Populære Innlegg

Redaksjonens - 2019

Ultrastable materialer undersøkt i dybden

Anonim

Space har mange fascinerende gjenstander som vi bare kan undersøke ved å observere deres stråling - selv utenfor det synlige området. For romteleskoper som det europeiske rymdbureauets (ESA) infrarøde observatorium Herschel, som har som mål å observere stråling i det infrarøde området, er avkjøling av instrumenter av avgjørende betydning, siden instrumentene selv ikke må utgjøre forstyrrelser av infrarød stråling. Speilet til disse teleskopene, som brukes ved temperaturer under -190 ° C, er laget av spesielle, ultrastable keramiske materialer som silisiumkarbid. For å kunne planlegge de nøyaktige dimensjonene riktig, selv ved slike lave temperaturer, må den presise termiske ekspansjonen av materialene som er kjent, være kjent. Innenfor omfanget av et nylig gjennomført ESA-prosjekt, måler Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) i Braunschweig termisk ekspansjon av disse keramikkene, så vel som for krystallkiselsilikon i temperaturområdet fra -266 ° C til 20 ° C med høy presisjon. I store deler av det undersøkte temperaturområdet, tilsvarer nøyaktigheten en relativ endring i lengden på ca. en milliarddel per grad Celsius. Undersøkelsene har også vist at verdiene som brukes til å referere til referansematerialet for "single-crystal silicon" må korrigeres.

annonse


Det siste utgaven av det vitenskapelige tidsskriftet Physical Review B inneholder en rapport dedikert til sistnevnte av disse to fagene. Mellomteleskoper som Herschel undersøker spektrale områder som ikke er tilgjengelige fra Jorden; de kan derfor kun brukes i rommet. Hvor kritisk det er å vite nøyaktig termisk ekspansjon av materialene som ble brukt ved oppsett av slike teleskoper, ble tydelig demonstrert under en av de siste ESA-oppdragene, da det ble avslørt at simuleringene som tidligere ble utført ikke var i samsvar med de produserte speilene. Uoverensstemmelsene ble heldigvis ikke oppdaget i rommet, men ledet fortsatt til unødvendige forsinkelser. For å forhindre slike ubehagelige overraskelser i å komme tilbake i fremtiden, var det nødvendig med en grundig undersøkelse av materialene som ble brukt. For sine undersøkelser innenfor ESA-prosjektet brukte René Schödels forskergruppe PTBs ultra-nøyaktige interferometer til å måle lengden på prøvene over hele temperaturområdet med nanometer-nøyaktighet.

Dette interferometer er det eneste i sitt slag i verden. For å tillate målinger tas med tilsvarende nøyaktighet, men med mindre innsats, er det til og med på andre institutter referansematerialer hvis eksakt termisk ekspansjon er kjent, vanligvis brukt til sammenligning. Et slikt referansemateriale er enkeltkrystallisk silisium, som er preget av en kontinuerlig gitterstruktur med svært få defekter; Det ble også undersøkt av forskerne. I likhet med noen av de ultrastable keramiske materialene, utviser silisium en spesiell oppførsel: ved lave temperaturer begynner den å ekspandere under en viss temperatur. Denne dynamiske karakteristikken - som er ganske uventet i hverdagen - ble også nøyaktig målt av forskerne fra PTB. Deres målinger ga et viktig resultat: På tvers av et stort temperaturområde oppdaget de signifikante avvik fra referanseverdiene som ble brukt til dato for krystallkrystall. Dette antyder at referanseverdiene må korrigeres.

Resultatene av prosjektet er av betydning for videre romoppdrag som allerede er planlagt, for eksempel James Webb Space Telescope (JWST), for hvilke temperaturer på bruk under -220 ° C er planlagt, eller Space Infrared Telescope for Cosmology og Astrophysics (SPICA), for hvilke det er planlagt enda lavere brukstemperaturer.

annonse



Historie Kilde:

Materialer levert av Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) . Merk: Innholdet kan redigeres for stil og lengde.


Tidsreferanse :

  1. Thomas Middelmann, Alexander Walkov, Guido Bartl, René Schödel. Termisk ekspansjonskoeffisient for enkeltkrystall silisium fra 7 K til 293 K. Fysisk gjennomgang B, 2015; 92 (17) DOI: 10, 1103 / PhysRevB.92.174113