Алюминиевые фильтры экстремального ультрафиолетового диапазона с защитными покрытиями из дисилицида молибдена

Солнце является уникальным астрофизическим объектом – единственной звездой, которую можно изучать с высоким пространственным и временным разрешением. Это позволяет получать данные о физических процессах, происходящих в ее глубинах и на поверхности. Механизмы нагрева солнечной короны, ускорение солнечного ветра, природа солнечных вспышек и циклов солнечной активности до настоящего времени остаются нерешенными проблемами фундаментальной астрофизики. По этой причине исследование короны Солнца – одно из важнейших направлений современных астрофизических исследований.

В исследованиях солнечной короны особо интересен экстремальный ультрафиолетовый диапазон (ЭУФ, длины волн 10–60 нм), поскольку основная часть излучения короны формируется линиями многозарядных ионов с электронными температурами возбуждения 104–107К, которые лежат в указанном спектральном диапазоне. Так как атмосфера Земли не прозрачна для излучения этого диапазона, то для проведения наблюдений телескопы экстремального ультрафиолетового излучения выводятся в космос.

Одним из ключевых элементов солнечных ЭУФ телескопов является спектральный тонкопленочный фильтр, который пропускает излучение в рабочем диапазоне длин волн и существенно подавляет излучение Солнца в видимом и инфракрасном (ИК) диапазонах. Необходимость такой фильтрации связана с чувствительностью детектора (обычно это ПЗС матрица) к излучению видимого и ИК диапазона, интенсивность которых на много порядков выше, чем в ЭУФ диапазоне.

Чтобы обеспечить высокую степень блокирования видимого и ИК излучения и одновременно иметь приемлемое пропускание в ЭУФ диапазоне, в качестве фильтров используют тонкие (толщиной около 150 нм) металлические свободновисящие пленки. За свою широкую полосу пропускания (17–60 нм) в рабочей области спектра наиболее широкое применение получил тонкопленочный алюминиевый (Al) фильтр.

Пленки такой толщины очень хрупки и, чтобы выдержать старт ракеты, сопровождающийся акустическими и вибрационными нагрузками, пленочный фильтр укрепляют, используя поддерживающую сетку. Сетку стараются сделать с достаточно большим шагом, чтобы перемычки и возникающая на периодической структуре сетки дифракция как можно меньше влияли на получаемое изображение. С другой стороны, большую по площади ячейку сетки легче повредить, а разрушенная ячейка фильтра неизбежно ведет к паразитной засветке детектора и, по сути, выходу телескопа из строя. Таким образом, размер ячейки сетки – это компромисс между надежностью фильтра и негативным влиянием поддерживающей сетки на изображение.

В Институте физики микроструктур Российской академии наук – филиале Федерального исследовательского центра Института прикладной физики РАН было предложено модифицировать алюминиевый пленочный фильтр путем добавления тонких (толщиной около 3 нм) двухсторонних покрытий из дисилицида молибдена (MoSi2). Наличие нанометровых покрытий, конечно, несколько снизило коэффициент пропускания в ЭУФ диапазоне, однако позволило улучшить другие характеристики Al фильтра.

Выбор материала покрытий связан с еще одной проблемой, касающейся алюминиевых фильтров. Дело в том, что на поверхности алюминиевой пленки при нахождении на воздухе со временем растет слой окисла, который заметно снижает прозрачность пленки в ЭУФ диапазоне. Даже в космических условиях, несмотря на низкую концентрацию кислорода, происходит медленное снижение пропускания входного фильтра, а с учетом того что миссия длится годами (обычно 5–7 лет), снижение оказывается существенным. Применение двухсторонних покрытий из MoSi2 – материала, устойчивого к окислению, позволило повысить стойкость к окислению и тем самым улучшить временну́ю стабильность оптических характеристик Al фильтра.

Кроме того, оказалось, что наличие двухсторонних покрытий MoSi2 толщиной всего 3 нм увеличивает прочность пленки в полтора раза. Такое упрочнение вызвано по-видимому тем, что наличие MoSi2 покрытий препятствует зарождению и слиянию микротрещин на поверхности алюминиевой пленки. Проведенные акустические испытания Al фильтра с MoSi2 покрытиями на установке УА-1-0,12/135, имитирующей условия, наблюдающиеся при взлете ракеты, показали, что возможно использование такого фильтра на поддерживающей сетки с шагом ячейки 10 мм, что в два раза больше чем все ранее использовавшиеся (см. рисунок).

Фотография тонкопленочного фильтра Al с MoSi2 покрытиями на медной сетке с шагом 2.5, 5, 10 и 20 мм после акустических испытаний (белый шум 143.2 Дб, воздействие в течение 1 минуты). Повреждена только одна квадратная ячейка с размером 20 мм.

Авторский коллектив: Лопатин А. Я., Лучин В. И., Зуев С. Ю., Салащенко Н. Н., Цыбин Н. Н., Чхало Н. И.

N. I. Chkhalo, S. V. Kuzin, A. Ya. Lopatin, V. I. Luchin, N. N. Salashchenko, S. Yu. Zuev, N. N. Tsybin. Improving the optical and mechanical characteristics of aluminum thin-film filters by adding thin cap layers // Thin Solid Films. 2018. V. 653. P.359–364. DOI: 10.1016/j.tsf.2018.03.051