Դիմադրություն՝ ի՞նչն է օպտիկան երկարակեց դարձնում

Ջերմային կայուն օպտիկական նյութեր՝ դիմադրուն դիզայնի հիմքը

Ջերմային կայուն օպտիկական նյութերը կարևոր են ծայրահեղ ջերմաստիճանային փոփոխություններ ունեցող պայմաններում աշխատանքի կայունություն ապահովելու համար, ինչպիսիք են տիեզերական աստղադիտակները և բարձր հզորության լազերային համակարգերը։ Այս նյութերը կանխում են դեֆորմացիան, անհամատեղելիությունը և վատթարացումը ջերմային լարվածության պայմաններում՝ ապահովելով երկարաժամկետ կայունություն։

Zerodur-ի և արտակարգ ցածր ընդլայնման (ULE) ապակու դերը ջերմային դեֆորմացիայի նվազագույնի հասցնելու գործում

Zerodur®-ը և ULE ապակին ունեն 0,05 × 10⁻⁶ Կելվինի սահմաններում ջերմային ձգում, ինչը նշանակում է, որ ջերմաստիճանի փոփոխության դեպքում դրանց չափսերը գրեթե չեն փոխվում: Այս տեսակի կայունությունը շատ կարևոր է օպտիկական համակարգերում, քանի որ նույնիսկ նանոմետրային մակարդակի փոքրագույն շարժումները կարող են խանգարել սարքերի աշխատանքին: Ըստ 2023 թվականի արդյունաբերական զեկույցի, այս նյութերից պատրաստված սարքավորումները պահպանել են ալիքային ճակատի ճշգրտությունը λ/20 ստանդարտների սահմաններում՝ 150 աստիճան Ցելսիուսով ջերմաստիճանի սրտաճառագայթ փոփոխությունների ենթարկվելուց հետո: Ուստի էլ դրանք շատ հաճախ օգտագործվում են արբանյակների լուսանկարման համակարգերում և համակարգիչների միկրոսխեմաներ արտադրելու համար նախատեսված բարձր ճշգրտությամբ սարքերում, որտեղ ճշգրիտ ստանդարտների պահպանումը կենսական կարևորություն ունի:

Սիլիցիումի կարբիդ (SiC)՝ որպես բարձր կայունությամբ ստորակարգ արհեստական միջավայրերի համար

Սիլիցիումի կարբիդը ունի իսկապես հիանալի ջերմահաղորդականության հատկություններ՝ մոտ 4 անգամ ավելի լավ, քան ալյումինը: Ավելացնելով այս ամենին՝ այն ունի նաև բավականին լավ ջերմային ձգումականության գործակից՝ մոտ 4,3 × 10-6 Կելվինի վրա: Պրակտիկայում սա նշանակում է, որ սիլիցիումի կարբիդից պատրաստված մասերից ջերմությունը արագ տարածվում է, ինչը օգնում է պահպանել սառը միջավայր՝ առանց ստեղծելու այն չարաշահված ջերմային գրադիենտները, որոնք հանգեցնում են տարբեր մեխանիկական լարվածության խնդիրների: Վերցրեք Եվրոպական տիեզերական գործակալության «Սոլյար Օրբիթեր»-ի օրինակը: Այդ տիեզերանավի հայելիները պատրաստված էին սիլիցիումի կարբիդի տեխնոլոգիայով և հիանալի աշխատում էին, նույնիսկ երբ ենթարկվում էին ինտենսիվ արևային ճառագայթման՝ հասնելով մինչև 10 մեգավատտ քառակուսի մետրի վրա: Գործողության ընթացքում կորուստների կամ արդյունավետության անկման որևէ նշան չի դիտվել, ուստի կարող ենք անվտանգ ասել, որ սիլիցիումի կարբիդը հիանալի է աշխատում ինչպես տիեզերական առաքելություններում, այնպես էլ արդյունաբերական շատ կայաններում, որտեղ հաճախ են հանդիպում ծայրահեղ պայմաններ:

Օպտիկական սուբստրատներում ջերմային ընդլայնման գործակիցների համեմատական վերլուծություն

