Institute’s Business Development Team has been actively supporting, in close collaboration with CERN and Business Finland, the launch of four new collaborative R&D&I initiatives moving forward in 2019.

The first project initiative concentrates in modeling how worldwide LHC computing grid data centers could contribute to sustainable computing infrastructure development by becoming more responsible energy citizens. Novel control analysis is conducted to map possibilities to participate in the emerging energy demand response markets, by for instance temporarily lowering the electricity used for cooling, ventilation and computing. Effort multiplied in global data center grid context, and the economic impact is considerable. However, beyond the economic aspects, this project led by Prof. Matti Vilkko from Tampere University seeks to contribute to the Sustainability in Science goals pioneered by Helsinki Institute of Physics, by paving the way for wider adoption of renewable energy production capacity in energy grids. For Finnish firms, the project offers unique partnering opportunities in the fields of HVAC, automation and data centre operations management.

The second project initiative develops Artificial Intelligence and robotics for Large Hadron Collider service and upgrade work. Assistant professors Roel Pieters and Esa Rahtu from Tampere University seek to advance remote inspection, measurement and handling operations in challenging industrial contexts, like the LHC tunnel at CERN. The project offers unique collaboration opportunities for companies working in robotics, automation and object recognition fields.

The third project launched concentrates on superconductors at LHC led by Dr. Tiina Salmi from Tampere University. This highly specialized technology field offers opportunities to superconductor technology development within Finnish advanced materials, cryogenics and software firms.

Last but not least, Dr. Markus Aicheler is currently seeking to ramp up an accelerator and detector materials & mechanics development project, which will offer world-class opportunities for Finnish firms developing new light weight composites, as well as innovative manufacturing and assembly methods.

The industrial collaboration strategy of the HIP Business Development Team includes ramping up research infrastructure centric business incubation services in collaboration with venture capital and business development professionals. The aim is to bring the R&D activities in the scope of the early phase business incubation in order to steer the project outcomes towards results that have strong commercialization potential. Another important activity of the HIP Business Development Team is to develop and improve training for students and professionals in working in the interface of businesses, research infrastructures and universities.

Business Finland Supported CERN R&D Collaboration Meeting @ CERN January 25th, 2019

We are keen to drive projects forward, always interested in new R&D and commercialization ideas, as well as new partnerships, please don’t hesitate to get in touch!

Pietari Kauttu & Harri Toivonen & Saku Mäkinen (@cern.ch)

Maailman tehokkainta mikroskooppia suunnittelemassa

Heinäkuun lopulla sataviisikymmentä fyysikkoa ympäri maailmaa kokoontui Pariisin latinalaiskortteleihin toiveikkaissa tunnelmissa. Ulkona kaupungilla mitattiin kaupungin kaikkien aikojen lämpötilaennätys. Sisälläkin tunnelma oli paitsi lämmin, myös innostunut ja toiveikas. Kokouksen aiheena oli suunniteltu uusi hiukkaskiihdytin EIC (Electron-Ion Collider), ja toiveikkuuden syynä hyvät uutiset siitä, että päätös sen rakentamisesta saatetaan tehdä jo lähikuukausien aikana. Nykyaikaiset hiukkaskokeet ovat niin suuria hankkeita, että niiden elinkaari alkuperäisestä ideasta suunniteluun, rakentamiseen ja pyörittäminen saattaa viedä lähes keskivertotutkijan ammatillisen uran verran. EIC-kiindytintäkin on suunniteltu jo toistakymmentä vuotta. Ajatus siitä että konkreettiseen rakennustyöhön päästäisiin muutaman vuoden kuluttua nosti tunnelman korkealle.

EICUG-kokous Pariisissa, 22.7.2019, alkuperäinen kuva.

Elektroni-ionikiihdytin koostuisi kahdesta erillisestä hiukkaskiihdyttimestä, joiden suihkut ohjattaisiin törmäämän toisiinsa ruurella energialla. Toisessa kiihdyttimessä liikkuisi elektroneja ja toisessa raskaita atomiytimiä tai polarisoituneita protoneja. Polarisaatio tarkoittaa tässä sitä että magneeteilla käännetään protonien spinit osoittamaan samaan suuntaan törmäyshetkellä. Vuorovaikutus elektronien ja ydinten tai protonien välillä tapahtuu fotonien, eli valon, välityksellä. Laitetta voikin kuvata maailman tehokkaimmaksi mikroskoopiksi, jolla pystyttäisiin näkemään ydinten ja protonien sisäinen rakenne tarkemmin kuin millään aikaisemmalla kokeella. Aiemmissa koejärjestelyissä ionien tai polarisoituneiden protonien tutkimiseen elektroneilla on käytetty vain elektronisuihkuja osumassa paikallaan olevaan kohtioon. Tällöin törmäyksen energia jää pienemmäksi, ja vastaavasti fotonin aallonpituus pidemmäksi eli mikroskoopin tarkkuus huonommaksi kuin EIC:ssä. Lähimmäksi ehkä asettuu Saksassa toiminut elektroneja ja protoneja törmäyttänyt HERA-kiihdytin, jonka energia oli hieman surempi kuin EIC:ssä. Kuitenkaan HERA:ssa ei kiihdytetty atomiytimiä eikä protonien spinejä kyetty hallitsemaan, ja törmäysten lukumäärän määräävä kiihdyttimen luminositeettikin jäi tuhansia kertoja pienemmäksi.

Tällä maailman tehokkaimmalla mikroskoopilla tarkoitus on siis ymmärtää paremmin tavallisen aineen, protonien, neutronien ja atomiydinten, pienemmistä alkeishiukkasista eli kvarkeista ja gluoneista koostuvaa rakennetta. Tutkimalla raskaita atomiytimiä EIC-kiihdyttimen energia ja tarkkuus riittäisi ensimmäistä kertaa tutkimaan tarkasti ns “saturaatioaluetta”, jossa ytimen gluonikenttä on niin suuri ettei gluoneja voida enää käsitellä erillisinä yksittäisinä hiukkasina. Polarisoituneiden protonien tutkiminen taas auttaisi ratkaisemaan protonin spinin arvoituksen: tiedämme kyllä mikä on protonin kokonaisspin, mutta ymmärrämme hyvin huonosti miten se koostuu yksittäisten kvarkkien ja gluonien spineistä ja niiden liikkeeseen liittyvästä pyörimismäärästä. Aikaisempia kiihdyttimiä suurempaa törmäysten luminositeettia taas tarvitaan, jotta mikroskoopilla saadaan protonista kolmiulotteinen kuva, eikä vain tämän yksiulotteinen projektio.

