Le scientifique Will Zhang a créé une usine de fabrication pour créer une nouvelle optique à rayons X en silicium. Cette image montre la machine à polir pour éliminer les imperfections de la surface du miroir. Crédit :NASA/W. Hrybyk
Le scientifique de la NASA William Zhang a créé et prouvé une technique de fabrication de poids légers, miroirs à rayons X haute résolution utilisant du silicium, un matériau couramment associé aux puces informatiques.
Zhang, un astrophysicien au Goddard Space Flight Center de la NASA à Greenbelt, Maryland, a montré dans des tests répétés que le silicium monocristallin - un dur, élément non métallique fragile utilisé dans la fabrication de puces informatiques - fonctionne exceptionnellement bien comme optique à rayons X.
Compte tenu du coût de construction des observatoires spatiaux - dont le prix ne fait qu'augmenter à mesure qu'ils deviennent plus gros et plus lourds - l'objectif est de développer des optiques légères facilement reproductibles, sans sacrifier la qualité. Selon Zhang, l'utilisation du silicium donnerait aux astrophysiciens en rayons X ce qu'ils souhaitent depuis longtemps :léger, des miroirs ultra-fins qui offrent une zone de collecte considérablement plus grande et une résolution considérablement améliorée, le tout à un coût réduit, dit Zhang.
À ce jour, personne n'a créé un miroir à rayons X qui réponde à tous ces objectifs de performance. Par ailleurs, personne n'a de silicium poli et figuré pour l'optique à rayons X, qui doit être incurvé et emboîté à l'intérieur d'un assemblage en forme de cartouche pour collecter des photons de rayons X hautement énergétiques. Avec cette configuration spéciale, Les rayons X effleurent les surfaces des miroirs, comme un caillou lancé sur la surface d'un étang, plutôt que de les traverser.
Silicium, qui ne se déforme pas même lorsqu'il est coupé ou exposé à des températures fluctuantes, offre une solution viable, dit Zhang. « Nous avons exécuté nos procédures de fabrication de miroirs à plusieurs reprises, " a-t-il ajouté. " Ceux-ci représentent les meilleurs miroirs à rayons X légers de tous les temps. En réalité, de tous les miroirs à rayons X astronomiques qui ont été produits et pilotés, seuls ceux de Chandra sont meilleurs, " il a dit, se référant à l'un des grands observatoires de la NASA, une mission à rayons X qui transporte les miroirs à rayons X de la plus haute résolution jamais lancés. "Mais nous aspirons à égaler puis à dépasser la qualité des miroirs de Chandra avant 2020."
Zhang a l'intention d'atteindre cet objectif, en partie, avec le financement de la NASA pour la technologie d'astrophysique stratégique. Lui et son équipe prévoient de faire progresser la technologie non conventionnelle en vue d'une future mission à rayons X.
Vieille main à la fabrication de miroirs
Zhang n'est pas un nouveau venu dans le domaine de la fabrication de miroirs.
Il y a quinze ans, il a entrepris de développer un moins cher, technique plus efficace pour fabriquer des miroirs à rayons X légers. Il a réussi. Il y a quatre ans, il a livré 9, 000 super-mince, miroirs en verre incurvé pour le réseau de télescopes spectroscopiques nucléaires de la NASA, ou NuSTAR, mission en utilisant une nouvelle technique de fabrication dans laquelle il a placé de minces morceaux de verre disponible dans le commerce sur un mandrin et a chauffé l'ensemble de l'assemblage à l'intérieur d'un four - un processus appelé affaissement. Pendant que le verre chauffait, il s'est ramolli et replié sur le mandrin pour produire un miroir incurvé que l'université technique danoise basée à Copenhague a ensuite recouvert de couches de silicium et de tungstène pour maximiser sa réflectance aux rayons X.