Ուսումնասիրության դեպք՝ Ջեյմս Ուեբի տիեզերական ակումբի հայելու համակարգում ջերմային կայունություն

Ջեյմս Ուեբի տիեզերական աստղադիտակն ունի 6,5 մետրանոց հսկայական հիմնական հայելի՝ պատրաստված բերիլիումե կտորներից, որոնք պատված են ընդամենը 48 գրամ ոսկով: Այս պատվածքը պատահական նշանակություն չուներ՝ ինժեներները հենց ոսկին են ընտրել, քանի որ այն շատ լավ է աշխատում -240 աստիճան Ցելսիուսին մոտ այդ սառը ջերմաստիճանների դեպքում, որտեղ աշխատում է աստղադիտակը: Սակայն այն, ինչը իսկապես առանձնանում է, այն է, թե ինչպես էին նրանք պահում ամեն ինչ հարթակված: Բազակի կառուցվածքը օգտագործում է այն, ինչը կոչվում է ULE ապակի՝ հատուկ ջերմային կառավարման համակարգերի հետ միասին, որոնք ամեն ինչ հարթակում են 25 նանոմետրի սահմաններում: Իրականում սա մոտ 150 անգամ ավելի լավ է, քան Հաբլը կարող էր անել այն ժամանակ: Նաև շատ տպավորիչ էին իրական աշխարհում փորձարկումները արձակման հետո: Նույնիսկ այն դեպքում, երբ ջերմաստիճանները փոփոխվում են 80 հազար Կելվինով, աստղադիտակը շարունակում է պահպանել իր կենտրոնացումը՝ աղավաղման 1%-ից պակասով: Դա իսկապես հիանալի ապացույց է, որ այդ ուշադիր նյութերի ընտրությունը վերջնականապես արդյունք տվեց:

Ճառագայթման դիմադրող և աղտոտման դիմադրող պատվածքներ երկարաժամկետ տևողականության համար

Անօրգանական դիէլեկտրիկ ծածկույթներ՝ HfO2, Al2O3 և SiO2 ճառագայթման բարձր ինտենսիվությամբ կիրառություններում

Հաֆնիումի երկօքսիդ (HfO2), ալյումինի երկօքսիդ (Al2O3) և սիլիցիումի երկօքսիդ (SiO2) նման նյութերից պատրաստված ծածկույթները հիանալի դիմադրում են գամմա ճառագայթմանը, էլեկտրոնային փունջներին և նույնիսկ կոսմիկ ճառագայթներին: Ֆանի և նրա գործընկերների կողմից 2024 թվականին հրապարակված ուսումնասիրությունը ցույց է տվել, որ HfO2-ն պահպանում է իր արտացոլման մոտ 98%-ը, նույնիսկ երբ ենթարկվում է մեկ միլիոն ռադ գամմա ճառագայթման: Այս անօրգանական դիէլեկտրիկների դիմացկունության գաղտնիքը թաքնված է դրանց բյուրեղային կառուցվածքում, որը դիմադրում է սխալներին: Մինչդեռ փորձարկումները ցույց են տվել, որ սիլիցիումի երկօքսիդը նույնպես ունի աննշան մաշվածության ցուցանիշներ, որտեղ նկատվել է 100 ժամվա ընթացքում սիմուլյացված Երկրի ցածր ուղեծրի պայմաններում մակերևույթի 0,01%-ից պակաս վնասվածք: Այս տեսակի դիմացկունությունն է պատճառը, որ տիեզերական գործակալություններն ու արբանյակների արտադրողները շարունակում են դիմել այս նյութերին իրենց սարքերի կարևորագույն մասերի համար:

Ցածր գազազատմամբ սեղմակներ և կնքված համակարգեր՝ վակուումում և տիեզերքում արտանետումները կանխելու համար