EIC-kiihdyttimen rakennuspaikaksi on ehdolla kaksi amerikkalaista laborotoriota. Toisessa, JLabissa, on jo elektronikiihdytin valmiina ja sen lisäksi täytyisi rakentaa protoni- ja ydinkiihdytin. Brookhavenissa taas on jo protoni- ja ydinkiihdytin, jonka seuraksi tarvittaisiin elektronikiihdytin. Molemmista versioista on jo olemassa tekniset suunnitelmat. Kunhan ministeriötasolla tehdään päätös kiihdyttimen rakentamisesta ylipäätään, joudutaan seuraavaksi valitsemaan näiden kahden sijainnin väliltä. Suomalaiset tutkijat ovat tämän alan, varsinkin elektroni-ydintörmäysten teoreettisessa tutkimuksessa eturivissä. Tätä kautta olen itsekin EIC-kokouksiin osallistunut, tällä kertaa kokouksen ohjelman joidenkin osien järjestelijänä kutsumassa puhujia ja luomassa tarjoituista puheista mielenkiintoista ohjelmaa. Olisi hienoa, jos myöskin kokeellisella puolella suomalaiset pääsisivät lähivuosina näihin kokeisiin mukaan!

CERN Courier-lehden 5-6/2019, kansikuvassa olevan protonin gluonikentän rakennetta kuvaavan simulaation on tehnyt Heikki Mäntysaari Jyväskylän yliopistosta. Linkki lehteen.

Tuomas Lappi

Ideointia ja innovointia – CERN Bootcamp 2019

Kesäkuun ensimmäisenä viikkona CERNin Ideasquare-rakennukseen kokoontui 20 opiskelijaa Helsingin seudun ammattikorkeakouluista ja Helsingin yliopistolta. Viikon tehtävänä oli etsiä ratkaisuja globaaleihin haasteisiin palvelumuotoilun menetelmien avulla. Kyseessä oli korkeakoulujen yhteisesti järjestämä CERN Bootcamp -intensiivikurssi, joka nyt järjestettiin toista kertaa.

Huhtikuussa opiskelijoille oli pidetty Kick Off -tapahtuma Laurea-ammattikorkeakoulun kampuksella Tikkurilassa. Tuolloin opiskelijat muodostivat pienryhmät, ja aloittivat tiedonkeruun CERN-viikkoa silmälläpitäen. Kullakin pienryhmällä oli ratkaistavana jokin globaali yhteiskunnallinen haaste: tutkimustiedon käyttäminen sosiaalisessa päätöksenteossa, ilmastonmuutos, kaupunkilaisten terveyden edistäminen luontoon perustuvilla ratkaisuilla taikka pakolaisten yhteiskunnallisen integraation edistäminen.

Value Proposition Canvas
Value Proposition Canvas Jukka Ojasalon esittelmänä (kuva Juha Aaltonen)

CERN ja IdeaSquaren inspiroivat tilat innoittivat opiskelijat keskittymään ja uppoutumaan haasteisiinsa tavalla, joka ei olisi ollut muualla mahdollista. Opiskelijat tulivat kaikki eri opinto-ohjelmista ja hyvinkin erilaisista taustoista, mikä edesauttoi monipuolista ideointia ja luovaa ryhmätyötä. Valtaosa ajasta käytettiin ryhmätyöhön, ja lisäksi viikon ohjelmaan kuului tunnelmaa keventäviä harjoituksia, asiantuntijaluentoja, palvelumuotoilun menetelmien esittelyä, tutustumisvierailuja ja asiantuntijahaastatteluja CERNissä sekä Geneven alueella (mm. YK:ssa ja muissa kansainvälisissä organisaatioissa). Lisäksi IdeaSquaren henkilökunta sekä lukuisat vierailijat keskustelivat opiskelijoiden kanssa, ja osallistuivat ideointiin. Erityisen kiinnostava vierailukohde viikon aikana oli pienessä ranskalaisessa Cessyn kylässä 100 metriä maan alla sijaitseva CMS-koeasema, jossa ryhmä pääsi keskiviikkoaamuna käymään suomalaisten Panja Luukan, Juska Pekkasen ja Antti Onnelan johdolla.

Menossa CMS-koeasemalle
CMS-koeasemalle mentiin 12 henkilön ryhmissä, tätä ryhmää opastaa Juska Pekkanen (kuva Juha Aaltonen)

Opiskelijaryhmien työn tuloksia esiteltiin yleisölle perjantaina iltapäivällä. Ryhmät esittelivät ensin lyhyesti ratkaisunsa omaan haasteeseensa, minkä jälkeen yleisö pääsi esittämään kysymyksiä. Keskustelu oli innostunutta ja eloisaa. Lopuksi IdeaSquaren johtaja Markus Nordberg (Head of Resources Development, CERN IPT-DI) jakoi kaikille osallistuneille osallistumistodistukset, ja toivotti kaikille hyvää kotimatkaa seuraavalla ohjeella: Think big and do good.

Tapio Lampén

Antimaterialla materian kimppuun

Positroni on elektronin antihiukkanen, ja ainoa antimateria jota käytetään laajamittaisesti hyväksi. Tärkein hyötykäytön esimerkki löytyy lääketieteellisen kuvantamisen puolelta (positroniemissiotomografia, PET), mutta myös tieteisviihde on löytänyt positronin (mm. Barbarella, Star Trek). Positronista kerrotaan myös usein, että se olisi ensimmäinen alkeishiukkanen, jonka olemassaolo on ensin ennustettu fysiikan teorioiden pohjalta ja vasta sen jälkeen havaittu. Tämä kertomus perustuu siihen, että Paul Diracin vuonna 1928 julkaiseman elektronin kvanttiteorian [1] ”positiiviset elektroniaukot” olivat tulkittavissa positroneiksi ja Carl Anderson julkaisi kokeelliset havaintonsa positiivisista elektroneista muutamaa vuotta myöhemmin [2]. Tieteen historiankirjoitus kuitenkin paljastaa, että Dirac itse oli vielä vuosia Andersonin havaintojen jälkeenkin vakuuttunut oman teoriansa puutteellisuudesta ja yritti kehittää sitä siihen suuntaan, ettei yhtälöistä seuraisi mitään niinkin epätodennäköistä ja eriskummallista kuin positiiviset elektronit [3]. Tieteen edistyminen ei tässäkään tapauksessa ollut kovin suoraviivaista.

