بهبود عملکرد تلسکوپ‌های فرابنفش فضایی با پوشش‌های اتمی
با توجه به اهمیت رصد نور ماورا بنفش در فضا، دانشمندان دستگاه‌های نوری با پوشش‌های نازک مهندسی‌شده در مقیاس اتمی ایجاد کرده‌اند. این پوشش‌ها برای حل مشکل تعامل فوتون‌ها با مواد معمولی و بهبود عملکرد تلسکوپ‌های ماورا بنفش فضایی طراحی شده‌اند. این تلاش‌ها شامل توسعه و آزمایش پوشش‌ها برای یکنواختی و عملکرد قطبش است تا قابلیت‌های تشخیص نور ماورا بنفش را افزایش دهد و به پیشرفت‌های مهم در تحقیقات نجومی کمک کند.
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 این اقدام یکنواختی بالا حتی در سطوح پیچیده، کنترل دقیق ضخامت در مقیاس اتمی و بهبود کارایی ابزارهای فضایی در محدوده فرابنفش است.
در اپتیک UV، پوشش‌ها معمولا 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 ماموریت فضایی ناسا به‌کار گرفته شده است:
- SPRITE: ماموریت بررسی بقایای ابر نو اخترها و آزمایش فناوری‌های مرتبط با کیهان‌شناسی.
- Aspera: ماموریتی برای مطالعه تکامل کیهانی با استفاده از نور UV.
چالش مطرح در این طرح این است که فلورید لیتیوم به رطوبت حساس است که می‌تواند قبل از پرتاب، عملکرد آن را کاهش دهد. راه‌حل ارائه شده در این خصوص استفاده از یک لایه ۱.۵ نانومتری از فلورید منیزیم به روش ALD که علاوه بر حفظ عملکرد، در برابر رطوبت مقاوم است.
درخصوص کاربردهای آینده این فناوری می‌توان گفت که این فناوری 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.
مشکلی که وجود دارد این است که آلومینیوم هنوز نمی‌تواند مستقیما با روش ALD لایه‌نشانی شود و راه‌حل آن این است که JPL یک محفظه خل ویژه طراحی کرده که ترکیب PVD و ALD را ممکن می‌سازد. این سامانه ترکیبی برای پوشش‌دهی مستقیم فیلترهای UV روی حسگرهای تصویرسازی مانند CCDهای سیلیکونی به کار رفته است. نتیجه؛ افزایش حساسیت دوربین‌های فضایی در محدوده UV و کاهش تداخل نور مرئی.
نقش این فناوری در ماموریت‌های 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 تاثیر طول‌موج‌های ناخواسته را به حداقل می‌رساند.
UVEX: ماموریت کاوشگر فرابنفش (UltraViolet Explorer) که در اوایل دهه ۲۰۳۰ پرتاب خواهد شد. این ماموریت، 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:
- نواحی ناشناخته کیهان را در طول‌موج‌های فرابنفش مشاهده کنند
- کارایی آینه‌ها و فیلترهای UV را بهبود بخشند
- 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.