Խնդիրը սովորական թաղանթների հետ վակուումային պայմաններում այն է, որ դրանք միտում ունեն արտանետել գազեր, որոնք առաջացնում են խտացման խնդիրներ և մառախուղային բծեր այն նուրբ օպտիկական մասերի վրա, որոնց վրա մենք այնքան շատ հիմնվում ենք։ Բախտաբերաբար, նոր սիլիկոնային տարբերակները իրականում բարելավվել են գազաներկայացման վերահսկման հարցում։ Այս առաջադեմ նյութերը հասնում են մոտ 0,05% ընդհանուր զանգվածի կորստի դժվարին չափանիշի՝ համաձայն ASTM E595 փորձարկման ստանդարտների, ինչը մոտ քսան անգամ ավելի լավ է, քան ինչը առաջարկում են շատ ստանդարտ էպոքսիդային արտադրանքները։ Այս բարելավված թաղանթները զուգակցելով ոսկու և կապարի համաձուլվածքների կիրառմամբ ճիշտ կնքման տեխնիկաների հետ, արտադրողները ստանում են իրոք հիանալի արդյունք։ Այսպիսի համակարգերը պահում են աղտոտվածությունը միլիոնից մեկից ցածր նույնիսկ այն բանից հետո, երբ հանդուրժել են հազարավոր ջերմաստիճանային տատանումներ՝ մինուս 173 աստիճան Ցելսիուսից մինչև պլյուս 125 աստիճան Ցելսիուս։ Այդպիսի կարողությունները նշանակում են ավելի պարզ օպտիկա և ավելի երկար կյանք ծայրահեղ պայմաններում աշխատող սարքավորումների համար։

Նյութի դիմադրությունը խոնավությանը, քիմիական նյութերին և չափազանց ՈՒՖ ազդեցությանը

Երկրային օպտիկական համակարգերը շրջակա միջավայրի մի շարք բարդ մարտահրավերների են ենթարկվում: Դրանք պետք է դիմանան աղի ցրտին՝ համաձայն ASTM B117 ստանդարտների, աշխատեն թթվային պայմաններում և կենդանի մնան ՈՒՖ լույսի տակ 280-ից մինչև 320 նանոմետր երկարությամբ ալիքների ժամանակահատվածում: Al2O3 ծածկույթները այդ պայմաններում արտառոց արդյունքներ են ցուցաբերում: 95%-ի խոնավության մեջ 1000 ժամ գտնվելուց հետո այդ ծածկույթների թափանցելիությունը նվազում է կես տոկոսից պակաս: Իրականում, սա մոտ 30%-ով լավագույն ցուցանիշ է նախկինում հաճախ օգտագործվող ցինկի սուլֆիդի տարբերակների համեմատ: Ինչն է դրանց այդքան դիմացկուն դարձնում։ Գաղտնիքը գտնվում է դրանց ուժեղ քիմիական կապերում, որոնք հեշտությամբ չեն քայքայվում ջրի կամ արևի ազդեցությամբ: Սա նշանակում է, որ դրանք շատ ավելի երկար են տևում այն տեղերում, որտեղ սարքավորումները տառապում են ծովային օդից, ավազաթափություններից կամ արդյունաբերական աղտոտող նյութերից:

Մեխանիկական ամրություն. գծային դիմադրություն, ամրություն և շրջակա միջավայրի փորձարկում

Պահանջվող միջավայրերում հուսալի օպտիկական համակարգերը կախված են գծային դիմադրությունից, ճեղքվածքների դիմադրությունից և խիստ շրջակա միջավայրի ստուգումից: Այս գործոնները ապահովում են ավիատիզեքտուրային, պաշտպանական և դաշտային տեղակայված զգայուն կիրառումներում գոյատևում:

Նյութի ընտրություն երկարակեցության համար՝ կոշտություն, դիմադրություն և մակերեւույթի մշակում