Suomessa ovat fyysikot olleet kiinnostuneita positroneista jo 40-luvulta lähtien. Helsingin yliopiston van-de-Graaff –kiihdytinprojektin edistymistä odotellessaan Lennart Simons suoritti oppilaansa kanssa numeerisia laskuja (käsin tietenkin) positronin ja negatiivisen kloori-ionin muodostamasta systeemistä [4]. Kokeellisen positroniannihilaation tutkimuksen aloitti puolestaan Pekka Jauho oppilaansa Teuvo Kohosen kanssa 1950-luvun lopulla Teknillisessä korkeakoulussa [5]. Aktiivinen tutkimus jatkui Otaniemessä, 1970- ja 80-lukujen aikana Pekka Hautojärvi ja Risto Nieminen olivat ensimmäisten joukossa kehittämässä positronien annihilaatiomittauksia ja niihin liittyvää teoriaa. 1980- ja 90-lukujen aikana positronimittauksista muodostuikin kiinteän aineen ja erityisesti puolijohteiden kidevirheiden tutkimukseen poikkeuksellisen hyvin sopiva spektroskopia. Uraauurtava kokeellinen ja teoreettis-laskennallinen tutkimus jatkui 1990- ja 2000-luvuilla Kimmo Saarisen ja Martti Puskan johdolla. Tällä hetkellä kokeellista positroniviestikapulaa vie eteenpäin allekirjoittanut, Ilja Makkonen puolestaan pyrkii edelleen laajentamaan aiheen teoreettista ymmärrystä ja luo uusia laskentamenetelmiä. Ympyrä sulkeutuu vuonna 2019 Otaniemen positronilaboratorion siirtyessä Kumpulan kampukselle kiihdytinlaboratorion yhteyteen. Positronifysiikka on alue, jossa suomalaisella tutkimuksella on kansainvälisesti keskeinen panos koko alan kehitykseen.

Positronien annihilaatioon perustuvat tutkimusmenetelmät pohjautuvat melko yksinkertaisiin periaatteisiin. Yksinkertaisimmillaan β+-aktiivisesta isotoopista (esim. 22Na) säteilevät positronit johdetaan materiaalinäytteeseen paketoimalla pieni määrä tätä isotooppia kahden näytepalasen väliin. Itse mittauksessa säteilynilmaisimilla havaitaan sekä positronien ja elektronien annihilaatiossa että β+-hajoamiseen liittyvässä ydinvirityksen purkautumisessa syntyvää gammasäteilyä. Energeettiset positronit menettävät väliaineeseen joutuessaan kineettisen energiansa varsin nopeasti, minkä jälkeen ne elävät termisessä tasapainossa ympäristönsä kanssa joitakin satoja pikosekunteja (100 – 500 × 10–12 s). Tänä aikana ne voivat ”vapaina” hiukkasina diffundoitua muutaman sadan nanometrin matkan (100 – 300 × 10–9 m).  Kiinteän aineen kidehilassa liikkuessaan positroni voi löytää energeettisesti suosiollisen paikan, kuten vakanssivirheen, dislokaation, atomikertymän tai ympäristöönsä nähden negatiivisesti varautuneen ionin. Erityisesti vakanssivirheiden (vakanssi = kidehilan paikka, josta puuttuu atomi) tapauksessa pienentynyt paikallinen elektronitiheys pienentää merkittävästi annihilaatiotodennäköisyyttä ja näin ollen pidentää positronin elinaikaa. Toisaalta vakanssivirheiden läsnäolo kaventaa 511 keV:n annihilaatiosäteilyn energiaspektriä, sillä pääasiallisesti annihiloituvien elektronien liikemäärästä johtuva energiaspektrin Doppler-levenemä pienenee elektronitiheyden myötä. Positronilaboratorion tutkimustoiminta painottuu yhtäältä uusien kokeellisten ja teoreettis-laskennallisten menetelmien kehittämiseen ja toisaalta uusien materiaalien pistevirheiden karakterisointiin ja analysointiin. Jälkimmäinen tutkimusalue voidaan edelleen jakaa kahteen päähaaraan: uudet mikro- ja optoeletroniikan puolijohdemateriaalit sekä vaativien olosuhteiden rakennemateriaalit, kuten teräkset ja muut metalliseokset. Monenlaisten pistevirheiden karakterisointi erityisesti nitridipuolijohdemateriaaleissa on ollut yksi suurimmista menestystarinoista, joka jatkuu edelleen uusien seosten kehittämisen myötä. Näitä materiaaleja käytetään erityisesti opto-elektroniikassa kuten vaikkapa LED-yleisvalaistuksessa tai ultraviolettivaloa hyödyntävässä veden puhdistuksessa. Säteilyn aiheuttamat vauriot esimerkiksi fuusioreaktorien tai suurten hiukkaskiihdyttimien rakennemateriaaleissa rapauttavat pikkuhiljaa rakenteiden lujuutta. Näiden vaurioiden kehittyminen alkaa yksittäisten pistevirheiden syntymisestä ja kasaantumisesta ajan ja säteilyannoksen lisääntymisen mittaan. Tämänhetkisiä tutkimuskohteita ovatkin säteilyvauriot esimerkiksi volframissa sekä uusissa korkean entropian metalliseoksissa. Uusimpiin tutkimusavauksiin kuuluu myös niobiohutkalvojen huokoisuusprofiilin vaikutus niiden suorituskykyyn suprajohtavien kaviteettien päällysteinä tulevaisuuden hiukkaskiihdyttimissä.

Positronikiihdytin, jota käytetään ohutkalvojen tutkimuksessa. (Kuva Hanna Koikkalainen)

[1] P. A. M. Dirac, The Quantum Theory of the Electron, Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 117, 610–624 (1928).
[2] C .D. Anderson, The Positive Electron, Physical Review 43, 491–494 (1933).
[3] N. R. Hanson, The Concept of the Positron, Cambridge University Press (1963).
[4] L. Simons, On the Binding Energy of Positronium Chloride, Soc. Scient. Fennica Commentationes Phys.-Math. 14, 2 (1948); L. Simons, On the Stability of Positronium Chloride, Soc. Scient. Fennica Commentationes Phys.-Math. 14, 9 (1949); L. Simons, The existence of positronium chloride, Phys. Rev. 90, 165 (1953).
[5] T. Kohonen, Koinsidenssispektrometri erittäin lyhyiden aikavälien mittaamiseksi: stipendikertomus Tekniikan edistämissäätiölle v. 1958 suoritetusta tutkimustyöstä (1959); T. Kohonen, Contributions to the study of lifetimes of positrons in solids, Doctoral dissertation, TKK (1961).

Filip Tuomisto

Puolijohdeilmaisimien kehitystyö ja tutkimus Fysiikan tutkimuslaitoksella

Puolijohteista valmistettuja ilmaisimia käytetään monilla eri elämän, yhteiskunnan, tieteen ja teollisuuden osa-alueilla. Tähän on monia syitä. Ehkäpä merkittävin tekijä on se, että puolijohdeilmaisimia, erityisesti piistä valmistettuja ilmaisimia, voidaan valmistaa suuressa mittakaavassa mikroelektroniikkateollisuuden erittäin kehittyneillä valmistusmenetelmillä. Näin yhden ilmaisimen yksikkökustannukset jäävät suhteellisen mataliksi. Ammattislangilla puolijohdeilmaisimia kutsutaan usein detektoreiksi tai sensoreiksi, mikä juontuu englannin kielen sanoista ”semiconductor detector / sensor”. Esimerkiksi kännykkäkameran kuvakennoa voidaan pitää eräänlaisena ilmaisimena.

