Forskare har utvecklat ett nytt instrument som kan analysera ljus som reflekteras från mycket små eller extremt mörka material, till exempel några meteoritprover och VANTABlack, den mörkaste konstgjorda substans som skapats. Instrumentet avslöjar redan ny information om dessa och andra svåranalyserade ytor.

Genom att använda spektroskopi för att mäta hur ljuset reflekteras från en yta kan det ge information om de fysikaliska och kemiska egenskaperna hos ett provmaterial. Dock, extremt mörka eller små prover som de från meteoriter gör denna typ av analys svår eftersom de reflekterar väldigt lite ljus.

I tidskriften The Optical Society (OSA) Tillämpad optik , författare Sandra Potin och kollegor från Institut de Planétologie et Astrophysique de Grenoble (IPAG), University Grenoble Alpes i Frankrike, rapportera att deras nya instrument, kallas SHADOWS, kan användas för reflektansspektroskopi av prover som mäter mindre än en millimeter i kuber och som reflekterar mindre än 0,03 procent av ljus som lyser upp provet.

Det nya instrumentet kan användas för att bättre förstå meteoriternas sammansättning och för att identifiera asteroiden eller kometen från vilken de härstammar. Den kan också användas för att analysera ytor på rymdfarkoster, där mycket mörka beläggningar används för att minska strålande ljus eller ta bort värme från instrumentering som används i rymden.

Förbättra känsligheten

Spektroskopiinstrumentet skapat av forskarna är känt som en spektro-gonio-radiometer, som fungerar genom att lysa ett prov från en exakt riktning och sedan detektera ljus som reflekteras tillbaka från en annan riktning. Detta tillvägagångssätt är känt som dubbelriktad reflektansspektroskopi eftersom det beräknar reflektansen för ett material baserat på belysningsljusets riktning och den riktning från vilken det reflekterade ljuset detekteras. Spektra som produceras av denna mätning är som ett fingeravtryck som kan användas för att bestämma ett provs sammansättning.

Forskarna började med en radiometer som de tidigare utvecklat för stora, ljusa prover och arbetade för att förbättra dess känslighet genom att minska belysningen till en diameter på cirka 5,2 mm. Belysningsplatsen kan göras ännu mindre för att kartlägga heterogena ytor, till exempel en yta som innehåller flera typer av material.

"Instrumentet har ett mycket bra signal-brus-förhållande eftersom vi använde det vi kallar synkron detektering, "sa Potin." Det betyder att snarare än att använda kontinuerligt ljus, vi belyser proverna med ljuspulser med en mycket exakt frekvens. Genom att koppla radiometerns två detektorer till denna frekvens, allt som inte reflekteras från provet kan tas bort från mätningen. "

Det nya instrumentet använder flera ljusfärger och flyttar ljuskällan och detektorn runt provet för att mäta ljus som kommer från och reflekteras till flera riktningar. Informationen som erhålls från de olika ljusriktningarna och färgerna används för att bygga en 3-D-vinkelkarta över provets ljusreflektion som kan ge ännu mer information om provet.

Brett temperaturintervall

En annan aspekt av det nya instrumentet är att det kan användas för att analysera prover vid -20 grader C upp till 250 grader C, med planer på att arbeta vid ännu lägre temperaturer, ner till -210 grader C. Detta är viktigt eftersom temperaturen på provet kan ändra spektra som erhålls med instrumentet.

"Vissa asteroider är väldigt långt från solen och därför ganska kalla, men när en komet går nära solen, det blir väldigt varmt, "sa Potin." Om vi ​​försöker jämföra meteoritprover som finns på jorden med spektra från asteroider i rymden, vi måste ta mätningarna vid ett mycket brett temperaturintervall. "

Forskarna använde SHADOWS för att ta mätningar av ett VANTABlack -prov, som är en kemisk substans gjord av kolnanorör odlade på aluminiumfolie. Spektren för detta material som erhållits med det nya instrumentet såg helt annorlunda ut än de som förvärvats med andra spektroskopitekniker eftersom det inkluderade information från olika håll.

"Genom att anpassa dubbelriktad spektralanalys för mycket mörka ytor, vårt nya tillvägagångssätt kan avslöja strukturell information som inte har observerats med andra typer av mätningar, sa Potin.

Forskarna säger att de nu arbetar med att göra förbättringar av instrumentet, inklusive införlivande av polarisationsmätningar för att ge ännu mer information om analyserade prover. Instrumentet är tillgängligt för forskare i Europa genom Trans National Access-aktiviteten i Europlanet 2020-RI-programmet.