NASA fremmer den første siliciumbaserede røntgenoptik nogensinde

NASA videnskabsmand William Zhang har skabt og bevist en teknik til fremstilling af letvægts, højopløsnings røntgenspejle ved hjælp af silicium - et materiale, der almindeligvis forbindes med computerchips.

Zhang, en astrofysiker ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, har ved gentagne tests vist, at enkeltkrystal silicium - en hård, skørt ikke-metallisk element, der bruges til fremstilling af computerchips - fungerer usædvanligt godt som røntgenoptik.

I betragtning af omkostningerne ved at bygge rumobservatorier - som kun stiger i pris, efterhånden som de bliver større og tungere - er målet at udvikle let reproducerbar letvægtsoptik, uden at gå på kompromis med kvaliteten. Ifølge Zhang, brug af silicium ville give røntgenastrofysikere, hvad de længe har ønsket:letvægts, supertynde spejle, der tilbyder et betydeligt større opsamlingsområde og dramatisk forbedret opløsning – alt sammen til en reduceret pris, sagde Zhang.

Til dato, ingen har skabt et røntgenspejl, der adresserer alle disse præstationsmål. Desuden, ingen har poleret og fundet silicium til røntgenoptik, som skal være buet og indlejret inde i en beholderlignende samling for at opsamle højenergiske røntgenfotoner. Med denne specielle konfiguration, Røntgenstråler græsser spejlenes overflader - som hvordan en kastet sten skummer hen over overfladen af ​​en dam - i stedet for at passere gennem dem.

Silicium, som ikke bøjer sig, selv når det skæres eller udsættes for svingende temperaturer, tilbyder en holdbar løsning, sagde Zhang. "Vi har udført vores spejlfremstillingsprocedurer mange gange, " tilføjede han. "Disse repræsenterer de bedste lette røntgenspejle nogensinde. Faktisk, af alle de astronomiske røntgenspejle, der er blevet produceret og fløjet, kun Chandra's er bedre, " han sagde, med henvisning til et af NASAs store observatorier, en røntgenmission, der bærer røntgenspejle med den højeste opløsning nogensinde. "Men vi stræber efter at matche og derefter overgå Chandras spejlkvalitet inden 2020."

Zhang har til hensigt at nå dette mål, delvis, med NASA Strategic Astrophysics Technology-finansiering. Han og hans team planlægger at fremme den ikke-konventionelle teknologi yderligere som forberedelse til en fremtidig røntgenmission.

Gammel hånd til spejlfremstilling

Zhang er ikke en nybegynder i spejlfremstillingsbranchen.

For femten år siden, han satte sig for at udvikle en mindre dyr, mere effektiv teknik til fremstilling af lette røntgenspejle. Det lykkedes ham. Fire år siden, han leverede 9, 000 super tynde, buede glasspejle til NASA's Nuclear Spectroscopic Telescope Array, eller NuSTAR, mission ved at bruge en ny fremstillingsteknik, hvor han placerede tynde stykker kommercielt tilgængeligt glas på en dorn og opvarmede hele samlingen inde i en ovn - en proces kaldet slumping. Mens glasset blev opvarmet, den blev blødgjort og foldet over dornen for at producere et buet spejl, som det københavnske Tekniske Universitet derefter belagde med lag af silicium og wolfram for at maksimere dets røntgenreflektans.

Tager det til grænsen

Selvom Zhang beviste teknikken og producerede tusindvis af spejle med beskeden opløsning, ideelle til NuSTAR, Zhang indså, at han havde taget tilgangen til dens grænse. "Jeg brugte et par år på at prøve at gøre slumpglas bedre. Jeg fik alle de kilometer, jeg kunne få."

Han slap af med otte af sine 10 ovne, der blev brugt i sænkningsprocessen og vendte sin opmærksomhed, i stedet, til enkrystal silicium.

Uvidende ham, en anden Goddard-teknolog, Vince Bly, havde allerede undersøgt materialets brug, i sidste ende producerer en tyk, men alligevel letvægts reservespejl til den Goddard-byggede termiske infrarøde sensor, et af to instrumenter udviklet til NASAs Landsat Data Continuity Mission. Selvom missionen ikke brugte spejlet, fordi optikken aldrig havde fløjet i rummet, Bly sagde, at test viste, at det tilbød en levedygtig mulighed.

Da Zhang hørte om Blys arbejde, han og Bly begyndte at arbejde sammen, drage fordel af hinandens erfaringer. "Han brugte det, vi havde gjort til at løse sit eget problem, " sagde Bly.

No-stress silicium

Nøglen, sagde begge, ligger hos selve materialet. Traditionelle materialer til fremstilling af spejle - glas, keramik, og metaller - lider af høj indre belastning, især når de skæres eller udsættes for skiftende temperaturer. Disse belastninger bliver mere og mere uforudsigelige, efterhånden som spejlet bliver tyndere.

"Enkeltkrystal silicium er et fremragende materiale til fremstilling af rumfarts røntgenspejle, " sagde Zhang. "Det er billigt og rigeligt tilgængeligt på grund af halvlederindustrien. Desuden, det er et perfekt materiale. Den er immun over for de indre belastninger, der kan ændre formen på røntgenspejle lavet af glas."

Dette skyldes, at hvert atom er arrangeret i en gitterkonfiguration, som forhindrer materialet i at forvrænge, ​​selv når det skæres eller formes. Med andre ord, hvis en plade af krydsfiner var lavet af silicium, den ville være helt flad og immun mod vridning, han sagde.

Lært af Slumping

Zhangs nye proces vokser ud af, hvad han lærte gennem glasfald, han sagde. Han tager en blok silicium og opvarmer den for at eliminere enhver stress, der måtte være opstået fra dens håndtering. Med en båndsav, han skaber den omtrentlige form og bruger andre bearbejdningsværktøjer og kemikalier til yderligere at slibe og forfine blokkens overflade. Som at skære ost, derefter skærer han et tyndt substrat, der kun er en brøkdel af en tomme i tykkelse, fra blokken og polerer overfladen. Det sidste trin er at belægge de enkelte segmenter med iridium for at forbedre reflektansen.

Med hans NASA-finansiering, Zhang og hans team perfektionerer teknikker til at justere og binde 6, 000 spejlsegmenter for at danne meta-skaller, der ville blive integreret i en spejlsamling, der forventes at veje omkring 200 pund og stå kun 1,6 fod høj. Ultimativt, han vil gerne skabe seks meta-skaller og automatisere justeringsprocessen.

"Gør letvægts, høj opløsning, relativt billige røntgenspejle er blevet mit livsværk, " sagde Zhang, med henvisning til hans søgen efter at udvikle en lighter, mere kapabelt røntgenspejl. "Da jeg begyndte at udvikle spejle for 15 år siden, Jeg troede, jeg ville klare det om et par år. Femten år senere, Jeg er stadig i gang, " sagde Zhang.