Как учёные ИФМ РАН создают рентгеновские зеркала для космических телескопов

Сегодня, 12 апреля, в России отмечается один из самых значимых государственных праздников – День космонавтики. Этот день получают поздравления не только космонавты, но и физики, которые работают над космическими аппаратами. Такие трудятся и в Нижнем Новгороде.

В Институте физики микроструктур (входит в ФИЦ ИПФ РАН) создают рентгеновские зеркала, которые устанавливают на космические телескопы. О том, как работают эти зеркала и чем они уникальны, нам рассказал научный сотрудник отдела многослойной рентгеновской оптики ИФМ РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Гарахин.

- Что разрабатывают учёные в вашем отделе?

- Мы занимаемся многослойной рентгеновской оптикой и её различными применениями, а также разрабатываем источники рентгеновского излучения.

Начнём с того, что оптика – это тонкоплёночные фильтры, поляризаторы и зеркала. Но это не те зеркала, которые висят у каждого в ванной или прихожей, а специальные – для работы с рентгеновским излучением.

- Что особенного в этих зеркалах?

- Дело в том, что рентгеновское излучение очень плохо отражается! Например, если вы нанесли металлическую плёнку на кварцевую подложку, как для обычного зеркала, то от неё будет отражаться лишь десятая доля рентгеновского излучения в нужном нам диапазоне. С такими показателями работать невозможно. Однако у рентгеновского излучения большая энергия, поэтому оно может проникать глубоко внутрь структуры. Поэтому можно сделать многослойные зеркала.

Их предложили еще в конце 1970-х годов. Практически параллельно в СССР и США. Одни из первых успешных экспериментальных образцов создали в СССР, в городе Горький.

Идея рентгеновского зеркала проста. Пусть у нас от одной границы отражается 0,1%. А если таких границ будет 100? 200? Если подобрать параметры зеркала так, чтобы лучи не гасили друг друга, а складывались? Так возникло многослойное рентгеновское зеркало.

Вначале берется максимально, почти до атомов, гладкая стеклянная заготовка. Она называется подложкой. На нее наносятся сотни слоёв двух разных материалов. От границ каждого слоя отражаются доли (а если материалы подобраны правильно, то и единицы) процента. Лучи суммируются и получается уже вполне приличное итоговое отражение. В рекордных случаях до 70%. С такими значениями уже можно работать.

Нельзя не упомянуть и о рентгеновских фильтрах – это, по сути, точно такое же многослойное зеркало, только отделенное от подложки и приклеенное на специальный каркас. Такие фильтры необходимы для подавления фонового излучения.

Фоновое излучение – это, во-первых, видимый свет (от Солнца, например), а также излучение от соседних длин волн, излучение от которых нам в данном эксперименте не нужно и даже вредно.

- Где ваши зеркала применяются?

Для начала стоит объяснить, почему рентген выделяют из других видов электромагнитных излучений. Дело в значениях длин волн рентгена – они сопоставимы с размерами атомов и межатомными расстояниями. Соответственно, можно изучать строение вещества. Например, посветить на золотую монетку рентгеновским «светом» и сразу сказать, настоящая она или поддельная. Это называется рентгенофлуоресцентый анализ.

Аналогично можно изучать объект, который излучает рентген, например, наше Солнце. Это излучение будет содержать информацию о его составе и строении.

Человечество постоянно сталкивается с дефицитом энергии, а если освоить на Земле управляемый термоядерный синтез, то можно получить доступ к практически неиссякаемой чистой энергии. Так что изучение нашей звезды очень актуально. Для этого и нужны телескопы, а в телескопы – зеркала. Но в изучении Солнца есть свои сложности – рентгеновское излучение поглощается атмосферой Земли. Поэтому возникает необходимость запускать телескопы на орбиту. Наш отдел уже принимал участие в нескольких миссиях по созданию космических телескопов.

- В каких солнечных миссиях вы участвовали?

- С 1980-х годов наши сотрудники через спутниковые эксперименты Физического института им. Лебедева (Москва) причастны к рентгеновской солнечной астрономии. Всё это время основная борьба шла за разрешающую способность телескопов. То есть за минимальный размер объекта, который можно рассмотреть на поверхности Солнца.

В 1987 году – минимальный диаметр объекта - 10 000 км (проект Фобос-1)

В 1994 году – 5 000 км (проект ТЕРЕК)

В 2001 году – 3 000 км (проект СПИРИТ)

В 2009 году – 1 700 км (проект ТЕСИС)

На картинке ниже приведены схемы таких однозеркальных телескопов обсерватории ТЕСИС. Одно зеркало принимает излучение Солнца и фокусирует его на детекторе.

