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Tuesday, April 20, 2021

अपमानजनक धूप डिटेक्टरों के रहस्य को सुलझाने

(२५ मार्च २०२१ – NIST) सूर्य के सामने वाले उपग्रह सूर्य के पराबैंगनी (यूवी) प्रकाश की निगरानी करते हैं ताकि हमें सौर तूफानों की अग्रिम चेतावनी दी जा सके। इन डिटेक्टरों में उपयोग किए जाने वाले उपकरणों का एक प्रमुख टुकड़ा एक छोटा धातु फिल्टर है जो यूवी सिग्नल शोधकर्ताओं को छोड़कर सब कुछ को ब्लॉक करता है।

लेकिन दशकों से, एक बड़ी समस्या रही है: सिर्फ एक या दो साल के दौरान, ये फिल्टर रहस्यमय रूप से यूवी प्रकाश, “क्लाउडिंग” और अपने खगोलविदों को महंगी वार्षिक पुनर्गणना मिशन शुरू करने के लिए मजबूर करने की क्षमता खो देते हैं। इन मिशनों में तुलना के लिए अपने स्वयं के स्वतंत्र अवलोकन करने के लिए अंतरिक्ष में एक ताज़ा कैलिब्रेटेड इंस्ट्रूमेंट भेजना शामिल है।

एक प्रमुख सिद्धांत यह है कि फिल्टर कार्बन की एक परत विकसित कर रहे थे, जिसका स्रोत अंतरिक्ष यान पर दूषित है, जिसने आने वाली यूवी प्रकाश को अवरुद्ध कर दिया। अब, कोलोराडो के बोल्डर में वायुमंडलीय और अंतरिक्ष भौतिकी (एलएएसपी) के लिए प्रयोगशाला से एनआईएसटी के वैज्ञानिकों और सहयोगियों ने पहला सबूत पाया है कि यह संकेत मिलता है कि कार्बोनेज़ेशन समस्या नहीं है, और यह कुछ और होना चाहिए, जैसे कि पृथ्वी से एक और स्टोववे। शोधकर्ताओं ने आज सौर भौतिकी में अपने काम का वर्णन किया।

“मेरे ज्ञान के अनुसार, यह फिल्टर की गिरावट के कारण के रूप में कार्बनीकरण के खिलाफ पहला मात्रात्मक, वास्तव में ठोस तर्क है,” एनआईएसटी भौतिक विज्ञानी चार्ल्स टारियो ने कहा।

वे किस चीज़ लिए अच्छे हैं? बिल्कुल सब कुछ

सूर्य द्वारा उत्पादित अधिकांश प्रकाश दिखाई देता है और इसमें लाल (लगभग 750 नैनोमीटर के तरंग दैर्ध्य के साथ) से बैंगनी (लगभग 400 एनएम के तरंग दैर्ध्य के साथ) रंगों का इंद्रधनुष शामिल होता है। लेकिन सूर्य भी मानव आंख को देखने के लिए तरंग दैर्ध्य के साथ बहुत लंबा या छोटा प्रकाश पैदा करता है। इनमें से एक सीमा चरम पराबैंगनी (ईयूवी) है, जो 100 एनएम से केवल 10 एनएम तक फैली हुई है।

केवल एक प्रतिशत धूप का दसवां हिस्सा यूरोपीय संघ की सीमा में है। यह छोटा सा EUV संकेत अत्यंत उपयोगी है क्योंकि यह सौर फ्लेयर्स के साथ अग्रानुक्रम में घूमता है। सूर्य की सतह पर ये विस्फोट पृथ्वी के ऊपरी वायुमंडल में परिवर्तन का कारण बन सकते हैं जो संचार को बाधित करते हैं या जीपीएस रीडिंग में हस्तक्षेप करते हैं, जिससे आपका फोन अचानक लगता है कि आप अपने असली स्थान से 40 फीट दूर हैं।

यूरोपीय संघ के संकेतों को मापने वाले उपग्रह वैज्ञानिकों को इन सौर flares की निगरानी करने में मदद करते हैं। लेकिन ईयूवी संकेत वैज्ञानिकों को अधिक विनाशकारी घटनाओं जैसे कि कोरोनल मास इजेक्शन (सीएमई) से भी घंटों पहले या दिनों के लिए भी सिर देते हैं। भविष्य के CME हमारी बिजली लाइनों को संभावित रूप से अधिभारित कर सकते हैं या कुछ स्थानों पर यात्रा करने वाले एयरलाइन चालक दल और यात्रियों के लिए विकिरण जोखिम को बढ़ा सकते हैं।

और आजकल के उपग्रह हमें चेतावनी देने से ज्यादा कुछ करते हैं, LASP के वरिष्ठ शोध वैज्ञानिक फ्रैंक एपरवियर, जो वर्तमान काम पर एक सहयोगी हैं।