Prendre à la limite
Bien que Zhang ait prouvé la technique et produit des milliers de miroirs à résolution modeste idéaux pour NuSTAR, Zhang réalisa qu'il avait poussé l'approche à sa limite. "J'ai passé quelques années à essayer d'améliorer le verre affaissé. J'ai fait tout le kilométrage possible."
Mince, poids léger, miroirs haute résolution, comme celui montré ici, sont vitaux pour les missions à rayons X de nouvelle génération. Will Zhang et Raul Rivera mettent au point une technique de fabrication de ces optiques à l'aide de silicium. Crédit :NASA/W. Hrybyk
Il s'est débarrassé de huit de ses 10 fours utilisés dans le processus d'effondrement et a tourné son attention, au lieu, au silicium monocristallin.
A son insu, un autre technologue Goddard, Vince Bly, avait déjà enquêté sur l'utilisation du matériau, produisant finalement un épais, Miroir de rechange léger pour le capteur infrarouge thermique construit par Goddard, l'un des deux instruments développés pour la mission de continuité des données Landsat de la NASA. Bien que la mission n'ait pas utilisé le miroir parce que l'optique n'avait jamais volé dans l'espace, Bly a déclaré que les tests indiquaient qu'il offrait une option viable.
Quand Zhang a entendu parler du travail de Bly, lui et Bly ont commencé à travailler ensemble, profitant de l'expérience de chacun. "Il a utilisé ce que nous avions fait pour résoudre son propre problème, " dit Bly.
Silicium sans stress
La clé, tous les deux ont dit, réside dans le matériau lui-même. Matériaux traditionnels pour la fabrication de miroirs—verre, céramique, et les métaux - souffrent de contraintes internes élevées, surtout lorsqu'il est coupé ou exposé à des températures changeantes. Ces contraintes deviennent de plus en plus imprévisibles à mesure que le miroir s'amincit.
"Le silicium monocristallin est un excellent matériau pour la fabrication de miroirs à rayons X pour les vols spatiaux, " a déclaré Zhang. " Il est peu coûteux et abondamment disponible en raison de l'industrie des semi-conducteurs. Par ailleurs, c'est un matériau parfait. Il est à l'abri des contraintes internes qui peuvent modifier la forme des miroirs à rayons X en verre. »
C'est parce que chaque atome est arrangé dans une configuration de réseau, ce qui empêche le matériau de se déformer même lorsqu'il est coupé ou façonné. En d'autres termes, si une feuille de contreplaqué était en silicone, il serait parfaitement plat et à l'abri du gauchissement, il a dit.
Appris de l'affaissement
Le nouveau processus de Zhang découle de ce qu'il a appris grâce à l'effondrement du verre, il a dit. Il prend un bloc de silicium et le chauffe pour éliminer tout stress qui aurait pu naître de sa manipulation. Avec une scie à ruban, il crée la forme approximative et utilise d'autres outils d'usinage et produits chimiques pour meuler et affiner davantage la surface du bloc. Comme trancher du fromage, il découpe ensuite un substrat mince mesurant à peine une fraction de pouce d'épaisseur du bloc et polit la surface. La dernière étape consiste à enduire les segments individuels d'iridium pour améliorer la réflectance.
Avec son financement de la NASA, Zhang et son équipe perfectionnent les techniques d'alignement et de collage 6, 000 segments de miroir pour former des méta-coquilles qui seraient intégrées à l'intérieur d'un ensemble de miroirs projeté pour peser environ 200 livres et mesurer à peine 1,6 pied. Finalement, il aimerait créer six méta-shells et automatiser le processus d'alignement.
"Faire de la légèreté, haute résolution, des miroirs à rayons X relativement bon marché sont devenus le travail de ma vie, " Zhang a dit, se référant à sa quête pour développer un briquet, miroir à rayons X plus performant. "Quand j'ai commencé à développer des miroirs il y a 15 ans, Je pensais que je le ferais dans quelques années. Quinze ans plus tard, j'y suis toujours, " dit Zhang.
