NASA -forskaren William Zhang har skapat och bevisat en teknik för tillverkning av lätta, högupplösta röntgenspeglar med hjälp av kisel-ett material som vanligtvis associeras med datorchips.

Zhang, en astrofysiker vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, har vid upprepade tester visat att enkristallkisel-ett hårt, sprött icke-metalliskt element som används vid tillverkning av datorchips-fungerar utomordentligt bra som en röntgenoptik.

Med tanke på kostnaden för att bygga rymdobservatorier - som bara stiger i pris när de blir större och tyngre - är målet att utveckla lättreproducerbar lättviktsoptik, utan att offra kvaliteten. Enligt Zhang, användning av kisel skulle ge röntgenastrofysiker det de länge velat ha:lätt, supertunna speglar som erbjuder ett betydligt större insamlingsområde och dramatiskt förbättrad upplösning-allt till en reducerad kostnad, Sa Zhang.

Hittills, ingen har skapat en röntgenspegel som tar upp alla dessa prestandamål. Vidare, ingen har polerat och tänkt kisel för röntgenoptik, som måste böjas och kapslas inuti en kapselliknande enhet för att samla mycket energiska röntgenfotoner. Med denna speciella konfiguration, Röntgenstrålar betar speglarnas ytor-som hur en kastad sten rullar över ytan av en damm-snarare än att passera genom dem.

Kisel, som inte vrider sig även när det skärs eller utsätts för fluktuerande temperaturer, erbjuder en hållbar lösning, Sa Zhang. "Vi har utfört våra spegelframställningsförfaranden många gånger, "tillade han." Dessa representerar de bästa lätta röntgenspeglarna någonsin. I själva verket, av alla astronomiska röntgenspeglar som har producerats och flugits, bara Chandras är bättre, " han sa, med hänvisning till en av NASAs stora observatorier, ett röntgenuppdrag som bär de högsta upplösta röntgenspeglarna som någonsin lanserats. "Men vi strävar efter att matcha och sedan överstiga Chandras spegelkvalitet före 2020."

Zhang tänker uppnå det målet, till viss del, med finansiering från NASA Strategic Astrophysics Technology. Han och hans team planerar att ytterligare avancera den icke-konventionella tekniken som förberedelse för ett framtida röntgenuppdrag.

Gammal hand vid spegelframställning

Zhang är inte en nykomling i spegelframställningen.

För femton år sedan, han bestämde sig för att utveckla en billigare, mer effektiv teknik för att tillverka lätta röntgenspeglar. Han lyckades. Fyra år sedan, han levererade 9, 000 supertunna, böjda glasspeglar för NASA:s nukleära spektroskopiska teleskoparray, eller NuSTAR, uppdrag med hjälp av en ny tillverkningsteknik där han placerade tunna bitar av kommersiellt tillgängligt glas på en dorn och värmde hela enheten inuti en ugn - en process som kallas slumping. När glaset värmdes upp, den mjuknade och viks över dornen för att få fram en böjd spegel som danska tekniska universitetet i Köpenhamn sedan belagde med lager av kisel och volfram för att maximera sin röntgenreflektans.

Tar det till gränsen

Även om Zhang bevisade tekniken och producerade tusentals speglar med blygsam upplösning perfekt för NuSTAR, Zhang insåg att han hade tagit tillvägagångssättet till sin gräns. "Jag tillbringade ett par år med att försöka göra glaset bättre. Jag fick all körsträcka jag kunde få."

Han blev av med åtta av sina tio ugnar som användes i nedgångsprocessen och vände uppmärksamheten, istället, till enkristallkisel.

Okänt för honom, en annan Goddard -tekniker, Vince Bly, hade redan undersökt materialets användning, i slutändan producerar en tjock, ändå lätt reservspegel för den Goddard-byggda termiska infraröda sensorn, ett av två instrument som utvecklats för NASA:s Landsat Data Continuity Mission. Även om uppdraget inte använde spegeln eftersom optiken aldrig hade flugit i rymden, Bly sa att testning indikerade att det erbjöd ett livskraftigt alternativ.

När Zhang hörde talas om Blys arbete, han och Bly började arbeta tillsammans, dra nytta av varandras erfarenheter. "Han använde det vi hade gjort för att lösa sitt eget problem, "Sa Bly.

Silikon utan stress

Nyckeln, båda sa, ligger hos själva materialet. Traditionella material för att göra speglar - glas, keramik, och metaller - lider av hög inre stress, särskilt när den skärs eller utsätts för förändrade temperaturer. Dessa påfrestningar blir allt mer oförutsägbara när spegeln blir tunnare.

"Enkristallkisel är ett utmärkt material för att göra rymdflygningsröntgenspeglar, "Zhang sa." Det är billigt och rikligt tillgängligt på grund av halvledarindustrin. Vidare, det är ett perfekt material. Det är immun mot de inre påfrestningarna som kan ändra formen på röntgenspeglar av glas. "

Detta beror på att varje atom är arrangerad i en gitterkonfiguration, vilket förhindrar att materialet snedvrids även när det skärs eller formas. Med andra ord, om en plywoodplåt var gjord av kisel, det skulle vara helt platt och immun mot vridning, han sa.

Lärde av Slumping

Zhangs nya process växer ut ur det han lärde sig genom glasklippning, han sa. Han tar ett block av kisel och värmer det för att eliminera eventuell stress som kan ha uppstått från hanteringen. Med en bandsåg, han skapar den ungefärliga formen och använder andra bearbetningsverktyg och kemikalier för att ytterligare slipa och förfina blockets yta. Som att skiva ost, han skär sedan ett tunt underlag som mäter bara en bråkdel av en tum i tjocklek från blocket och polerar ytan. Det sista steget är att belägga de enskilda segmenten med iridium för att förbättra reflektansen.

Med sin NASA -finansiering, Zhang och hans team perfekterar tekniker för att anpassa och binda 6, 000 spegelsegment för att bilda metaskalar som skulle integreras inuti en spegelmontage som beräknas väga cirka 200 kilo och bara vara 1,6 fot lång. I sista hand, han skulle vilja skapa sex metaskal och automatisera justeringsprocessen.

"Att göra lätt, hög upplösning, relativt billiga röntgenspeglar har blivit mitt livsverk, "Zhang sa, med hänvisning till hans strävan att utveckla en tändare, mer kapabel röntgenspegel. "När jag började utveckla speglar för 15 år sedan, Jag trodde att jag skulle klara det om ett par år. Femton år senare, Jag håller fortfarande på, "Sa Zhang.