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.
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)
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.
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.
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