Fysiikan tutkimuslaitoksella (HIP) on pitkät perinteet säteilynilmaisimien tutkimuksesta, kehittämisestä ja soveltamisesta. Akateemisena tutkimuslaitoksena kiinnostuksenkohteemme detektoritutkimuksessa ovat luonnollisesti tieteellisiä. Varmaan jokainen meistä on ottanut kännykkäkameralla tärähtäneitä kuvia, ja näin tapahtuu helposti etenkin huonoissa valaistusolosuhteissa. Tämä johtuu siitä että kännykän valokenno mittaa näkyvää valoa hyvin tarkasti, mutta tämäntyyppinen ilmaisin on perustavanlaatuisilta ominaisuuksiltaan hidas, vaikkakin halpa. Yksikköhinnaltaan muutamia kymmeniä euroja tai dollareita. Siksi onkin selvää, ettei  tämänkaltaista ilmaisinta voida käyttää esimerkiksi CERN:in Large Hadron Collider (LHC)-kiihdyttimen koeasemilla mittaamaan protonisuihkujen törmäyksissä syntyvien alkeishiukkasten ratoja. LHC on rakennettu tuottamaan erittäin harvinaisia alkeishiukkasten hajoamistapahtumia, ja protonisuihkuja pitää näin ollen törmäyttää 40 miljoonaa kertaa sekunnissa. Vertailun vuoksi, hyvänlaatuinen videokamera tuottaa noin 40 kuvaa sekunnissa.

HIP:sä ilmaisimiin liittyvää tutkimusta tehdään CMS Upgrade -projektin puitteissa. CMS tulee sanoista Compact Muon Solenoid ja se on yksi LHC -kiihdyttimen suurista koeasemista. Ryhmässämme on noin kymmenen tutkijaa, jotka sijoittuvat akateemisen urapolun eri vaiheille: gradu- ja diplomityön tekijöitä, tohtorikoulutettavia, tutkijatohtoreita (englanniksi postdoc)  sekä vanhempia tieteenharjoittajia. Ryhmämme on erittäin kansainvälinen. Suomalaisten lisäksi tutkijamme edustavat viittä eri kansallisuutta. Kansainvälisyys on muutenkin työllemme leimaa antavaa. CERN:in lisäksi teemme tiivistä tutkimusyhteistyötä muun muassa esimerkiksi Paul Scherrer Instituutin (PSI, Sveitsi), Ruđer Bošković Instituutin (RBI, Kroatia), DESY:n (Deutsches Elektronen-Synchrotron, Saksa) ja Ioffe Instituutin (PTI, Venäjä) kanssa. Lisätietoa toiminnastamme ja tieteellisistä julkaisuistamme on löydettävissä verkkosivuiltamme.

Keskeinen tutkimuslinjamme on piistä valmistettujen ilmaisimien säteilynkeston (englanniksi radiation hardness) parantaminen. CMS:llä sekä muilla LHC -kiihdyttimen koeasemilla mitataan protonitörmäyksissä syntyneiden alkeishiukkasten ratoja piistä valmistetuilla nk. jälki-ilmaisimilla. Lähes valon nopeaudella lentävä hiukkanen menettää osan kineettisestä energiastaan läpäistessään detektorin, ja tästä syntyy puolijohteessa sähköinen varaus eli mitattavissa oleva signaali. Osa näiden mitattavien hiukkasten energiasta kuitenkin vaurioittaa puolijohteen herkkää kiderakennetta ja näin syntyy peruuttamaton säteilyvaurio. Tämä on hieman sama asia kuin että television kuva alkaisi vähitellen muuttua yhä rakeisemmaksi lopulta häviten kokonaan. CMS Upgrade -projekti on 2000 luvun alusta lähtien tehnyt tutkimustyötä ja kehitystä ilmaisimien säteilynkesto-ongelmien ratkaisemiseksi. Erityisenä mielenkiinnon kohteenamme on Atomikerroskasvatus (Atomic Layer Deposition, ALD) -teknologian soveltaminen säteilynilmaisimissa. ALD on 1970 -luvulla kehitetty suomalainen innovaatio, joka nykyään on laajasti käytössä mm. aurinkopaneeliteollisuudessa ja kulutuselektroniikkaa (muistipiirejä, mikroprosessoreita yms. ) valmistavassa mikroelektroniikkateollisuudessa. ALD -tekniikan kehittäjä ja pioneeri TkT Tuomo Suntola palkittiin vuonna 2018 Millenium Prize -palkinnolla. ALD -menetelmällä voidaan toteuttaa hyvin suuria kapasitanssi- ja resistanssitiheyksiä, mistä on merkittävää hyötyä myös säteilynilmaisimien kehitystyössä. Nykyisin käytössä olevien ilmaisimien signaalia keräävien elektrodien etäisyys on tyypillisesti 80-150 mikrometriä (μm) . Tulevaisuudessa, detektoreihin kuitenkin kohdistuu enemmän ja enemmän säteilyä LHC-kiihdyttimen toimiessa yhä tehokkaammin ja siten myös säteilyvauriot piin kiderakenteessa lisääntyvät.   Johtuen lisääntyneistä säteilyvaurioista, signaalia voidaan tällöin kerätä arviolta ainoastaan 30-50 μm:n matkalta, koska säteilyvauriot ikään kuin syövät signaalia. On siis pakko suunnitella detektorit siten, että elektrodien fyysinen etäisyys (alla olevassa kuvassa termi “pitch”) on vähintään puolta pienempi kuin nykyisten ratkaisujen. Tähän nimenomaan ALD -tekniikka antaa uusia mahdollisuuksia. Oheisessa kuvassa on hiljattain valmistamme pikselidetektori joka on prosessoitu ryhmämme toimesta Micronova Nanofabrication keskuksessa Espoon Otaniemessä.

Mikroskooppikuvassa näkyvän detektorin pikselien (elektrodien) etäisyys on 50 μm ja kuvassa sinisenä näkyvä materiaali on ALD -menetelmällä kasvatettua 52 nanometrin paksuista alumiinioksidia (Al2O3). Uusimmat tuloksemme julkaisimme hiljattain pidetyssä Vienna Conference on Instrumentation 2019 -tapahtumassa. Ryhmämme esityksen piti tohtorikoulutettava Jennifer “Jenni” Ott, joka palkittiin esityksestään Best Poster Award -palkinnolla. Palkintojenjakotilaisuus tietysti ikuistettiin valokuvin.

