Создание макета космического атомно-силового микроскопа для исследования в области «НАНО»
  • 24 дня

    время исследования
  • 4 макета

    было выполнено
  • 6 участников

    принимали участие
Наши партнеры

Проблема и актуальность

В конце июня 2023 года в космос был запущен спутник «Нанозонд-1» с первым в мире сканирующим зондовым микроскопом для открытого космоса (СММ-2000С). Эта инновационная разработка, действующая в режиме туннельного сканирования, велась с 2021 года учеными и сотрудниками НИУ «МИЭТ», зеленоградского завода ПРОТОН, ОГУ имени И.С. Тургенева, с посильной помощью участников программы «Большие вызовы».

Этот микроскоп создан для двух важных задач, которые решаются впервые в мире: изучения стойкости материалов космических кораблей к воздействию ионов солнечного ветра, а также для исследования, на каких орбитах нет облаков пыли, возникающей от столкновения старых неуправляемых спутников и их частей между собой. Ведь даже маленькие частицы микро- и наноразмеров из-за больших скоростей могут повреждать обшивку космических кораблей.

В настоящее время «Нанозонд-1» находится в космосе и успешно передает данные на Землю. Уже получено много информации. Однако ученые решили еще усовершенствовать космический зондовый микроскоп – значительно увеличить его способность к обнаружению пыли.

Чтобы определить содержание даже небольшого количества частиц, мы решили в миллионы раз увеличить площадь сканирования “зеркала”, на которое падает пыль и которое анализирует зондовый микроскоп. Вплоть до 40/40 мм с нынешних 10/10 мкм. Это сложная задача, трудно решаемая с помощью зондовых микроскопов, тем более предназначенных для нескольких лет автономной работы в космосе – со стойкостью к ускорениям до 50G при запуске и с потребляемой мощностью не более 1 Вт от солнечных батарей спутника.

— руководитель проекта, заведующий лабораторией МИЭТ и ведущий конструктор АО «Завод ПРОТОН» Борис Логинов

Цель:
Разработать космический зондовый микроскоп с сильно увеличенным полем сканирования зеркала для большей вероятности попадания пылинок на область сканирования
Задачи:
- Смоделировать разрабатываемые нами новые принципы сканирования созданием макетов
- Проверить на макетах работу этих принципов и по работе сканирования, и по стойкости к космическим перегрузкам
- Создать модель в масштабе 1:1 для визуального представления лётной версии нового микроскопа-спутника

Выбор принципа сканирования
Из известных нам малогабаритных приборов сканирования больших областей с нанометровой точностью выделяется профилометр. Выпускаемый у нас в России он на длине 40 мм алмазной иглой снимает профиль, на котором видны частицы высотой до 10 нм и латеральным размером до 1 мкм. Если улучшить точность по высоте и латерали, и прибавить вторую координату сканирования для набора кадров из таких строк – профилей, то это было бы неплохим решением. Область чувствительности космического микроскопа по пыли увеличится почти в миллиард раз. Дополнительным плюсом профилометра является то, что он работает фактически как атомно-силовой микроскоп, не нуждается в электропроводности образцов и выдерживает космические перегрузки.
Профилометр
Макет профилометра с дополнительной осью
Кадр, собранный из строчек профилометра написанной нами программой
Улучшение разрешения профилометра
Открытый на физфаке МГУ способ выращивания острых тонких алмазных игл как нельзя хорошо подошёл для улучшения разрешения профилометра по латерали. Эти иглы не ломаются при сканировании, и настолько острые, что проникают в поры диаметром всего в 2-3 атома.
В профилометре, который будет использоваться нами в качестве сканера по оси Х, используется стандартный для всех профилометров индуктивный датчик с начальным магнитным зазором 0,5 мм. Это необходимо для работы профилометра с рельефами разной, в том числе большой, шероховатости. На нашем зеркале будет малая шероховатость, поэтому мы можем уменьшить зазор, при этом увеличится чувствительность датчика, так как магнитные силы непропорционально растут при уменьшении зазора.
Создание макета спутника "Нанозонд-А"
В рамках нашей работы мы также собрали макет спутника "Нанозонд-А" со спутниковым атомно-силовым сканирующим микроскопом СММ-2000А на борту. Этот макет выполнен в масштабе 1:1, что позволяет наглядно продемонстрировать реальные размеры данного спутника. Макет предназначен для использования в демонстрационных целях для более глубокого понимания конструкции и функциональных возможностей данного космического аппарата.

Макет спутника "Нанозонд-А"
Создание вибростенда
Для проверки датчика профилометра на космические перегрузки мы собрали упрощённый
вибростенд из мощного динамика, прикрепив к его диффузору корзину для датчика и
укрепив динамик на тяжёлом основании.

