Araştırmacılar Einstein teleskopu için cam sensörler geliştirir

2035’ten itibaren Einstein teleskopu, benzeri görülmemiş bir doğrulukla yerçekimi dalgalarını inceleyebilecek. Teleskop için, Jena araştırmacıları ilk kez tamamen camdan yapılmış oldukça hassas sensörler ürettiler.

Yerçekimi dalgaları, kara deliklerin çarpışması gibi aşırı astrofizik olayların neden olduğu uzay-zaman bozulmalarıdır. Bu dalgalar ışık hızında yayılır ve evrendeki bu tür olaylar hakkında değerli bilgiler taşır. Gelecekte, Einstein teleskop bu dalgaları eşi görülmemiş bir hassasiyetle ölçecek ve bu da onu yerçekimi dalgalarını tespit etmek için dünya lideri bir enstrüman haline getirecektir.

Gürültünün ölçümler üzerindeki etkisini en aza indirmek için teleskop yeraltına 300 metreye kadar inşa edilecektir. Ancak orada bile, örneğin uzak depremler veya yer üstünde yol trafiğinin neden olduğu mekanik titreşimler var. Son derece hassas titreşim sensörleri kalan bu titreşimleri ölçecektir.

Jena’daki Fraunhofer Uygulamalı Optik ve Hassas Mühendislik Enstitüsü’nden araştırmacılar, Max Planck Yerçekimi Fizik Enstitüsü Hanover (Albert Einstein Enstitüsü AEI) ile işbirliği içinde Einstein Teleskopu için bu titreşim sensörlerini geliştirdi ve inşa etti.

Tamamen silika camdan yapılmış titreşim sensörleri için rezonatör

“Böyle bir titreşim sensörü iki çekirdek bileşenden oluşur: hareketli bir rezonatör ve rezonatörün hareketini okuyan bir lazer.” Rezonatör Jena’da inşa edildi ve lazer Hanover’a eklendi. “Mekanik rezonatör, sensörün titreşimleri ortamdan bir ayar çatalına benzer şekilde ölçülebilir bir harekete dönüştüren kısmıdır.”

Fraunhofer IOF’daki araştırmacılar daha önce hiç görülmemiş bir şey yarattılar: saf silika camdan yapılmış bir telkari mekanik rezonatör (>% 99.8 SIO2). 15 Hertz düşük doğal frekansını yüksek kaliteli bir faktör (> 100.000) ve sadece 5 santimetre çapında kompakt bir boyutla birleştirir.

“Gelecekte, titreşim sensörleri Einstein teleskopunun yerçekimi dalga dedektörlerindeki yaklaşık 200 kilogram aynaların hemen yakınına yerleştirilecek.” Ayna başına üç sensör olacaktır. “Rezonatörlerimiz sayesinde, sensörlerin hassasiyeti o kadar yüksek olacak ki, teleskopun yerinden prospektif olarak 200 kilometre uzakta olan, sismik spektrumlardaki zirveler olarak görülebilen Atlantik Okyanusu’nun su dalgalarını yapabilecekler.”

Karmaşık Sensör Gereksinimleri: Cam çözümdür

Rezonatörlerin tamamen camdan yapılması, sensör için karmaşık gereksinimlerden kaynaklanmaktadır. Birikigt, “Einstein teleskopundaki sensörler için çok az alan var.” “Aynı zamanda, sensörler özellikle güçlü olmalı.” Sadece bir malzeme olarak cam ile kompaktlık ve düşük doğal frekans gereksinimleri yüksek hassasiyetle birleştirilebilir. Bunun nedeni, rezonatörün içindeki yaprak yaylarıdır.

Yaprak yayları rezonatörün kalbidir. Düşük doğal frekansını, yani sistemin titreşimlere tepki vermeye başladığı frekansını etkinleştirirler. Bu gereklidir, çünkü Einstein teleskop 3 ila 30 Hertz aralığında düşük frekanslı dalgaları ölçmek istiyor. “Bunu mümkün kılmak için iki teknik seçenek var,” diye açıklıyor Birkigt. “Dış titreşimlere reaksiyona giren rezonatörün içine büyük bir test kütlesi kurulur ya da yaprak yayları olarak bilinen uzun, elastik olarak deformasyonlu bükülme kirişleri test kütlesine tutturulur.

Sensörün gerekli kompaktlığı nedeniyle büyük bir test kütlesi mümkün değildir. Bu yüzden tek çözüm, araştırmacıların camdan yaptıkları yaprak yaylarını kullanmaktı: “Cam, özellikle yüksek sertliği ile karakterize edilen bir malzemedir” diye açıklıyor Birkigt. “Pratik olarak plastik deformasyon göstermez. Bu nedenle camdan kağıt ince yaprak yayları üretmek mümkündür.”

Bu durumda, kağıt ince, tek bir yayının 0.1 milimetre kalınlığında, 7 santimetre uzunluğunda ve sadece 34 miligram ağırlığında olduğu anlamına gelir. Toplam altı bu tür yay, 3 gram test kütlesini stabil bir şekilde tutar ve rezonatörün içinde hizalanır.

Cam rezonatörünün üretimi için özel bağlama işlemi

Böyle hassas ama güçlü bir rezonatörün üretimi karmaşık bir süreçtir. Freze ve parlatma işlerinin yanı sıra lazer işleme yöntemlerini de içerir. Ayrıca, rezonatörün cam yüzeyleri arasında atomik düzeyde bir bağ oluşturmak için plazma ile aktifleştirilen özel bir bağlama işlemi kullanılır.

Projedeki cam bileşeninin üretimi için bağlanma süreçlerinden özel olarak sorumlu olan Birikigt, “Bundan sonra, iki ayrı parça kalıcı, birim,” diye açıklıyor. “Bu, rezonatörü son derece kararlı ve hassas hale getiriyor.”

Fraunhofer IOF’deki araştırmacılar, gelecekte herhangi bir ek ara katman olmadan cam birleştirme yöntemi daha da geliştirmek istiyorlar. Amaçları daha karmaşık, üç boyutlu yapılar yaratmaktır.

Uzay ve yarı iletken üretimi için uygulama potansiyeli

Gelecekte, yeni cam rezonatörler, sistemlerin bir dizi kompakt hızlanma veya konum sensörü ile izlenmesi gereken her yerde kullanılabilir. Yerçekimi dalgası araştırmalarına ek olarak, örneğin yörüngelerini belirlemek, Dünya’nın yüzeyini veya atalet navigasyonunu ölçmek için uydular için geçerlidir. Rezonatörler ayrıca yarı iletkenlerin işlenmesi için atomik interferometrelerin ve EUV litografi sistemlerinde ölçüm doğruluğunu artırmak için de kullanılabilir.