Исследователи из Fraunhofer IOF разработали и изготовили высокоточную двойную щель на основе кремния для спектрометра на борту спутника FLEX ЕКА. Фото: Fraunhofer IOF.
ЕКА планирует запустить свою миссию FLEX в 2025 году. Целью является сбор данных о растительности Земли из космоса. Для спектрометра на борту спутника исследователи из Института прикладной оптики и точного машиностроения Фраунгофера (IOF) в Йене разработали и изготовили двухщелевой узел с исключительной точностью, а также два высокоточных зеркала. Двойная щель будет представлена на выставке SPIE Photonics West в Сан-Франциско с 30 января по 1 февраля.
Сколько света излучают растения и что это световое излучение может рассказать нам о здоровье растений? Миссия ЕКА «FLUorescent Explorer Mission» (FLEX) будет заниматься этим вопросом с 2025 года. Сердцем спутника будет «Спектрометр флуоресцентной визуализации» (сокращенно FLORIS).
Однако в отличие от многих других спектрометров FLORIS работает не с одним световым каналом, а с двумя. «Это означает, что необходимы две оптические щели, через которые свет может проникнуть в инструмент», — объясняет Фальк Кемпер. Кемпер — научный сотрудник Fraunhofer IOF и возглавляет проект FLEX в этом институте. «Чтобы создать эти два канала, необходимо высокоточное расположение двух щелей, так называемая двойная щель. Это именно то, что мы разработали и изготовили в Йене вместе с высокоточными зеркалами для спектрометра».
Компоненты космических спектрометров исключительной точности
Особенностью двухщелевого узла является его исключительная точность: каждая щель двухщелевого узла должна быть изготовлена с точной шириной 85 (+/-1) микрометров, а длина — 44,15 миллиметра. «Слишком широкие или слишком узкие щели направляли бы на детектор слишком много или слишком мало света, что делало бы невозможным оценку светового компонента, представляющего интерес для миссии», — объясняет Кемпер.
Особые требования также предъявлялись к зеркалам, которые были изготовлены в Йене и предназначены для направления света на детектор внутри спектрометра: они должны были иметь шероховатость 0,3 нанометра (среднеквадратичное значение). «Это примерно соответствует расстоянию между одним и двумя атомами», — объясняет Кемпер. «Требования были невероятно высокими и находились на грани технической осуществимости».
Специальное литографическое структурирование для двойной щели на основе кремния.
Двойная щель была изготовлена на кремниевой основе. В Fraunhofer IOF была разработана специальная технологическая цепочка литографического процесса для производства, в которой методы литографического структурирования были адаптированы для травления кремниевых пластин: «Наша стратегия заключалась в том, чтобы замаскировать кремниевые пластины, проявить их и провести влажное травление в контролируемом по времени порядке», — говорит менеджер проекта, объясняющий процесс. «Из-за того, что требовалась очень высокая точность, нам пришлось пройти множество итераций параметров, чтобы сделать производственную цепочку настолько стабильной, чтобы можно было производить прорези в соответствии с требованиями».
Наконец, щели были покрыты черным покрытием для достижения заданной оптической отражательной способности и оптической плотности. «Черное покрытие прорезей также привело к изменению геометрии прорезей и его пришлось соответствующим образом сохранить при травлении прорезей».
Прочное крепление для использования в космических спектрометрах.
Устройство сконструировано таким образом, что кремниевая двойная щель крепится в механическом держателе. Там две хрупкие щели пришлось устанавливать строго параллельно отверстиям в держателе, т. е. с точностью менее 5 микрометров и плоскостностью щели менее 10 микрометров. Кроме того, две щели пришлось установить таким образом, чтобы они не деформировались и не ломались — даже при сильных вибрациях, колебаниях температуры и ускорениях во время запуска спутника FLEX.
Поэтому, чтобы обеспечить необходимую надежность сборки, исследователи из Fraunhofer IOF разработали специальную концепцию сборки, то есть стратегию соединения различных компонентов вместе в единый узел. «Этого удалось добиться за счет сочетания надежной фиксации, зажима и склеивания», — сообщает Кемпер.
Двойная щель позволяет спектрометру выполнять более точный и широкий анализ света.
Особая конструкция спектрометра FLORIS с двойной щелью дает решающее преимущество для целей миссии FLEX: «Двойная щель позволяет работать в спектрометре с двумя каналами: один для высокого разрешения, другой для низкого разрешения». — говорит Фальк Кемпер.
Канал высокого разрешения может обнаруживать мельчайшие различия в длинах волн света, а канал низкого разрешения может захватывать более широкие области светового спектра. Сочетание обоих каналов позволяет провести более полный анализ света и, следовательно, детальный анализ растительности.
Миссия FLEX по мониторингу данных о растительности на Земле
Миссия FLuorescent Explorer, запуск которой запланирован на 2025 год, предоставит глобальные карты флуоресценции растений, то есть излучения света растениями. Эти данные предназначены для предоставления информации о фотосинтетической активности, а также о здоровье и стрессе растений.
Такие данные важны не только для лучшего понимания глобального углеродного цикла, но также для сельского хозяйства и будущей продовольственной безопасности в контексте растущего населения мира. До сих пор не удалось измерить фотосинтетическую активность растений из космоса.
Информация от: Fraunhofer-Gesellschaft