(kuva julkaistu Vienna conference of instrumentation 2019 sivuilla osoitteessa https://vci2019.hephy.at/home/ )
Kuvassa Jenni on kolmas henkilö vasemmalta. Oikealla puolella laitimmainen herrasmies on professori Manfred Krammer, joka nykyisin toimii CERN:n kokeellisen fysiikan osaston johtajana. Toimensa ohella professori Krammer on myös Fysiikan tutkimuslaitoksen tieteellisen neuvottelukunnan (Scientific Advisory Board, SAB) jäsen. Jennin palkitun julisteen (poster) voi käydä katsomassa tästä linkistä.

Paikkaherkkien hiukkasilmaisimien säteilynkeston tutkimisen ja parantamisen lisäksi toinen ryhmämme tutkimuksen johtava ajatus on soveltaa hiukkasfysiikan ja perustutkimuksen kehitystyötä ja innovaatioita muillekin yhteiskunnan osa-alueille. Esimerkkeinä kiinnostavista  soveltamiskohteista ovat esimerkiksi lääketieteellinen kuvantaminen ja säteilysuojelu, erityisesti siihen liittyvä dosimetria eli henkilön saaman säteilyannoksen mittaus. Ryhmämme vahvuuksia ovat detektorien simulaatiot ja suunnittelu, ilmaisimien valmistaminen Micronovassa Espoossa, erilaiset sähköiset mittaukset ja laadunvarmistus sekä mikroliitostekniikka, joka on oleellinen osa prosessia, jolla detektorien mittaamat signaalit saadaan siirrettyä tietokoneelle ja edelleen laskentakeskuksiin data-analyysiä varten. Esimerkiksi, ylemmässä kuvassa oleva pikseli-ilmaisin liitetään lukupiiriin allaolevassa kuvassa näkyvien, halkaisijaltaan 25 μm juotosnystyjen avulla. Tästä liitosteknologiasta käytetään termiä “ Bump bonding”, pallomaisten juostosnystyjen mukaan.

Tällaista elektronimikroskoopilla kuvattua lukupiiriä käytetään CMS -kokeessa. Lukupiiri on  on PSI instituutin suunnittelema ja IBM:n kaupallisesti tuottama mikropiiri (ns. CMOS Read Out ASIC, ROC). ROC on perusperiaatteeltaan melkein kuin audio/stereo -vahvistin. Levysoittimen yhteydessä täytyy olla vahvistin, muuten musiikki ei kuulu, tai kuuluu erittäin huonosti. Musiikki voidaan tässä tapauksessa ajatella signaalina, joka täytyy vahvistaa, jotta sen voi kuulla korvalla. Hiukkasfysiikan ROC-mikropiirien tehtävä on pitkälti sama eli signaali vahvistetaan, jotta se voidaan lukea esim. tietokoneen avulla. Oleellinen ero kuitenkin on se, että ROC:ssa on 4160 pikseliä eli kanavaa, kun taas audiovahvistimessa on kaksi kanavaa eli vasen ja oikea kaiutin.

Puolijohdemateriaalina pii on erittäin herkkä ja kustannustehokas hiukkasten ratojen mittaamiseen tai valon ihmissilmälle näkyvien aallonpituuksien ilmaisemiseen. Esimerkiksi lähes kaikki aurinkopaneeleissa olevat aurinkokennot on valmistettu piistä. Lääketieteellisessä kuvantamisessa tai syöpähoidoissa käytettävissä terapioissa kuitenkin käytetään suurenergisiä fotoneita eli röntgensäteilyä (englanniksi X-ray). Tällaisille fotoneille pii on lähes yhtä läpinäkyvää kuin ikkunalasi auringonvalolle. Säteilynilmaisimen toimintaedellytys on, että mitattava säteily absorboituu puolijohdemateriaalissa. Eräs tällainen puolijohdemateriaali, johon röntgensäteet absorboituvat,  on kadmiumtelluridi (CdTe). Viime aikoina ryhmämme on aktiivisesti tutkinut ja valmistanut CdTe pikseli-ilmaisimia, jotka on liitetty CMS-kokeessakin käytettyyn digitaaliseen lukupiiriin. Tätä lääketieteeseen ja säteilynsuojeluun tiiviisti liittyvää tutkimusta on rahoittanut Suomen Akatemia “Säteilyilmaisimet terveyden ja turvallisuuden edistämiseksi” (RADDESS) 2018-2021 -ohjelman puitteissa. CdTe on kuitenkin piihin verrattuna hyvin vaikea materiaali ja erityisesti sen prosessointi valmiiksi ilmaisimeksi on erittäin haastavaa. Esimerkiksi CdTe:in ei voida tehdä signaalia kerääviä pn-liitoksia kuten piihin ja useisiin muihin puolijohteisiin. Ryhmämme on tutkinut CdTe:in perusominaisuuksia mm. Transient Current Technique (TCT) menetelmällä.

Oheinen GIF animaatio visualisoi signaalin muodostumisen CdTe X-ray detektorissa ja samalla havainnollistuu materiaalin merkittävä epähomogeenisuus, mikä on yksi kriittisistä ongelmista tämän materiaalin kanssa. Jos ilmaisimen eri osassa signaalia muodostuu eri määrä, myös kuvan laatu vaihtelee. Tämä voi pahimmillaan tarkoittaa sitä, että jokin kriittinen osa kuvaa on huonompi, ja sen takia jää esimerkiksi alkava syöpäkasvain huomaamatta.  Mittauksen ja siihen liittyvän datan analyysin on tehnyt FT Matti Kalliokoski, joka työskentelee tällä hetkellä yhteistyökumppanimme Ruđer Bošković instituutin palveluksessa.

Micronova -keskuksessa olemme valmistaneet useita CdTe pikseli-ilmaisimia, jotka on myöhemmin liitetty ROC -lukupiireihin. Nk. kenttätestejä aitoa sairaalaympäristöä jäljittelevässä ympäristössäolemme tehneet jyhteistyössä Säteilyturvakeskuksen (STUK) kanssa. Tuloksista voi lukea yllä olevasta linkistä verkkosivuillemme.

Kuvassa on 1 cm2 kokoinen CdTe pikseli-ilmaisin  ryhmämme tohtorikoulutettavan Akiko Gäddan sormen päällä. Edellisen kerran esittelimme CdTe X-ray detektoreihin liittyviä  tuloksiamme Japanissa, Okinawan saarella järjestetyssä 11th International “Hiroshima” Symposium on the Development and Application of Semiconductor Tracking detectors (HSTD11) konferenssissa joulukuussa 2017. Akiko Gäddan poster-esityksen voi katsoa tästä linkistä.