Երբ գործ ունենք մաշվածության դիմադրող նյութերի հետ, սովորաբար դիտարկում ենք այնպիսի նյութեր, որոնց Վիկերսի կարծրության ցուցանիշը գերազանցում է 300 HV-ն: Սիլիցիումի կարբիդը այսպիսի նյութերից մեկն է, որը լավ համապատասխանում է այս պահանջներին: Մյուս կարևոր գործոնը ճեղքվածքի կայունությունն է, որը պետք է գերազանցի 3 MPa√m-ը՝ հարվածային վնասվածքներից հետո ճեղքերի տարածումը կանխելու համար: Վերցրեք, օրինակ, հալված սիլիցիումը: Այս նյութը կարողանում է հասնել մոտ 550 HV կարծրության՝ պահպանելով բավարար կայունություն՝ մոտ 0,8 MPa√m: Դա այն հատկությունն է, որը այն շատ լավ դարձնում է օդանավերի պատուհանների նման տեղերում, որտեղ կարևոր է ինչպես ամրությունը, այնպես էլ թափանցիկությունը: Եվ եկեք մի մոռանանք նաև մակերևույթի մշակման մասին: Երբ արտադրողները մշակում են այս մակերևույթները՝ նվազեցնելով 1 նանոմետրից պակաս RMS խոտրթվածություն, նրանք իրականում նվազեցնում են գծերի առաջացումը մոտ 75%-ով՝ համեմատած սովորական մշակման մեթոդների հետ: Բավականին հասկանալի է, թե ինչու է այդքան շատ բարձր կարողություններ ունեցող կիրառություններ հիմնվում այս տեսակի մշակման վրա:

Մեխանիկական և շրջակա միջավայրի դիմադրության համար ստանդարտացված փորձարկման ստանդարտներ

Օպտիկական բաղադրիչների տեղակայման համար դրանք պետք է անցնեն ստանդարտացված փորձարկումներ՝ սիմուլյացնելով ծայրահեղ պայմաններ.

• 500+ ջերմային ցիկլեր (-173°C-ից +125°C)
• 100 G մեխանիկական շոկեր
• 200 ժամ աղի մառության ազդեցություն

Այս չափանիշներին համապատասխանող բաղադրիչները պահպանում են 99,2% արտացոլման կոэֆիցիենտը 10 տարի տևող սիմուլյացված առաքելությունից հետո: Օրինակ՝ Մարսի «Փառք» ավտոմատի ՍուպերԿամերայի լազերը գերազանցել է NASA-ի MSL-ICE-023 փոշու դիմադրության ստանդարտը 40%-ով, թույլ տալով անընդհատ աշխատանք Մարսի փոշու փոթորիկների ընթացքում՝ 900 սոլի ընթացքում:

Հաջորդ սերնդի դիմացկուն օպտիկա. մետաօպտիկա և նանոֆոտոնիկայի առաջընթաց

Մետաօպտիկա կոմպակտ, բազմաֆունկցիոն և շրջակա միջավայրի նկատմամբ կայուն համակարգերի համար

Մետաօպտիկան աշխատում է՝ օգտագործելով նանոստրուկտուրային մակերեսներ՝ փոխարենը այն մեծ ռեֆրակտիվ տարրերի, որոնց վրա մենք հիմնվում էինք դարեր շարունակ: Սա հնարավորություն է տալիս ստեղծել համարյա թարթիչ սարքեր, որոնք կարող են միաժամանակ կատարել բազմաթիվ գործառույթներ: AI-ով նախագծված մետամակերեսները օպտիկական աբեռացիաները պահում են 0,05 լամբդա RMS-ի սահմաններում, ինչը բավականին տպավորիչ է: Ավելին, նրանք կայուն մնում են նաև այն դեպքում, երբ ջերմաստիճանը տատանվում է -200°C-ից մինչև 300°C: Սիլիցիումի նիտրիդի կամ տիտանի դիօքսիդի նման նյութերում պատրաստված այս փոքրիկ կառուցվածքները բևեռացման կառավարումն ու սպեկտրալ ֆիլտրումը տեղավորում են մեկ միլիմետրից պատառ շերտերում: Եվ հիմա ամենահրաշալինը. ըստ JPL-ի 2023 թվականին կատարված վերջին ուսումնասիրության՝ այս մետաօպտիկական օբյեկտիվները պահպանել են 98% արդյունավետությունը՝ 1000 ջերմային ցիկլներից հետո: Այս տեսակի հարմարավետությունը դրանց համար հավակնողական դարձնում է իրական կիրառությունների համար ինչպես տիեզերական հետազոտություններում, այնպես էլ արդյունաբերական միջավայրերում:

