NASA vede první rentgenovou optiku na bázi křemíku

Eyes on the Skies (Full movie) (Duben 2019).

Anonim

Vědec NASA William Zhang vytvořil a osvědčil techniku ​​pro výrobu lehkých rentgenových zrcadel s vysokým rozlišením za použití křemíku - materiálu běžně spojeného s počítačovými čipy.

Zhang, astrofyzik v Goddardově vesmírném letovém středisku NASA v Greenbeltu v Marylandu, ukázal v opakovaném testování, že monokrystalický křemík - tvrdý, křehký nekovový prvek používaný při výrobě počítačových čipů - funguje výjimečně dobře jako rentgen optický.

Vzhledem k nákladům na budování vesmírných observatoří - které zvyšují pouze cenu, protože se zvětšují a zhoršují - je cílem vyvinout snadno reprodukovatelnou lehkou optiku, aniž bychom obětovali kvalitu. Podle Zhangu by použití křemíku dalo rentgenovým astrofyzikům to, co jim dlouho chtěli: lehké, velmi tenké zrcadla, které nabízejí výrazně větší oblast sběru a dramaticky lepší rozlišení - to vše za sníženou cenu, řekl Zhang.

K dnešnímu dni nikdo nevytvořil rentgenové zrcadlo, které by řešilo všechny tyto výkonnostní cíle. Navíc nikdo nevyleštil a nezapadl křemík pro rentgenovou optiku, která musí být zakřivená a vnořená uvnitř kanisterového typu pro shromažďování vysoce energetických rentgenových fotonů. S touto speciální konfigurací rentgenové paprsky přehrají povrchy zrcadel, jako je to, jak se vrhnou oblázky přes hladinu rybníka, než je procházet.

Silikon, který se neroztrhne ani při řezání nebo vystavení kolísavým teplotám, nabízí životaschopné řešení, řekl Zhang. "Mnohokrát jsme provedli naše zrcadlové postupy, " dodal. "Jedná se o nejlepší rentgenové rentgenové zrcátko, které kdy bylo vyrobeno. Ve skutečnosti ze všech astronomických rentgenových zrcadel, které byly vyrobeny a přeletěny, jsou jen lepší Chandry, " uvedl na jedné z velkých observatoří NASA, rentgenová mise, která nese rtg-zrcátka s nejvyšším rozlišením, která byla kdy spuštěna. "Chtěli jsme se však shodnout a poté překročit kvalitu zrcadla Chandry před rokem 2020."

Zhang hodlá tento cíl částečně dosáhnout pomocí financování NASA Strategic Astrophysics Technology. On a jeho tým plánují pokračovat v nekonvenční technologii v přípravě na budoucí rentgenovou misi.

Staré ruce při zrcadlení

Zhang není nováček v podnikání se zrcadlem.

Před patnácti lety se vydal na to, aby vyvinul méně nákladnou a efektivnější techniku ​​pro výrobu lehkých rentgenových zrcadel. Uspěl. Před čtyřmi lety předal 9000 super-tenkých, zakřivených skleněných zrcadel pro NASA (Nuclear Spectroscopic Telescope Array) nebo misi NuSTAR, která používala novou výrobní techniku, v níž umístil na trn tenké kusy komerčně dostupného skla a celou sestavu ohříval uvnitř trouba - proces nazvaný slumping. Když se sklo ohřívalo, změkčilo se a složilo přes trn, aby vytvořilo zakřivené zrcadlo, které dánská technická univerzita v Kodani pak pokryla vrstvami křemíku a wolframu, aby maximalizovala rentgenovou odrazivost.

Přemístěte to na hranici

Ačkoli Zhang dokázal techniku ​​a vyrobil tisíce zrcadel s mírným rozlišením, které jsou pro NuSTAR ideální, Zhang si uvědomil, že přistoupil k jejímu omezení. "Strávil jsem pár let, kdy jsem se snažil lépe sklopit sklo. Získal jsem všechny kilometry, které bych mohl dostat."

Zbavil se osmi z jeho 10 pecí, které používaly při klesajícím procesu, a místo toho se obrátil na monokrystalový křemík.

Nevěděl o tom, že jiný Goddardův technolog, Vince Bly, už zkoumal materiál a nakonec vyrobil tlusté, avšak lehké náhradní zrcadlo pro Goddardův tepelný infračervený snímač, jeden ze dvou nástrojů vyvinutých pro misi Landsat Data Continuity Mission společnosti NASA. Přestože mise nepoužívala zrcadlo, protože optika nikdy nepronikla do vesmíru, Bly říkala, že testování ukázalo, že nabízí životaschopnou volbu.

Když se Zhang dozvěděl o Blyině práci, spolu s Blym začali pracovat společně a měli prospěch ze svých zkušeností. "Využil to, co jsme udělali při řešení jeho problému, " řekl Bly.

Silikon bez stresu

Klíč, jak řekl, spočívá na samotném materiálu. Tradiční materiály pro výrobu zrcadel, keramiky a kovů - trpí vysokým vnitřním zatížením, zejména při řezání nebo vystavení měnícím se teplotám. Tyto stresy jsou čím dál tím nepředvídatelnější, jelikož se zrcadlo stane tenčí.

"Jednokrystalový křemík je vynikajícím materiálem pro výrobu rentgenových zrcadel v prostoru letadla, " řekl Zhang. "Je to cenově dostupné a hojně dostupné díky průmyslu polovodičů, je to dokonalý materiál, který je imunní vůči vnitřním stresům, které mohou změnit tvar rentgenových zrcadel ze skla."

Je to proto, že každý atom je uspořádán v konfiguraci mřížky, což zabraňuje deformaci materiálu i při řezání nebo tvarování. Jinými slovy, pokud by byl list překližky vyroben z křemíku, byl by dokonale plochý a neměl by se zhoršovat, řekl.

Naučili se z Slumpingu

Zhangův nový proces vyrůstá z toho, co se naučil skrz sklo, řekl. Vezme blok křemíku a zahřeje ho, aby odstranil veškeré stresy, které mu vznikly při manipulaci. S pásovou pilou vytváří přibližný tvar a používá další obráběcí nástroje a chemikálie k dalšímu broušení a úpravě povrchu bloku. Stejně jako krájení sýra rozřezá tenký substrát o rozměru pouhý zlomek palec od bloku a leští povrch. Posledním krokem je potahování jednotlivých segmentů iridiem, aby se zlepšila odrazivost.

Prostřednictvím finančních prostředků NASA jsou Zhang a jeho tým zdokonalujícími technikami pro zarovnání a spojování 6 000 zrcadlových segmentů, aby vytvořily meta-pláště, které by byly integrovány do zrcadlové sestavy, která by měla vážit asi 200 liber a stojí jen 1, 6 metru. Nakonec by chtěl vytvořit šest meta-shellů a automatizovat proces vyrovnání.

"Vytváření lehkých a poměrně nenákladných rentgenových zrcadel s vysokým rozlišením se stalo mým životním dílem, " řekl Zhang, který se odvolává na jeho snahu vyvinout lehčí a schopnější rentgenové zrcadlo. "Když jsem začala vyvíjet zrcadla před 15 lety, myslela jsem si, že to udělám za pár let. O patnáct let později jsem stále na tom, " řekl Zhang.

menu
menu