х=A sin wt, v=x’=Aw cos wt,

a=v’=-Aww sinwt (w = 2 пи f)

Aww=50g, А=50g/ww

при f=50Гц A=5мм

(размах 2А=10мм)


Вибростенд на основе динамика
Проверка новых алмазных игл
на стойкость в открытом космосе

Новые алмазные иглы не проверялись на стойкость в открытом космосе, где одной из основных опасностей для них является воздействие потока ионов солнечного ветра. Поэтому мы приняли решение укрепить на подложке алмазные иглы, и, для сравнения, кремниевые иглы от стандартных кантилеверов. Затем, чтобы оценить их стойкость, мы воздействовали на них потоком плазмы в вакуумной установке МАГ-2000. Для более детального изучения влияния плазмы на иглы, они были исследованы с использованием электронного микроскопа, что позволило получить высокоточные изображения и проанализировать изменения на микроструктурном уровне.


Фото воздействия на иглы плазмой в плазменно-вакуумной установке МАГ-5
Новый метод измерения твёрдости

Из-за применения более острой алмазной иглы у нас возникла угроза того что она будет царапать зеркало. Для проверки этого нами собран макет, в котором давление иглы задаётся стандартными гирьками разного веса. Стенд является универсальным – с его помощью можно царапать любые материалы, измерять профилометром ширину царапин и по имеющемся в ГОСТе таблицам определять твердость. Это может сильно помочь нашей промышленности, так как профилометры для измерения шероховатости везде используются, и измерения твердости можно делать ими. На наш стенд измерения твёрдости мы вместо алмазной иглы укрепили также обыкновенную абразивную шкурку, и посмотрели царапины от неё в зондовом микроскопе СММ-2000. Оказалось, что царапин много, потому что в шкурке много порошинок. Это исключает трудную необходимость поиска оттисков, как это в обстоит в твердомерах. По средней ширине царапин можно также определять твёрдость, и этот метод особенно хорош для измерения твёрдости тонких плёнок, так как делает царапины глубиной всего около 10-20 нм, не протыкая плёнку. Образцы царапались наждачной бумагой абразивом 7000 и алмазной иглой при весе гирьки 500 грамм.


Фото царапины алмазной иглой на меди
Схема твердомера с наждачной бумагой
Оборудование
  • Макет спутника НАНОЗОНД-А
  • Спутниковый атомно-силовой сканирующий микроскоп СММ-2000А
  • Профилометр модели 130 версии КОСМОС
  • Твердомер модели 100 по методу профилометрии и зондовой микроскопии
  • Сканирующий зондовый микроскоп СММ-2000
  • Вибростенд модели Сириус-БВ2024
Результаты проекта
В ходе работы были получены результаты изменения амплитуды при изменении зазора между сердечником и датчиком (рис. 1), а также разница этих амплитуд (рис. 2). В процессе исследования было выяснено, что наибольшая разница амплитуд, и, соответственно, чувствительность, возникает при зазоре 0.19 мм, достигая величины в 66.9 мВ. Таким образом, выявленный зазор в 0.19 мм можно считать оптимальным для достижения наилучшей точности датчика.
Рис. 1. Зависимость амплитуд от зазора
Рис. 2. Разница амплитуд в зависимости от зазора
Профилометр испытан на вибростенде с перегрузкой 50G в течении 10 секунд. Собраны макеты спутника "Нанозонд-А" и датчика профилометра. Получены результаты ширины канавки (табл. 1) и полученная твёрдость меди и стали (табл. 2) по новому методу измерения твёрдости
Табл. 1. Ширина канавки
Табл. 2. Полученная твёрдость меди и стали

Команда проекта
  • Борис Альбертович Логинов
    Руководитель проекта
  • Максим Алексеевич Щербина
    Помощник руководителя проекта
  • Юрий Вадимович Хрипунов
    Методист направления

  • Богданова Дарья
    dariyabogdanova2007@gmail.com
  • Горбачёв Роман
    roman15gorbachev@gmail.com
  • Лебедева Мария
    marileb07@mail.ru
  • Шевченко Дарья
    Daryashev4enko@yandex.ru
  • Кондратьева Ксенья
    ksu200033@mail.ru
  • Мульгин Андрей
    mulgin.andrei@gmail.com
  • Севостьянова Дарья
    Стажёр направления

Фотоотчёт
Контакты
Логинов Борис Альбертович
b-loginov@mail.ru
+79853646093

Щербина Максим Алексеевич
m.sherbina2016@yandex.ru
89538169532

by Andrei Mulgin

Спасибо всем и отдельно Борису Логинову за интересный проект и смену.

Жаль, что многие уже не смогут снова собраться на Больших Вызовах и решать большие проблемы.

Но мир тесен - и мы когда нибудь обязательно встретимся.


Огромная благодарность всем, кто не терял надежды в меня и довёл до смены в Сириусе.

Я ещё не уехал - а мне уже хочется вернуться.


21.07.2024