Նանոֆոտոնային Կառուցվածքներ՝ Բարելավված Մեխանիկական և Ջերմային Կայունությամբ

Նանոֆոտոնիկայի ոլորտը շնորհիվ հեքսագոնալ բորոն նիտրիդի (h-BN) նման նյութերի բաղադրիչների համար ապահովում է ավելի երկար ծառայողական ժամկետ: Այս նյութը կարող է դիմակայել անհավանական ճնշման՝ մոտ 18 գիգապասկալ, մինչդեռ տաքացման ժամանակ գրեթե ընդարձակվում է: Վերջերս կատարված մշակումները ցույց են տվել, որ հատուկ ֆոտոնային բյուրեղային խոռոչները վակուումային պայմաններում հասնում են մեխանիկական որակի գործոնի՝ մեկ միլիոնից ավել, ինչը տասն անգամ ավելի լավ է, քան սովորական ռեզոնատորները: Որոշ հետազոտողներ նույնիսկ կիրառել են խորը ուսուցման մեթոդներ՝ պարզելու համար, թե ինչպես է լարվածությունը տարածվում սիլիցիումի կարբիդի նանոշառավահանների վրա: Արդյունքը՝ ճեղքերի խնդիրների կտրուկ իջում՝ մոտավորապես երեք քառորդով: Բոլոր այս նվաճումները նշանակում են, որ օպտիկական սարքերը հիմա կարող են դիմակայել 500g-ի հարվածներին և շարունակական աշխատել 40 վատտ/սմ² ինտենսիվությամբ լազերային փունջերի տակ: Այդպիսի կարողությունները համապատասխանում են MIL-STD-810H ստանդարտներին, ուստի դրանք հիանալի աշխատում են ռազմական սարքավորումների և այլ դժվար պայմանների համար, որտեղ հուսալիությունը ամենակարևորն է:

Դիմադրուն օպտիկայի իրական կիրառությունները ծայրահեղ միջավայրերում

Մարսի ռովերներ. փոշուց, ճառագայթումից և ծայրահեղ ջերմաստիճանային ցիկլերից կենդանի մնալը

NASA-ի «Փերսիվերանս» ռովերին պետք է լինի ամուր օպտիկական սարքավորում, որպեսզի կենդանի մնա Մարսի վրա, որը արեգակնային համակարգում տեխնիկայի համար ամենավատ վայրերից մեկն է: Mastcam-Z լուսանկարչական համակարգն օգտագործում է HfO2-ով պատրաստված հատուկ ծածկույթներ, որոնք դիմադրում են ճառագայթմանը, ինչպես նաև սափիրի օբյեկտիվներ, որոնք ամբողջովին կնքված են փոշուց պաշտպանվելու համար: Այս օբյեկտիվները նաև դիմադրում են ջերմաստիճանի ծայրահեղ փոփոխություններին՝ մինուս 130 աստիճանից մինչև 30 աստիճան Չելսիուս, առանց ձևի կորության կամ վնասվելու: Բոլոր այս բարելավումները նշանակում են, որ լուսանկարչական սարքերը աշխատում են մոտ չորս անգամ ավելի երկար, քան նախորդ առաքելություններում եղածները: Այս երկարացված կյանքի շնորհիվ գիտնականները կարող են Մարսի ամբողջ սեզոնների ընթացքում անցկացնել մանրամասն երկրաբանական ուսումնասիրություններ՝ առանց շտապելու դիտարկումներ իրականացնելու սարքավորումների ձախողման պատճառով:

Ջեյմս Ուեբի տիեզերական աստղադիտակ՝ երկարակեցությանը ուղղված օպտիկական ինժեներիայի համար հիմնարար նշաձող