“पिछले कुछ दशकों में हम बस अलर्ट भेजने से चले गए हैं जो कि flares और सीएमई के कारण सौर परिवर्तनशीलता के लिए सही होने में सक्षम हो गए हैं,” एपरवियर ने कहा। “वास्तविक समय में यह जानना कि सौर ईयूवी कितना भिन्न है, यह वातावरण के कंप्यूटर मॉडल को चलाने की अनुमति देता है, जो तब परिवर्तनशीलता के प्रभावों को कम करने के लिए जीपीएस इकाइयों के लिए सुधार का उत्पादन कर सकता है।”

द क्लाउड्स फिल्म्स का रहस्य

दो धातुएं विशेष रूप से उस छोटी लेकिन महत्वपूर्ण EUV सिग्नल के माध्यम से दृश्यमान प्रकाश की भारी मात्रा को छानने के लिए उपयोगी हैं। एल्यूमीनियम फिल्टर 17 एनएम और 80 एनएम के बीच EUV प्रकाश संचारित करते हैं। Zirconium फिल्टर 6 एनएम और 20 एनएम के बीच EUV प्रकाश संचारित करता है।

जबकि ये फ़िल्टर अपने संबंधित रेंज में बहुत सारे EUV प्रकाश को संचारित करने के लिए अपना जीवन शुरू करते हैं, अल्युमीनियम फ़िल्टर, विशेष रूप से, जल्दी से अपनी संचरण क्षमताओं को खो देते हैं। एक फिल्टर डिटेक्टर के माध्यम से 30-एनएम ईयूवी प्रकाश के 50% की अनुमति देकर शुरू हो सकता है। लेकिन केवल एक साल के भीतर, यह केवल 25% इस प्रकाश को प्रसारित करता है। पांच साल के भीतर, यह संख्या घटकर 10% रह जाती है।

“यह एक महत्वपूर्ण मुद्दा है,” तारियो ने कहा। कम प्रकाश संचरित का मतलब है कम डेटा उपलब्ध – थोड़ा धूप के चश्मे के साथ मंद रोशनी वाले कमरे में पढ़ने की कोशिश करना।

वैज्ञानिकों ने लंबे समय से जाना है कि कार्बन जमा उपकरणों पर निर्माण कर सकते हैं जब वे यूवी प्रकाश के अधीन होते हैं। उपग्रहों पर कार्बन के स्रोत उँगलियों के निशान से लेकर अंतरिक्ष यान के निर्माण में इस्तेमाल होने वाली सामग्रियों तक सब कुछ हो सकते हैं। रहस्यमय ढंग से बादल यूवी फिल्टर के मामले में, शोधकर्ताओं ने सोचा कि कार्बन उन पर जमा हो सकता है, यूरोपीय संघ के प्रकाश को अवशोषित करता है जो अन्यथा गुजरता था।

हालांकि, 1980 के दशक के बाद से, खगोलविज्ञानी अंतरिक्ष यान को सावधानीपूर्वक डिजाइन कर रहे हैं, जितना संभव हो कार्बन मुक्त हो। और उस काम ने उन्हें अन्य कार्बोनाइजेशन समस्याओं में मदद की है। लेकिन यह एल्यूमीनियम EUV फ़िल्टर समस्या के साथ मदद नहीं करता था। फिर भी, समुदाय को अभी भी संदेह था कि जलयोजन कम से कम आंशिक रूप से गिरावट के लिए जिम्मेदार था।

मेक-योर-ओन स्पेस वेदर

एक नियंत्रित सेटिंग में इसका परीक्षण करने के लिए, एनआईएसटी शोधकर्ताओं और सहयोगियों ने एक मशीन का उपयोग किया जो प्रभावी रूप से उन्हें अपना अंतरिक्ष मौसम बनाने की अनुमति देता है।

यह उपकरण NIST का सिन्क्रोट्रॉन अल्ट्रावॉयलेट रेडिएशन फैसिलिटी (SURF) है, जो एक कमरे के आकार का कण त्वरक है, जो एक सर्कल में इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए शक्तिशाली मैग्नेट का उपयोग करता है। यह प्रस्ताव यूरोपीय संघ के प्रकाश को उत्पन्न करता है, जिसे लक्षित करने के लिए विशेष दर्पणों के माध्यम से निकाला जा सकता है – इस मामले में, एल्यूमीनियम और जिरकोनियम उपग्रह फ़िल्टर।

प्रत्येक फिल्टर 18 मिलीमीटर से 6 मिलीमीटर, एक डाक टिकट से छोटा, और केवल 250 एनएम मोटी, एक मानव बाल से लगभग 400 गुना पतला था। नमूना फिल्टर वास्तव में असली उपग्रह फिल्टर की तुलना में थोड़ा मोटा थे, धातु में शाब्दिक रूप से जलने वाले छेद से एसयूआरएफ बीम को रोकने के लिए डिज़ाइन किए गए अन्य छोटे परिवर्तनों के साथ। एक रन के दौरान, प्रत्येक फ़िल्टर के पीछे की ओर कार्बन के एक नियंत्रित स्रोत से अवगत कराया गया था।