Panja Luukka & Jaakko Härkönen

Tiedeleirit CERNissä

      No Comments on Tiedeleirit CERNissä

Keskiviikkoaamu. CERNin Suomi-toimiston Tuija käy hakemassa ryhmän pääportilta. Vierailijakortit on tulostettu ja annetaan kaikille, osallistujia on kolmesta koulusta, opettajat mukana, ryhmän koko tasan 24, yksi vuoden 18 tiedeleiriryhmästä Suomesta. Ensimmäisenä päästään katsomaan rakennusryteikön keskelle jäänyttä CERNin ensimmäistä kiihdytintä, joka nykymittakaavassa on taskukokoa. Laitteeseen ja seinille heijastettu valoshow vakuuttaa. Seuraavana ohjelmassa CERNin yleisesittelyluento. Tuija ohjaa ryhmän luentosaliin, mikä nyt milloinkin on saatu varattua tähän tarkoitukseen (CERNissä kokoustetaan ahkerasti ja  taito varata kokoushuone ja sitten vielä löytää sinne on kaikkien kunnon CERNiläisten olennaisia perustaitoja). Joskus huone on saatu kätevästi läheltä, mutta välillä saadaan kävellä rakennusten sokkeloissa pidemmällekin. CERN on aika iso paikka kuitenkin. Luennon pitää joku meistä, CERNissä paikan päällä olevista suomalaisista ja esityksen ote saattaa kuulijoita vähän yllättää. Ai voi luentoja näinkin pitää, monesti tuumataan…

Lounastauko. Ehditään ensimmäisinä, näin on vierailijaryhmiä ohjeistettu. Paikalla on muutama skandinaavi ja keittiöhenkilökunta syömässä ennen isoa ruuhkaa. Ja ohjelma jatkuu. Tuija on varmistanut, että esittelijät muistavat olla oikeassa paikassa oikeaan aikaan. Ja että luentosalien ovet on avattu. Kolme päivää luentoja, koelaitteistojen esittelyjä ja vierailuja. Äänessä olemme me tutkijat. Ei ole valkoista partaa (ainakaan suurimmalla osalla), eikä labratakkia. Olemme ihan tavallista väkeä, kuka Lahdesta kuka Hämeenlinnasta kuka Oulusta kuka Jyväskylästä, joku on tohtori, joku opiskelija ja joku insinööri. Työmme ohessa pääsemme kertomaan lukiolaisille siitä, miten oma tekemisemme kytkeytyy tähän isoon kokonaisuuteen. Harvoinpa meitä yleisö niin tarkasti kuuntelee. Joskus jutut lähtevät vähän liikaa tangentin suuntaan, hyvin näkyy kun yleisön huomio herpaantuu, seuraavalla kerralla korjataan. Kysymykset ovat kivoja, usein vaikeita, oman osaamisalan ulkopuolelta. Eikä sitä tutkijakaan ihan kaikkea tiedä, mitä sitä muuten tutkisi.

Mitä sitten vierailijoille jää mieleen? Usein yllättää alueen laajuus ja väkimäärä. Kuinka paljon erilaista osaamista eri aloilta tarvitaan, että saadaan tutkimusprojektit tehtyä. Koeasema. Konepaja. Datan määrä. Ettei täällä olekaan vain se yksi LHC vaan laajalta alalta erilaisia projekteja. Että niistä luennoista ymmärsi. Rentoa porukkaa. Intohimo omaan tekemiseen. Sitähän se on, tämä tutkijan työ. Tervetuloa tutkijoiksi tai tutkimuksen tukijoukkoihin!

Suomalaisia lukioita on osallistunut tiedeleireille CERNissä vuodesta 2000 alkaen. Kukin ryhmä valmistautuu vierailuun omassa koulussaan, ja näin leiritoiminta on integroitunut opetukseen. Useimmat ryhmät vierailevat paikallisissa tutkimuslaitoksissa ja yrityksissä ennen CERNin matkaa. Toimintaa koordinoi Suomessa Koulujen CERN-verkosto ja sitä tukee Opetushallitus. CERNin päässä käytännön järjestelyistä vastaa Suomi-toimisto ja toimintaa ohjaa HIP:in Education and Open Data -projekti. Luennoitsijoina ja esittelijöinä toimivat pääosin CERNissä olevat suomalaiset tutkijat.

Lukiot, joista on tullut ryhmiä CERNiin tiedeleirille (2000-2018)

Kati Lassila-Perini

Tiedeleireille osallistuneet oppilaat (sininen) ja opettajat (punainen) vuosittain.

Rakennamme tulevaisuuden laboratoriota

      No Comments on Rakennamme tulevaisuuden laboratoriota

Olen saanut seurata FAIR-kiihdytinlaboratorion rakentumista Darmstadtissa Saksassa jo muutaman vuoden ajan. Viimeksi vierailin rakennustyömaalla marraskuun 2018 lopussa. FAIRin rakentaminen etenee vauhdilla ja tällä hetkellä näkyvin osa sitä on SIS100-kiihdytinrenkaan tunnelin kaivaminen.

Rengasmaisen SIS100-hiukkaskiihdyttimen tunnelin rakennustyö etenee.

FAIR (Facility for Antiproton and Ion Research in Europe GmbH) on yksi maailman suurimmista rakenteilla olevista laboratorioista ja valmistuessaan se tulee palvelemaan tuhansia tutkijoita. FAIR:ssa tehtävä tutkimus jakaantuu neljään peruspilariin (APPA, CBM, NUSTAR ja PANDA), jotka tutkimusmenetelmiensä kautta tutkivat materian mikroskooppista rakennetta. Viimeisin maailmanlaajuisesti kuuma tutkimuskohde on raskaiden alkuaineiden muodostuminen (alkuainesynteesi) maailmankaikkeudessa. Tästä saatiin vihjeitä hiljattain havaitussa kahden neutronitähden yhdistymisessä ja siitä seuranneista gravitaatioaalloista. Tällä hetkellä suomalaisten tutkijoiden panostus suuntaantuu NUSTAR-kokeeseen, joka tutkii ydin- ja ydinastrofysiikkaa. NUSTAR-koe on suunniteltu myös alkuainesynteesin tutkimista varten ja täten toimii tieteen eturintamassa.

Suomalaisella tiedeyhteisöllä on vahva edustus FAIRin rakentamisessa ja tiedeohjelmassa. Suurin osa Fysiikan tutkimuslaitoksen (HIP) FAIR-projektin työstä tehdään Jyväskylän toimipisteeltä Jyväskylän yliopistosta käsin. FAIRiin liittyvä tutkimus ja kehitystoiminta täydentää Jyväskylän yliopiston oman kiihdytinlaboratorion tutkimusta ja useimmat siellä työskentelevät tutkijat osallistuvat FAIRin NUSTAR-kokeessa. Oma työni keskittyy lähinnä FAIRin Super-FRS-laitteistolla tuotettaviin radioaktiivisiin ytimiin ja niillä tehtävään tutkimukseen. Suomen painopiste FAIRin rakentamisessa on Super-FRS ja erityisesti siihen toimitettavat hiukkasilmaisimet, joita suunnitellaan ja rakennetaan HIPin ilmaisinlaboratoriossa.

