Исследователи разработали новый прибор, который может анализировать свет, отраженный от очень маленьких или очень темных материалов, таких как образцы некоторых метеоритов и VANTABlack, самое темное созданное человеком вещество. Прибор уже дает новую информацию об этих и других трудно поддающихся анализу поверхностях.
Использование спектроскопии для измерения отражения света от поверхности может предоставить информацию о физических и химических свойствах материала образца. Однако очень темные или маленькие образцы, такие как метеориты, затрудняют этот тип анализа, поскольку они отражают очень мало света.
В журнале The Optical Society (OSA) Applied Optics первый автор Сандра Потин и ее коллеги из Института планетологии и астрофизики Гренобля (IPAG) Университета Гренобль-Альпы во Франции сообщают, что их новый прибор, названный SHADOWS, может использоваться для спектроскопии отражения образцов размером менее одного кубического миллиметра, которые отражают менее 0,03 процента света, освещающего образец.
Новый прибор можно использовать для лучшего понимания состава метеоритов и определения астероида или кометы, из которых они произошли. Его также можно использовать для анализа поверхностей на космических кораблях, где очень темные покрытия используются для уменьшения рассеянного света или отвода тепла от приборов, используемых в космосе.
Улучшение чувствительности
Прибор для спектроскопии, созданный исследователями, известен как спектрогонио-радиометр, который работает, направляя свет на образец с определенного направления, а затем обнаруживая свет, отраженный обратно с другого направления. Этот подход известен как двунаправленная спектроскопия отражения, поскольку он вычисляет коэффициент отражения материала на основе направления освещающего света и направления, с которого обнаруживается этот отраженный свет. Спектры, полученные в результате этого измерения, подобны отпечаткам пальцев, которые можно использовать для определения состава образца.
Исследователи начали с радиометра, который они ранее разработали для больших ярких образцов, и работали над улучшением его чувствительности, уменьшая освещение до диаметра около 5,2 мм. Пятно освещения можно сделать еще меньше для отображения разнородных поверхностей, таких как поверхность, которая содержит несколько типов материалов.
«У прибора очень хорошее отношение сигнал/шум, потому что мы использовали то, что мы называем синхронным обнаружением», - сказал Потин. «Это означает, что вместо того, чтобы использовать непрерывный свет, мы освещаем образцы импульсами света с очень точной частотой. Привязав два детектора радиометра к этой частоте, все, что не является светом, отраженным от образца, может быть удалено из измерения."
Новый прибор использует несколько цветов света и перемещает источник света и детектор вокруг образца для измерения света, исходящего и отраженного в разных направлениях. Информация, полученная от различных направлений и цветов света, используется для построения трехмерной угловой карты отражения света образца, которая может предоставить еще больше информации об образце.
Широкий диапазон температур
Другим аспектом нового прибора является то, что его можно использовать для анализа образцов при температурах от -20 до 250 градусов C, а также планируется работать при еще более низких температурах, до -210 градусов C. Это важно потому что температура образца может изменить спектры, полученные с помощью прибора.
«Некоторые астероиды находятся очень далеко от Солнца и поэтому довольно холодны, но когда комета приближается к Солнцу, становится очень жарко», - сказал Потин. «Если мы пытаемся сравнить образцы метеоритов, найденных на Земле, со спектрами, полученными от астероидов в космосе, нам нужно проводить измерения в очень широком диапазоне температур."
Исследователи использовали SHADOWS для измерения образца VANTABlack, представляющего собой химическое вещество, состоящее из углеродных нанотрубок, выращенных на алюминиевой фольге. Спектры этого материала, полученные с помощью нового прибора, выглядели совершенно иначе, чем спектры, полученные с помощью других методов спектроскопии, потому что они включали информацию, полученную с разных направлений.
«Настроив двунаправленный спектральный анализ для очень темных поверхностей, наш новый подход может выявить структурную информацию, которая не наблюдалась при других типах измерений», - сказал Потин.
Исследователи говорят, что в настоящее время они работают над усовершенствованием прибора, включая включение измерений поляризации, чтобы предоставить еще больше информации об анализируемых образцах. Инструмент доступен для использования исследователями в Европе в рамках программы Trans National Access программы Europlanet 2020-RI.