Предложена и проработана новая конструкция сканера для атомно-силового микроскопа-спутника, предназначенного для работы в течение нескольких лет в автономном режиме в открытом космосе с целью исследования орбит на содержание микро- и наночастиц пыли на базе профилометра в качестве одной из осей сканирования. Микроскоп с данным сканером рассчитан и проверен на стойкость к перегрузкам до 50g при запуске, энергопотреблению не более 1 Вт от солнечных батарей, устойчив к потокам быстрых ионов солнечной плазмы, имеет большое поле сканирования открытого на космос зеркала для обнаружения и исследования попадающих на него частиц даже при малом их количестве. Показано, что применяемый в профилометрах индуктивный датчик с линейным приводом на длину в десятки миллиметров дорабатывается до разрешения в 1 нм, как по высотам рельефа за счет уменьшения магнитного зазора, так и по латерали за счет использования сверхострых алмазных игл с острием из нескольких атомов на конце. Применение второго линейного привода для второй координаты обеспечивает сканирование строчка за строчкой больших площадей с нанометровой точностью до 10 Гигапикселей, при этом сканирование одного кадра за несколько суток вполне допустимо для космического эксперимента, длящегося несколько лет в автономном режиме. При выборе материала зеркала микроскопа разработаны новые способы измерения твердости объемных материалов и тонких пленок, имеющие ряд принципиальных преимуществ и не требующие каких-либо других приборов при наличии профилометров или зондовых микроскопов. Изготовлены и испытаны макеты основных узлов нового сканера, которые показали его принципиальную работоспособность и позволили приступить к патентованию и изготовлению летной версии автономного космического атомно-силового микроскопа, претендующего на звание "первого в мире".

ВВЕДЕНИЕ

27 июня 2023 года в спутнике Земли "Нанозонд-1" Россией в космос был запущен первый в мире спутниковый сканирующий зондовый микроскоп (марка СММ-2000С), который сразу же начал передавать кадры и успешно продолжает работать уже больше года. Этот микроскоп был создан для двух важных задач, которые стали решаться впервые в мире: для изучения стойкости материалов космических кораблей к воздействию ионов солнечного ветра, а также для выяснения, на каких орбитах еще нет облаков пыли, возникающей от столкновения старых неуправляемых спутников и их частей между собой. Проблема в том, что даже маленькие частицы пыли микро- и наноразмеров, как метео­риты, из-за больших скоростей до 20 км/с и более делают мутными иллюминаторы и солнечные батареи, а также образовывают микрократеры на корпусах космических кораблей.

В настоящее время "Нанозонд-1" находится в космосе и успешно передает данные на Землю. Уже получено много информации, однако оказалось недостаточно сведений о космической пыли. Используя имеющийся приоритет, начато строительство новых аналогичных космических аппаратов, и одним из решений для увеличения их чувствительности к малым количествам пыли явилось существенное увеличение площади сканирования "зеркала", на которое падает пыль и которое анализирует зондовый микроскоп. В новом спутнике "Нанозонд-А" планируется увеличение площади окна непрерывного сканирования более чем в 10 млн раз: до 40/40 мм с числом точек до 100 000 / 100 000 (10 Гигапикселей) – против нынешних 10/10 мкм с числом точек не более 4096/4096 (16 Мегапикселей) в спутнике "Нанозонд-1". Это – сама по себе сложная задача для конструирования зондовых микроскопов, а тем более – предназначенных для нескольких лет автономной работы в открытом космосе: со стойкостью к ускорениям до 50g при запуске, стойкостью к потоку ионов солнечного ветра со скоростями до 1000 км/с, с потребляемой мощностью на уровне 1 Вт от солнечных батарей спутника, и при этом в габаритах не более 90 × 90 × 200 мм, допускаемых для размещения в спутнике типоразмера CubeSat-3U. Найти решение этой задачи, несмотря на наш более чем 33-летний опыт конструирования зондовых микроскопов, не удавалось нам в течение более двух лет. Например, юстировка даже специально разработанных лазерных систем – датчиков изгиба стандартных зондов – кантилеверов атомно-силовых микроскопов – не выдерживала требуемый уровень перегрузки при испытаниях на вибростендах, а сами кремниевые иглы этих кантилеверов под воздействием плазмы, аналогичной по воздействию всего 42 дням воздействия солнечной плазмы, практически полностью разрушались.

РАСЧЕТ КОНСТРУКЦИИ

Идея конструкции нового сканера с необходимыми параметрами пришла в процессе работ по совершенствованию чувствительности разработанных и выпускаемых нами с 2005 года (АО "Завод ПРОТОН", Зеленоград, www.microscopy.su) профилометров модели 130 (№ 78157 в Госреестре средств измерений России). Было обращено внимание на то, что для возможности измерения параметров шероховатости разных, в том числе со специально зазубренным рельефом, изделий машиностроения, для которого в основном применяются профилометры, магнитный зазор в индуктивном датчике профилометра делается на уровне около 0,5 мм, и при этом профилометр модели 130, производитель которого обладает патентом на уникальную запатентованную направляющую линейного двигателя, имеет чувствительность на уровне 1 нм по измерению высот рельефа. Однако, специально для измерения ровного зеркала космического микроскопа, имеющего полный разброс высот поверхности не более 0,1 мм, в основном из-за наклона – можно существенно уменьшить этот зазор, так как игла профилометра не должна сильно ходить вверх и вниз. При этом, ввиду короткодействия магнитных сил, было предположено, что может увеличиться и чувствительность датчика профилометра. Для проверки данного предположения в макромасштабе был изготовлен макет датчика и снят график чувствительности датчика в зависимости от величины магнитного зазора. Как видно, чувствительность датчика при снижении величины магнитного зазора с уровня 0,5 мм в три раза приводит к увеличению чувствительности также примерно в три раза. Это может позволить визуализировать попавшие на зеркало частицы пыли диаметром примерно до 1 нм, описывая их как минимум тремя точками, что будет вполне удовлетворительно для анализа космической пыли.

Однако, кроме увеличения разрешения по высотам рельефа, для обнаружения упавших и застрявших в мягком металле зеркала (или образовавших микро- и нанократеры) космических частиц с диаметрами начиная с 1 нм, в датчике профилометра для повышения разрешения по латерали мы также заменили стандартную для этих датчиков алмазную иглу с радиусом острия в единицы микрометров, позволявшую видеть малые частицы размером только более сотен нанометров. Заменили на уникальные алмазные иглы, разработанные на физическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова, имеющие на конце острие всего из нескольких атомов, и прорисовывающее объекты размером до 0,5 нм. При этом мы использовали уникальность дифференциального магнитного датчика в том, что за счет подмагничивания его плеч постоянным током можно с высокой точностью регулировать давление этой алмазной иглой на зеркало с тем, чтобы не царапать его.

Примененные нами алмазные иглы с использованием "Вакуумно-плазменной установки МАГ-5" (изготовитель – АО "Завод ПРОТОН") были проверены на стойкость к воздействию потока плазмы, аналогичного по воздействию 42-м дням воздействия солнечной плазмы. С использованием выпускающегося в настоящее время российского электронного микроскопа "Микроскоп сканирующий электронный РЭМ-10" (изготовитель – АО "Завод ПРОТОН") были получены кадры этих игл до и после воздействия плазмы, и оказалось, что эти алмазные иглы совсем не изменяются и, более того, очищаются плазмой от поверхностных загрязнений.

Для предварительных лабораторных экспериментов по стойкости к космическим перегрузкам до окончательных испытаний в сертифицированном вибростенде на заводе ПРОТОН, нами был собран небольшой вибростенд "Сириус-БВ24" на основе отечественного динамика 75ГДН-1М-4, с прикрепленной к его диффузору корзинкой для испытания космического микроскопа в целом и его узлов по-отдельности. По формуле А = а/(2πf)2, где а – уровень ускорения космической перегрузки, f – частота колебания диффузора – рассчитывалась из требования достижения заданного уровня ускорения космической перегрузки амплитуда "A" раскачки диффузора динамика. Например, для частоты f = 50 Гц и уровня ускорения космической перегрузки 50g амплитуда должна была составить около 5 мм, то есть полный размах колебания диффузора – 10 мм, что достигалось подачей соответствующего напряжения на динамик и проверялось линейкой. Примененный индукционный датчик профилометра модели 130 был проверен на этом вибростенде на стойкость к перегрузкам и показал работоспособность без сбоя в калибровке при ускорениях до 82g, где g – ускорение свободного падения, а разрушился без возможности восстановления работоспособности после снижения ускорения – только при величине ускорения 172g. Это существенным образом и окончательно подтвердило его применимость "Профилометра модели 130" в космическом атомно-силовом микроскопе.

Подпишитесь на журнал, чтобы прочитать полную версию статьи.