Vaikka FAIR-megaprojektin rakennustyö on vielä alkuvaiheessa, on sen laajuus selvästi nähtävissä. Näköalatasanteelta rakennustyömaalle aukeava panoraama on vaikuttava marraskuisesta harmaudesta huolimatta.

Panoraamakuva FAIRin rakennustyömaalta 26.11.2018.

Lisätietoa: FAIR GmbH, HIP:n FAIR projektiSuper-FRS ja Jyväskylän yliopiston kiihdytinlaboratorio

Tuomas Grahn

Beyond the Higgs [theoretical particle physics @HIP]

In this blog post, I am going to take you on a short tour of some of the theoretical particle physics work that goes on at HIP. There is so much work going on, across so many different areas, that I can only hope to give you a flavour. My selection of topics is by no means impartial or complete.


In July 2012, the two major experiments at CERN, CMS (of which HIP is a member) and ATLAS, announced that they had detected a new particle which had the characteristics expected of the missing, and long-awaited Higgs boson. The Higgs was a missing jigsaw piece of the Standard Model of particle physics, and its discovery finally tied up quite a few loose ends. Most importantly, the “turning on” of the Higgs boson would explain why certain other particles are massive, and why the electromagnetic and weak nuclear forces ceased to be unified a few picoseconds after the Big Bang.

Finnish high school students visiting CMS

A group of Finnish high school students visiting CMS with Dr. Jaakko Härkönen

Some questions were, however, left unanswered. One nagging question—which happens to interest me in particular—is where all the antimatter in the universe went (if it was ever there at all). Look around you. Look further. In fact, look all the way to the edge of the visible universe. It’s all matter; the antimatter has been destroyed, converted or—just perhaps—it was never there in the first place. And yet, the laws of physics (such as the Standard Model of particle physics) do not really discriminate between matter and antimatter. And what little differences there are don’t do enough to explain where all the antimatter went. So, some new physics is needed.

Electroweak baryogenesis

If we assume that something happened to create the matter-antimatter asymmetry and the universe wasn’t born that way, then something extra has to have happened, early in the universe. The process would have to have been violent, maybe even explosive (so that the antimatter content wouldn’t just naturally creep back as the universe equilibrated again). One way—other equally viable options exist, and are studied at iHIP, too—for this to have happened would be if the Higgs boson turned on through a first-order phase transition, like water condensing from steam. This could have happened extremely rapidly, and the laws of physics outside the expanding Higgs bubbles could have been very different from that inside.

Infant universe blows bubbles from Cosmic Defects on Vimeo.

Unfortunately, the Standard Model of particle physics, as it stands, doesn’t allow this to happen. New physics beyond the Standard Model is needed. This is an area of research in which HIP has a very long pedigree, and remains at the cutting edge. Researchers such as Kimmo Kainulainen in Jyväskylä, and Kari Rummukainen in Helsinki, are world experts in studying these scenarios. Many postdocs, including Oliver Gould and Venus Keus in Helsinki, also work on these models.

An unlikely particle physics experiment: LISA

The additional particles needed to make the above scenario–electroweak baryogenesis–work might be detectable in future particle physics experiments, be they dark matter detectors or new particle accelerators. There is, however, another way that hints of this physics could be seen.

The bubbles of the new Higgs phase that form when the Higgs turns on grow and collide quite explosively, burning up extra energy released as the bubbles expand, and turning it into reaction fronts that surround the bubbles as they grow. These reaction fronts heat the universe—which at that point is a plasma of hot fundamental particles—and set up sound waves that continue to spread even after the bubbles have merged. These large excitations of energy, in turn, create gravitational waves.

Tied with the Higgs boson discovery for physics news of the decade (or even century) was, in my opinion, the first direct detection of gravitational waves announced by the LIGO experiment in February 2016. While that announcement was of gravitational waves from merging black holes, practically any really energetic event in the history of the universe will create gravitational waves.

Furthermore, LIGO’s success gave renewed impetus to other missionsincluding the space mission LISA. This will consist of three satellites in a triangular configuration, with laser beams linking them. As gravitational waves pass through, the distance between the satellites will change slightly, registering a signal.

LISA spacecraft

Artist’s impression of one of the LISA spacecraft

The size of the Higgs bubbles, and therefore the wavelength of those sound waves, happens to be the perfect size to be seen by the LISA mission. Indeed, the science case for LISA discusses exactly this sort of scenario as one of the signals they will be looking for, alongside signals from white dwarf binaries in the Milky Way and from supermassive black holes.

At HIP we are working to make accurate predictions of what LISA will see for a wide range of scenarios. Several HIP physicists are full members of the LISA collaboration, including Mark Hindmarsh, Kari Rummukainen and David Weir. Furthermore, we hosted a workshop of the LISA Cosmology Working Group in June of 2017, bringing dozens of physicists from across Europe and beyond to discuss the electroweak phase transition and other processes in the early universe that might be seen by LISA!


This has necessarily been a highly selective list of some physics that I work on with my colleagues at HIP, and which involves researchers in both Jyväskylä and Helsinki. Being part of an institute which combines particle physics experiments with cutting-edge research in theoretical physics makes for a stimulating and exciting workplace in which to study the early universe.

David Weir

Fysiikan tutkimuslaitos (HIP): eilen – tänään – huomenna

In English

Fysiikan tutkimuslaitoksen yhteisen blogin karuhko nimi heijastaa sitä, että tarkoituksemme on tässä kertoa laajasti Fysiikan tutkimuslaitoksen tutkimuksesta ja toiminnasta, rajaamatta sisältöä nimellä. Vaikka kaikkien tekstien on tarkoitus koskettaa HIP:in toimintaa tavalla tai toisella, toivomme monipuolisten kirjoitusten kiinnostavan eri yleisöjä eri tavalla.

HIP:in johtajan ominaisuudessa kokoan ensimmäisen kirjoituksen alkuun ajatuksiani HIP:in roolista ja hyödyistä suomalaisessa tiedemaailmassa. Kertaan myös lyhyesti alkuaikojen historiaa eli taustaa nykyiselle laitokselle – olin silloisten henkilökuntien edustajana jäsenenä HIP:in väliaikaisessa johtokunnassa vuonna 1996 ja HIP:in johtokunnassa 1997-2007.

Erityisrooli Suomen tutkimuskentässä

Minkä tahansa tutkimuslaitoksen on tiedettävä, mikä on juuri sille niin erityistä, että sitä ei saada aikaiseksi ilman kyseistä laitosta.