Ջեյմս Ուեբի տիեզերական աստղադիտակի գլխավոր հայելին կազմված է բերիլիումի մասերից, որոնք պատված են ոսկով և միասին են պահվում ULE ապակու միջոցով: Չնայած տիեզերքում այն ենթարկվում է կոսմիկ ճառագայթման և սառը ջերմաստիճանների, այն պահպանում է իր ձևը մինչև ամենափոքր մանրամասները: Նույնիսկ երկու տարիից ավել ուղեծրով շրջելուց հետո այն մանր մետեորոիդների հարվածներից գրեթե չի տուժել՝ ամբողջ հայելու մակերևույթի վրա առաջացնելով 12 նանոմետրից պակաս դեֆորմացիա, ինչը իրականում շատ լավ ցուցանիշ է՝ հաշվի առնելով, թե որքան զգայուն պետք է լինեն այս սարքերը: Այս հիանալի տևողականության շնորհիվ գիտնականները հիմա կարող են տեսնել տիեզերքի ավելի խորը շերտերը, քան երբևէ նախկինում՝ օգտագործելով ինֆրակարմիր լույս, և թվում է, թե այս աստղադիտակը կարող է ավելի երկար գոյատևել, քան սկզբում են կարծել նրա կառուցման ժամանակ՝ Երկրի վրա:

Երկրային կիրառություններ՝ ճառագայթման դիմադրուն օպտիկա միջուկային և պաշտպանական համակարգերում

Երբ խոսքը ատոմակայանների վերահսկման մասին է, ցիրկոնիով լցված սիլիցիումի օպտիկական տարրերը կարող են դիմակայել մոտ 1 միլիոն Գրեյ ճառագայթման՝ մինչև սկսեն մթնել, ինչը դրանք դարձնում է մոտ 80 անգամ ավելի դիմացկուն, քան այսօր հասանելի սովորական ապակու տարբերակները: 2024 թվականի ընթացքում կատարված փորձարկումները ցույց տվեցին, որ այս նյութերը պահպանում են մոտ 92 տոկոս լույսի անցկացման հնարավորությունը՝ նույնիսկ 5000 ժամ անցկացնելուց հետո CANDU ռեակտորի պայմաններում: Արդյունաբերությունը այս հատուկ օպտիկական տարրերը ընդունել է որպես նոր սերնդի ռեակտորների կառուցվածքներում օգտագործվող իրական ժամանակում նեյտրոնային հոսքը չափող համակարգերի հիմնական բաղադրիչներ: Այս չափումներից ստացված հստակ սիգնալներ պահպանելը կարևոր է ոչ միայն շահագործման հարթ ընթացքի համար, այլ նաև բոլոր շահագործման պարամետրերում կայանի ընդհանուր անվտանգությունն ապահովելու համար:

Հաճախ տրամադրվող հարցեր

Որո՞նք են ջերմային կայուն օպտիկական նյութերը

Ջերմային կայուն օպտիկական նյութերը նախագծված են այնպես, որ պահպանեն իրենց աշխատանքային բնութագրերը՝ չնայած ջերմաստիճանի սահմանափակ փոփոխություններին, կանխելով դեֆորմացիան և վատթարացումը:

Ինչու՞ է Zerodur-ը և ULE ապակին կարևոր օպտիկական համակարգերում:

Zerodur-ը և ULE ապակին ունեն արտակարգապես ցածր ջերմային ձգվելու աստիճան, ինչը դրանք դարձնում է իդեալական կիրառման համար այն դեպքերում, երբ կարևոր է պահպանել հարթվածությունը և ճշգրտությունը, ինչպես օրինակ՝ արբանյակային լուսանկարչությունը և միկրոսխեմաների արտադրությունը:

Ինչպե՞ս է կարբիդ սիլիցիումը օգտակար լինում ծայրահեղ պայմաններում կիրառման դեպքում:

Կարբիդ սիլիցիումը հայտնի է իր բարձր ջերմահաղորդականությամբ և դիմացկունությամբ բարձր ջերմաստիճաններին և ճառագայթմանը ենթարկվող միջավայրերում, ինչը դարձնում է այն նախընտրելի ընտրություն տիեզերական առաքելությունների և արդյունաբերական կիրառությունների համար:

Ինչ դեր են խաղում ծածկույթները օպտիկական համակարգերի դիմացկունության մեջ:

Անօրգանական դիէլեկտրիկ ծածկույթները, ինչպիսիք են HfO2-ն, Al2O3-ն և SiO2-ն, պաշտպանում են օպտիկական համակարգերը ճառագայթումից և շրջակա միջավայրի մաշվածությունից, երկարաձգելով դրանց կյանքի տևողությունը և բարելավելով աշխատանքային բնութագրերը: