بهبود عملکرد تلسکوپ‌های فرابنفش فضایی با پوشش‌های اتمی

مشاهده نور فرابنفش (UV) در فضا، پنجره‌ای را به سوی پدیده‌های پرانرژی کیهان می‌گشاید. اما جذب مؤثر فوتون‌های فرابنفش چالش‌برانگیز است؛ زیرا این فوتون‌ها با مواد معمولی ابزارهای نوری تعامل محدودی دارند. برای حل این مشکل، دانشمندان در حال توسعه پوشش‌های نازک مهندسی‌شده در مقیاس اتمی هستند که توانایی تشخیص نور UV را بهبود می‌بخشند.

کد خبر: ۷۸۹۰۱۳

تاریخ: ۲۰ فروردين ۱۴۰۴ - ۱۵:۴۲

به گزارش ایران اکونومیست، در آزمایشگاه پیشرانش جت ناسا (JPL)، محققان از دو روش دقیق لایه‌نشانی اتمی (ALD) و حکاکی اتمی (ALE) برای ایجاد پوشش‌های پیشرفته در ابزارهای UV استفاده می‌کنند. برخلاف روش‌های سنتی لایه‌نشانی فیزیکی بخار (PVD) که در آن مواد تبخیر و روی سطوح متراکم می‌شوند، ALD و ALE از واکنش‌های شیمیایی کنترل‌شده برای افزودن یا حذف مواد در مقیاس اتمی بهره می‌برند. این فناوری‌ها امکان ایجاد پوشش‌های یکنواخت روی سطوح پیچیده را فراهم کرده و ضخامت لایه‌ها را با دقت بالایی کنترل می‌کنند.

مزایای کلیدی عبارتند از: «یکنواختی بالا حتی در سطوح پیچیده»، «کنترل دقیق ضخامت در مقیاس اتمی» و «بهبود کارایی ابزارهای فضایی در محدوده فرابنفش».

در اپتیک UV، پوشش‌ها معمولاً به جای اکسیدهای فلزی از فلوریدهای فلزی ساخته می‌شوند. دلیل این امر، باندگپ نوری (optical bandgap) بالاتر این مواد است که جذب ناخواسته نور را کاهش می‌دهد. محققان JPL از فلورید هیدروژن برای توسعه فرآیندهای جدید ALD و ALE جهت ایجاد پوشش‌های فلوریدی استفاده کرده‌اند.

آلومینیوم به دلیل بازتاب بالای نور UV، یکی از مواد اصلی در ساخت آینه‌ها و فیلترهای UV است. اما اکسید شدن سریع آن عملکرد را کاهش می‌دهد. برای جلوگیری از این مشکل، پوشش‌های فلوریدی به‌عنوان لایه‌های محافظ برای آلومینیوم به کار گرفته می‌شوند.

فناوری ALD در طراحی اپتیک دو مأموریت فضایی ناسا به‌کار گرفته شده است؛ SPRITE: مأموریت بررسی بقایای ابرنواخترها و آزمایش فناوری‌های مرتبط با کیهان‌شناسی و Aspera: مأموریتی برای مطالعه تکامل کیهانی با استفاده از نور UV.

در این مأموریت‌ها، آینه‌ها با آلومینیوم پوشش داده‌شده با فلورید لیتیوم از طریق PVD ساخته شده‌اند و سپس لایه‌ای فوق‌نازک از فلورید منیزیم با استفاده از ALD بر روی آنها اعمال شده است.

«امکان مشاهده طول‌موج‌های فرابنفشی که تلسکوپ هابل قادر به ثبت آنها نیست» و «شفافیت بالا در محدوده UV کوتاه» از جمله دلایل استفاده از فلورید لیتیوم است.

از جمله چالش‌های استفاده از این ماه این است که فلورید لیتیوم به رطوبت حساس است که می‌تواند قبل از پرتاب، عملکرد آن را کاهش دهد و راه حل آن نیز عبارت است از: یک لایه ۱٫۵ نانومتری از فلورید منیزیم به روش ALD که علاوه بر حفظ عملکرد، در برابر رطوبت مقاوم است.

از جمله کاربردهای آینده برای این فناوری می‌توان گفت که در رصدخانه جهان‌های قابل سکونت (HWO) که یکی از پروژه‌های آتی ناسا است، بررسی خواهد شد.

علاوه بر آینه‌ها، پوشش‌های چندلایه از آلومینیوم و فلوریدهای فلزی به‌عنوان فیلترهای باند عبوری UV استفاده می‌شوند که تنها طول‌موج‌های خاصی را عبور می‌دهند.

از جمله مشکلات استفاده از آلومینیوم این است که این عنصر هنوز نمی‌تواند مستقیماً با روش ALD لایه‌نشانی شود و راه‌حل نیز این است که JPL یک محفظه خلأ ویژه طراحی کرده که ترکیب PVD و ALD را ممکن می‌کند.

به نقل از ستاد نانو، این سیستم ترکیبی برای پوشش‌دهی مستقیم فیلترهای UV روی حسگرهای تصویرسازی مانند CCD‌های سیلیکونی به کار رفته است و در نتیجه موجب افزایش حساسیت دوربین‌های فضایی در محدوده UV و کاهش تداخل نور مرئی می‌شود.

نقش این فناوری در مأموریت‌های آینده

SPARCS: یک ماهواره مکعبی به رهبری دانشگاه ایالتی آریزونا که از CCDهای سیلیکونی با پوشش ALD/PVD در کانال UV دور خود بهره می‌برد. این دوربین در ۱۶۰ نانومتر حساسیت بالایی دارد و تأثیر طول‌موج‌های ناخواسته را به حداقل می‌رساند.

UVEX: مأموریت کاوشگر فرابنفش (UltraViolet Explorer) که در اوایل دهه ۲۰۳۰ پرتاب خواهد شد. این مأموریت، از فیلترهای باند عبوری توسعه‌یافته با ALD برای افزایش کارایی حسگرهای CMOS سیلیکونی استفاده خواهد کرد.

با پیشرفت در فناوری‌های لایه‌نشانی اتمی، تلسکوپ‌های فرابنفش فضایی قادر خواهند بود که «نواحی ناشناخته کیهان را در طول‌موج‌های فرابنفش مشاهده کنند»،‌ «کارایی آینه‌ها و فیلترهای UV را بهبود بخشند» و «در برابر عوامل محیطی سخت فضایی مقاوم‌تر شوند». بنابراین می‌توان گفت که این فناوری‌های نوین، افق‌های تازه‌ای را برای رصدهای نجومی و اکتشافات علمی باز خواهند کرد.