HIP tarjoaa kaksi toisiinsa tiiviisti liittyvää erityispiirrettä:

  • HIP yhdistää Helsingin ja Jyväskylän yliopistojen, Aalto-yliopiston sekä Lappeenrannan ja Tampereen teknillisten yliopistojen hyvin laaja-alaisia ja erilaisia kiihdyttimiin liittyviä tietoja ja taitoja.Näin monen eri painotuksia edustavien yliopistojen tutkijoiden tiivis yhteenliittymä on harvinainen saavutus myös maailman mittakaavassa!


  • HIP muodostaa tutkimusjatkumon teoreettisen fysiikan, kiihdytinkokeiden analyysin, koejärjestelmien ja niiden instrumentoinnin sekä teknologisen kehittämisen kautta yhteistyössä teollisuuden kanssa tapahtuvaan tuotteiden kaupallistamiseen saakka.Näin laaja ja yhtenäinen tutkimuskenttä ei ole yksittäiselle yliopistolle tieteellisesti tai käytännön resurssien vuoksi helposti toteutettavissa!

Oleellisen lisän edellä olevaan tuo vielä HIP:n kiinteä yhteistyö kansainvälisten kiihdytinkeskusten (CERN, FAIR) kanssa. Tämä yhteistyö luo vankan pohjan kaikkien HIP:in muodostavien yliopistojen toiminnalle näiden keskusten kanssa.

Suomen tapaa tehdä CERN -yhteistyötä HIP:in puitteissa onkin kiitelty useissa eri yhteyksissä.

Historiaa lyhyesti

HIP ponnisti alunperin kolmen sitä edeltävän tutkimuslaitoksen pohjalta:

Helsingin yliopiston Teoreettisen fysiikan tutkimuslaitos (TFT) ja Suurenergiafysiikan tutkimuslaitos (SEFT) sekä Teknillisen korkeakoulun Hiukkasteknologian instituutti (HTI) yhdistettiin asetuksella Helsingin yliopiston ja Teknillisen korkeakoulun yhteiseksi Fysiikan tutkimuslaitokseksi 1.9.1996. Varsinainen toiminta alkoi 1997 alussa, kun TFT:n, SEFT:n ja HTI:n toiminta lakkautettiin.

Yhdistettävien tutkimuslaitosten toimintakulttuurien yhteensovittamista pohdittiin monelta kantilta. Päädyttiin siihen, että mahdollisimman hyvään tutkimuksen sujumista avustavaan rakenteeseen kuului oleellisesti tutkimuksen tekeminen määräaikaisina projekteina ilman vakituista henkilökuntaa. Projektiaiheiden valinnassa laitoksen johtokuntaa oli määrä avustaa korkeatasoinen tieteellinen neuvottelukunta tieteellisen arvioinnin perusteella.

Määräaikaisten projektien vastapainona toiminnan tukirankana olivat CERNin kokeet, jotka vaativat pitkäaikaista sitoutumista tiettyyn kokeeseen. Tutkimuslaitoksen syntymäaika oli CERNissä vuosina 1989-2001 tehtyjen elektroni-positroni -törmäytinkokeiden aikaa tunnelissa, johon sittemmin rakennettiin siinä nykyisin toimiva Large Hadron Collider (LHC).

Fysiikan tutkimuslaitoksen englanninkielisestä nimestä Helsinki Institute of Physics (HIP) keskusteltiin pitkään Jyväskylän yliopiston liittyessä mukaan 2002, mutta vakiintuneesta nimestä ja lyhenteestä ei haluttu luopua. Nimi siis jäi, vaikka tutkimuslaitoksen maantieteellinen ulottuvuus on jo useamman kerran laajentunut: Jyväskylän yliopisto liittyi mukaan 2002, Lappeenrannan teknillinen yliopisto 2006 ja Tampereen teknillinen yliopisto 2008. Säteilyturvakeskus on väliaikaisena jäsenenä 2018-2019.

Nykyiset ohjelmat ja projektit

HIP:in toiminta jakautuu edelleen teoriaohjelmaan, kokeellisiin ohjelmiin ja teknologiaohjelmaan, joissa kaikissa on projektirakenne. Projektit ovat 3+3 -vuotisia niin, että ensimmäisen kolmen vuoden jälkeen on arviointi, jonka perusteella päätetään projektin jatkosta – HIP:n tutkimus on ollut ketterää jo kauan ennen kuin ketteryydestä tuli muotisana.

Kokeellisia ohjelmia ovat CMS-ohjelma ja ydinfysiikan ohjelma.

Ohjelmat ja niiden projektit ovat toiminnan ydin. Tutkimuslaitoksen dynamiikka syntyy suurelta osin ohjelmien sisällä vaihtuvista tai uudistuvista projekteista, joiden päälliköt ovat olleet tavattoman innostuneita ja päämäärätietoisia. Sen seurauksena esimerkiksi teoriaprojektien entisistä päälliköistä miltei kaikki toimivat yliopistojen professoreina tai yliopistonlehtoreina.

HIP:in toiminnassa oleellisena osana on ollut ilmaisinlaboratorio. Sen asema on vakiinnutettu tekemällä ilmaisinlaboratoriosta oma infrastruktuurinsa HIP:in sisälle, minkä lisäksi ilmaisinlaboratorio on yhteinen fysiikan osaston kanssa.

HIP:issä on myös muita ohjelmien ulkopuolisia osia: erillisprojektit CLOUD (liittyen kosmisten säteiden vaikutukseen pilvien muodostumisessa), PLANCK-EUCLID (liittyen kosmologiatutkimukseen), koulutoiminta ja avoin data (liittyen CERNin valtaviin datamääriin ja CERNin käyttöön opetustarkoituksiin).

Eteenpäin keskustelevana yhteisönä

Fysiikan tutkimuslaitos on kaikissa siitä tehdyissä arvioissa saanut paljon kiitosta, mutta aina riittää parannettavaa. Koska HIP on vuosien mittaan laajentunut alkuajoista sekä tieteellisesti että maantieteellisesti, vaarana on, että toiminnasta tulee hajanaista, eivätkä tutkijat enää näe yhteistä ”päämäärää” selkeästi. Tämän välttämiseksi HIP-yhteisön tapaamiset ovat tarpeellisia. Kuluvana vuonna on aloitettu HIP:in ohjelmien yhteiset sisäiset kokoontumiset ja ensi vuonna kootaan koko yhteisö suureen ”torikokoukseen”.

Siellä on koko yhteisöllä takuuvarmasti paljon opittavaa!

Toivon, että tämä blogi tarjoaa koko yhteisömme voimin jatkossa palasia HIP:n tutkijoiden olosta ja elosta sekä erityisesti siitä mieltä hivelevästä fysiikasta, mitä tutkimuslaitoksessamme teemme.

Lue lisää:

HIP:issä tehtävästä tutkimuksesta saa hyvän kuvan esimerkiksi vuosikertomuksesta.

Tervetuloa keskustelemaan myös Twitterissä: @HIPhysics

Katri Huitu