Ny spejlbelægningsteknologi lover dramatiske forbedringer inden for teleskoper

Materialeforsker Nobuhiko Kobayashi var ikke helt sikker på, hvorfor den astronom, han mødte ved en vinsmagning for flere år siden, var så interesseret i hans forskning, men da han lærte mere om teleskopspejle, begyndte det at give mening.

"Det viser sig, at forbedring af ydeevnen af ​​spejle handler om tyndfilmsmaterialer, og det er hvad jeg gør. Så blev jeg hooked, " sagde Kobayashi, en professor i elektroteknik ved Baskin School of Engineering ved UC Santa Cruz.

Astronomen var Joseph Miller, tidligere direktør for UC Observatories (UCO), hvis interesse førte til et blomstrende samarbejde mellem Kobayashi og UC Santa Cruz astronomer Andrew Phillips og Michael Bolte. Med finansiering fra National Science Foundation og støtte fra nuværende UCO-direktør Claire Max, forskerne udvikler nye beskyttende belægninger til store sølvbaserede teleskopspejle ved at tilpasse en teknik, der er meget udbredt i mikroelektronikindustrien.

Ifølge Phillips, de fleste astronomiske teleskopspejle bruger aluminium til det reflekterende lag, på trods af sølvets overlegne reflekterende egenskaber. "Sølv er det mest reflekterende materiale, men den er kræsen at arbejde med, og det pletter og korroderer let, " sagde han. "Du har brug for barrierelag på toppen, der kan holde alt fra at komme igennem til sølvet uden at ødelægge spejlets optiske egenskaber."

Eksisterende teleskoper kunne øge deres effektivitet væsentligt ved at overmale deres spejle med sølv i stedet for aluminium. "Det er langt den billigste måde at gøre vores teleskoper effektivt større, " sagde Bolte. "Grunden til, at vi vil have større teleskoper, er for at indsamle mere lys, så hvis dine spejle reflekterer mere lys, er det som at gøre dem større."

Den nye belægningsteknologi, der udvikles på UC Santa Cruz, kunne gøre det muligt. Forskerne bruger en teknik kaldet atomic layer deposition (ALD), som gradvist bygger en tynd film af materiale, et molekylært lag ad gangen, med fremragende ensartethed, tykkelseskontrol, og overensstemmelse med overfladen af ​​substratet. I en pilotundersøgelse, ALD gav meget bedre beskyttende belægninger til sølvspejlprøver end traditionelle fysiske aflejringsteknikker.

"Atomlagsaflejring yder væsentligt bedre, " sagde Phillips. "Problemet er, at de systemer, der bruges i elektronikindustrien, er designet til siliciumwafere, så de er for små til et teleskopspejl."

Resultaterne af pilotundersøgelsen, som brugte et ALD-system i Kobayashis laboratorium designet til mikroelektronik, overbeviste holdet om at designe et større system, der kunne rumme teleskopspejle. De søgte patent på deres koncept og fandt en udstyrsleverandør, der var villig til at samarbejde med dem om at bygge systemet. Sælgeren, Structured Materials Industries (SMI) i Piscataway, New Jersey, laver tyndfilmsdeponeringssystemer til mikroelektronikindustrien.

"Vi gav dem konceptet og vores krav, og de lavede det tekniske designarbejde og fabrikation, " sagde Kobayashi.

Det nye system blev leveret til hans laboratorium i juli og har klaret sig godt i den indledende test. Forskerne vil bruge systemet til at demonstrere, at det fungerer til teleskopspejle og andre store substrater og til at fortsætte med at perfektionere belægningerne. Systemet kan rumme et spejl op til 0,9 meter i diameter, og der er ingen grund til, at designet ikke kunne skaleres op til at rumme endnu større spejle eller spejlsegmenter, sagde Phillips. De 10-meter primære spejle på de to Keck-teleskoper på Hawaii er sammensat af sekskantede segmenter på 1,8 meter på tværs, og spejlsegmenterne til Thirty Meter Telescope (TMT) vil være 1,4 meter på tværs.

Ifølge Bolte, ønsket om at bruge sølv på TMT-spejlsegmenterne er en væsentlig drivkraft for deres forskning i nye belægningsteknologier. Men han forventer, at teknologien også vil blive brugt til at overmale spejlene på eksisterende teleskoper. Et aluminiumsbelagt spejl holder omkring tre til fem år, før det skal overmales, en proces, der sætter teleskopet midlertidigt ud af funktion.

"Vi hader at miste teleskoptid, og vi mister mange nætters overmalingssegmenter på Keck, " sagde Phillips. "Vi vil gerne have en sølvbelægning, der kan holde i fem til ti år."

På dette tidspunkt, forskerne bruger en fysisk aflejringsproces til at lægge sølvbelægningen på spejlemnerne sammen med et indledende barrierelag for at beskytte sølvet, mens spejlet overføres til ALD-systemet. Atomlagsaflejring anvendes derefter til de endelige barrierelag.

"Lige nu, det er en hybrid proces, men vi følger også udviklingen af ​​atomlagsaflejring til sølvbelægningen, " sagde Phillips.

Bolte sagde, at den nye teknologi kunne have en stor indflydelse på astronomi, på samme måde som fremkomsten af ​​digitale detektorer til at erstatte fotografiske plader gav nyt liv til små teleskoper over hele verden for flere årtier siden. "Dette er det sidste trick, vi har for at gøre eksisterende teleskoper mere effektive, " sagde han. "Det kunne virkelig gøre en stor forskel."