Для российских обсерваторий зеркала изготавливаются в России. Конкретнее в Нижнем Новгороде, у нас - в Институте физики микроструктур. Ниже приведены фото реальных зеркал, созданных для обсерватории ТЕСИС.

- Как вы делаете рентгеновские зеркала?

- Это настоящие нанотехнологии! Характерные толщины пленок в составе многослойного зеркала – единицы нанометра. Для их точного нанесения мы используем магнетронное распыление. Если коротко, то в специальную камеру загружается подложка и создается вакуум – нам нужна чистая среда. Далее в камеру напускается немного рабочего газа аргона.

В камере находится несколько источников вещества. Они представляют собой плоские мишени из нужных нам материалов, которые лежат на специальных устройствах – магнетронах. Далее в камере создается плазма, распыляющая мишень – атомы вылетают и осаждаются на подложке. А магнитное поле магнетронов помогает локализовать плазму у поверхности мишени и улучшить распыление материала. В зависимости от структуры зеркала подложка проходит последовательно над источниками разных материалов. Таким образом и создается слоистая структура, как пирог.

Стоит еще сказать, что непосредственно перед нанесением зеркала подложки очень тщательно полируются. Сначала механически, а затем ионами. Мы разыгрываем такой атомный биллиард.

После мы несколько раз проверяем результат на специальном оборудовании, пока не добьёмся идеальной полировки с атомарной точностью.

После синтеза зеркало нужно проверить и убедиться, что оно отражает так, как надо, и столько, сколько надо. Для этого мы загружаем его в специальную машину – рефлектометр. В нём имитируются условия, в которых будет работать зеркало на телескопе.

- Развиваете ли вы эту технологию?

- Постоянно! Стараемся улучшить многие параметры. Например, увеличиваем размер зеркал, входящих в оптическую схему телескопов. Грубо говоря, чем больше зеркала, тем выше разрешение, и меньше размер предельно обнаружимого объекта.

Все эти годы шло увеличение размеров зеркал от обсерватории к обсерватории. В 1987 году они были 30 мм в диаметре. Для обсерватории АРКА (запуск после 2022 года) уже достигают 250 мм.

Заранее готовясь к новым запускам, мы осваивали новые подходы к изготовлению оптики для телескопов. Рост разрешающей способности телескопов происходил за счет в том числе уменьшения оптических искажений, аберраций.

За прошедшие годы мы здорово продвинулись в этом направлении. Новые зеркала могут обеспечить разрешение объектов размерами всего в 130 км. Это следствие умения изготавливать сверхточные оптические поверхности и их закрепления без деформаций. Причём, вся конструкция выдерживает нагрузки при старте ракеты. Плюс учитывается отсутствие на орбите земного притяжения.

За эти годы изучены новые составы зеркал и фильтров. Выросли их коэффициенты отражения и пропускания. Найдены составы и конструкции фильтров, способные выдерживать тепловые нагрузки от Солнца не только на околоземной орбите, но и при полете за орбиту Меркурия.

Также мы активно модернизируем структуру наших зеркал: подбираем новые материалы, изменяем различные прослойки между основными плёнками зеркала и так далее. Идей на самом деле много!

- Какие планы развития вашей лаборатории? Может быть новые проекты!

- Мы активно развиваемся! И новых задач очень много. Одним из таких важных направлений является рентгеновская литография. В настоящее время идет постоянная миниатюризация компонентов электронных схем, а для этого необходимо всё сильнее уменьшать длину волны литографического оборудования вплоть до рентгеновского диапазона.

Очень сильным направлением в нашем отделе является разработка источников рентгеновского излучения. Особое внимание мы уделяем лазерно-плазменным источникам.

Также в настоящее время активно развиваются синхротронные центры. Для их работы мы также разрабатываем рентгенооптические элементы.

Последние годы особенно важным стали биологические и медицинские применения рентгеновского излучения. В нашем отделе уже запущен и активно работает рентгеновский микроскоп на основе многослойных рентгеновских зеркал, который на данных момент не имеет мировых аналогов. С его помощью уже сейчас удается делать так называемую Z-томографию биологических объектов.

Также сейчас мы активно занялись популяризацией нашей деятельности. Завели группу ВКонтакте и активно её развиваем. Если кому интересно то, чем мы тут занимаемся – милости просим переходить по ссылке: https://vk.com/xrayoptics

И всех с Днём Космонавтики!