Токийские ученые создали сверхлегкую оптику для рентгеновских телескопов

Беспрецедентно легкую оптику для рентгеновских космических телескопов создала с использованием технологии микроэлектромеханической системы (MEMS) группа ученых из Токийского столичного университета, 16 июля сообщает сайт новостей науки EurekAlert со ссылкой на пресс-службу университета.

Важнейшей характеристикой оптики для астрономических наблюдений является ее угловое разрешение, то есть угол, под которым два источника света могут образовывать детектор и при этом быть различимыми.

Однако в настоящее время получение более высокого разрешения устройства достигается за счет его утяжеления и, соответственно, удорожания запуска телескопа в космос. Даже считавшийся невероятно легким телескоп Hitomi, запущенный в 2016 году, имеет эффективный вес 600 кг на кв. метр полезной площади.

Токийские ученые сумели переломить эту ситуацию, использовав при изготовлении кремниевых пластин технологию MEMS, разработанную для изготовления микроскопических механических приводов.

При этом создаваемая ими конструкция соответствует геометрии существующих рентгеновских телескопов Wolter I, которая представляет концентрический массив щелей, напоминающий кольца деревьев. Эти щели «подталкивают» рентгеновские лучи, входящие под узким диапазоном углов, собирая их в точку.

Исследователи представили результаты своей разработки в статье «Улучшение характеристик изображения кремниевой микропористой рентгеновской оптики за счет сверхдлительного отжига», опубликованной в журнале Optics Express.

Технология, которую они предлагают для создания рентгеновских телескопов для будущих космических полетов, заключается в формировании микропор диаметром 20 𝜇m в 4-дюймовой кремниевой пластине методом глубокого реактивного ионного травления с тем, чтобы использовать их боковые стенки в качестве зеркал отражения рентгеновского излучения.

При этом плоскостность боковой стенки является важным фактором, определяющим производительность изображения, угловое разрешение.

Однако получаемая при этом шероховатость слишком велика, и на втором шаге используется отжиг для сглаживания боковин, который активирует самодиффузию на поверхности кремния при высоких температурах в инертных газах, таких как водород, азот и аргон. Поверхность кремния самопроизвольно сглаживается при воздействии на пластину температуры, близкой к температуре плавления.

Третий этап — процесс шлифовки и химико-механической полировки. На четвертом шаге вся пластина деформируется в сферическую форму, чтобы она могла собрать параллельные рентгеновские лучи астрономических объектов.

На пятом этапе для повышения отражательной способности отражающая поверхность покрывается металлической пленкой путем осаждения атомарного слоя. В конце две пластины с разными радиусами кривизны точно укладываются друг на друга.

Команда намерена добиться веса телескопа в 50 кг, что станет технологическим прорывом, который приведет к тому, что будущие космические миссии будут запущены на орбиту с несравнимо меньшими затратами.