Instrument øger analyse af små, ekstremt mørke materialer

Forskere har udviklet et nyt instrument, der kan analysere lys reflekteret fra meget små eller ekstremt mørke materialer såsom nogle meteoritprøver og VANTABlack, det mørkeste menneskeskabte stof skabt. Instrumentet afslører allerede nye oplysninger om disse og andre vanskelige at analysere overflader.

Brug af spektroskopi til at måle, hvordan lys reflekteres fra en overflade, kan give oplysninger om de fysiske og kemiske egenskaber af et prøvemateriale. Imidlertid, ekstremt mørke eller små prøver, såsom dem fra meteoritter, gør denne type analyser vanskelig, fordi de reflekterer meget lidt lys.

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Anvendt optik , førsteforfatter Sandra Potin og kolleger fra Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble (IPAG), Universitetet i Grenoble Alpes i Frankrig, rapportere, at deres nye instrument, kaldet SHADOWS, kan bruges til reflektansspektroskopi af prøver, der måler mindre end en millimeter i terninger, og som reflekterer mindre end 0,03 procent af lyset, der oplyser prøven.

Det nye instrument kan bruges til bedre at forstå sammensætningen af ​​meteoritter og til at identificere den asteroide eller komet, som de stammer fra. Det kan også bruges til at analysere overflader på rumfartøjer, hvor meget mørke belægninger bruges til at reducere strølys eller fjerne varme fra instrumentering, der bruges i rummet.

Forbedring af følsomhed

Spektroskopiinstrumentet skabt af forskerne er kendt som et spektro-gonio radiometer, som virker ved at skinne lys på en prøve fra en præcis retning og derefter detektere lys, der reflekteres tilbage fra en anden retning. Denne fremgangsmåde er kendt som tovejsreflektansspektroskopi, fordi den beregner reflektansen af ​​et materiale baseret på retningen af ​​belysningslyset og den retning, hvorfra det reflekterede lys detekteres. De spektre, der produceres ved denne måling, er som et fingeraftryk, der kan bruges til at bestemme en prøves sammensætning.

Forskerne begyndte med et radiometer, de tidligere har udviklet til store, lyse prøver og arbejdede på at forbedre dens følsomhed ved at reducere belysningen til en diameter på omkring 5,2 mm. Belysningspunktet kan gøres endnu mindre for at kortlægge heterogene overflader, såsom en overflade, der indeholder flere typer materialer.

"Instrumentet har et meget godt signal-til-støj-forhold, fordi vi brugte det, vi kalder synkron detektion, " sagde Potin. "Dette betyder, at i stedet for at bruge kontinuerligt lys, vi belyser prøverne med lysimpulser med en meget præcis frekvens. Ved at koble radiometerets to detektorer til denne frekvens, alt, hvad der ikke er lys, der reflekteres fra prøven, kan fjernes fra målingen."

Det nye instrument bruger flere lysfarver og flytter lyskilden og detektoren rundt i prøven for at måle lys, der kommer fra og reflekteres i flere retninger. Informationen, der opnås fra lysets forskellige retninger og farver, bruges til at bygge et 3D-vinkelkort over prøvens lysrefleksion, der kan give endnu mere information om prøven.

Bredt temperaturområde

Et andet aspekt af det nye instrument er, at det kan bruges til at analysere prøver ved -20 grader C op til 250 grader C, med planer om at operere ved endnu lavere temperaturer, ned til -210 grader C. Dette er vigtigt, fordi temperaturen på prøven kan ændre de spektre, der opnås med instrumentet.

"Nogle asteroider er meget langt fra solen og derfor ret kolde, men når en komet nærmer sig solen, det bliver meget varmt, " sagde Potin. "Hvis vi forsøger at sammenligne meteoritprøver fundet på Jorden med spektre opnået fra asteroider i rummet, vi skal tage målingerne ved et meget bredt temperaturområde."

Forskerne brugte SHADOWS til at tage målinger af en VANTABlack prøve, som er et kemisk stof lavet af kulstof nanorør dyrket på aluminiumsfolie. Spektrene af dette materiale opnået med det nye instrument så helt anderledes ud end dem, der blev erhvervet ved andre spektroskopiteknikker, fordi det indeholdt information taget fra forskellige retninger.

"Ved at tilpasse tovejs spektralanalyse til meget mørke overflader, vores nye tilgang kan afsløre strukturel information, der ikke er blevet observeret med andre typer målinger, " sagde Potin.

Forskerne siger, at de nu arbejder på at lave forbedringer af instrumentet, herunder inkorporering af polarisationsmålinger for at give endnu mere information om analyserede prøver. Instrumentet er tilgængeligt til brug for forskere i Europa gennem Trans National Access-aktiviteten under Europlanet 2020-RI-programmet.