हल 1

दो EUV फ़िल्टर जिनका उपयोग अंतरिक्ष उड़ान में किया गया था। बाईं तरफ झुर्रीदार दिखने वाला फिल्टर जिरकोनियम से बना है; दायीं ओर का स्मूथ फिल्टर एल्यूमीनियम से बना है। प्रत्येक फ़िल्टर बेहद पतला होता है – एक मानव बाल के व्यास का एक अंश – और लगभग 1.4 मिमी चौड़ा 4.5 मिमी लंबा, एक बहुत ही सपाट टिक टीएसी का लगभग आधा आकार। (सौजन्य: एंड्रयू जोन्स / LASP)

हल करना २

SURF प्रयोग का एक योजनाबद्ध। EUV प्रकाश की नकल जो सूर्य द्वारा उत्पादित की जाती है, SURF द्वारा उत्पन्न होती है और एक नमूना एल्यूमीनियम फ़िल्टर के माध्यम से भेजा जाता है। इस बीच, फिल्टर के पीछे का हिस्सा कार्बन के एक नियंत्रित स्रोत से अवगत कराया गया है, जो कि कार्बनकरण की एक परत बना सकता है जो वैज्ञानिकों ने सोचा था कि रहस्यमय फ़िल्टर गिरावट के लिए जिम्मेदार हो सकता है। Spoiler: यह नहीं था। (सौजन्य: जेएल ली / एनआईएसटी)

परीक्षण प्रक्रिया में तेजी लाने के लिए, टीम ने केवल पांच या दो घंटे में अंतरिक्ष के मौसम के बराबर के साथ फिल्टर को नष्ट कर दिया। संयोग से, उस प्रकार की बीम शक्ति प्राप्त करना SURF के लिए कोई पसीना नहीं था।

तारियो ने कहा, “हम अपनी सामान्य शक्ति का लगभग आधा प्रतिशत नीचे की ओर फेरते हैं, ताकि फिल्टर को उचित मात्रा में प्रकाश में लाया जा सके।” “उपग्रह सूर्य से 92 मिलियन मील दूर हैं, और सूर्य को शुरू करने के लिए यूरोपीय संघ के एक बहुत कुछ नहीं डाल रहा है।”

अंत में, एक्सपोजर के बाद, शोधकर्ताओं ने प्रत्येक फिल्टर का परीक्षण किया कि यह देखने के लिए कि सही तरंग दैर्ध्य रेंज में EUV प्रकाश कितना अधिक से गुजरने में सक्षम था।

टीम ने पाया कि एल्यूमीनियम या जिरकोनियम के लिए एक्सपोज़र से पहले एक्सपोज़र के बाद ट्रांसमिशन काफी अलग नहीं था। वास्तव में, ट्रांसमिशन में अंतर केवल प्रतिशत का एक अंश था, वास्तविक अंतरिक्ष उपग्रहों में होने वाले बादल के प्रकार को समझाने के लिए लगभग पर्याप्त नहीं था।

“हम ट्रांसमिशन में 30% की कमी के लिए देख रहे थे,” तारियो ने कहा। “और हम इसे देख नहीं पाए।”

एक अतिरिक्त परीक्षण के रूप में, वैज्ञानिकों ने फिल्टर को प्रकाश की बड़ी मात्रा में भी दिया – पराबैंगनी विकिरण के 50 साल के बराबर। और यहां तक ​​कि एक प्रकाश संचरण समस्या का ज्यादा उत्पादन नहीं किया गया, फिल्टर पर सिर्फ 3 एनएम कार्बन बढ़ रहा है – शोधकर्ताओं की तुलना में 10 गुना कम उम्मीद की गई होगी यदि कार्बन जिम्मेदार था।

तो अगर यह कार्बन नहीं है …

असली अपराधी की पहचान अभी तक नहीं की गई है, लेकिन शोधकर्ताओं को पहले से ही एक अलग संदेह है: पानी।

अधिकांश धातुओं की तरह, एल्यूमीनियम में स्वाभाविक रूप से ऑक्साइड नामक एक पदार्थ की सतह पर एक पतली परत होती है, जो तब बनती है जब एल्यूमीनियम ऑक्सीजन के साथ बांधता है। एल्यूमीनियम पन्नी से सोडा के डिब्बे तक सब कुछ इस ऑक्साइड परत है, जो रासायनिक रूप से नीलम के समान है।

प्रस्तावित तंत्र में, EUV प्रकाश फिल्टर के बाहर एल्यूमीनियम के परमाणुओं को खींचेगा और उन्हें फ़िल्टर के बाहरी हिस्से पर जमा करेगा, जिसमें पहले से ही पतली ऑक्साइड परत है। तब उजागर परमाणु पृथ्वी से पानी में ऑक्सीजन के साथ प्रतिक्रिया करेंगे, जिसने अंतरिक्ष यान पर सवारी को रोक दिया है। साथ में, उजागर एल्यूमीनियम और पानी एक बहुत मोटी ऑक्साइड परत बनाने के लिए प्रतिक्रिया करेगा, जो सैद्धांतिक रूप से प्रकाश को अवशोषित कर सकता है।

इस वर्ष के बाद के लिए निर्धारित SURF प्रयोगों को इस प्रश्न का उत्तर देना चाहिए कि क्या समस्या वास्तव में पानी है, या कुछ और। “यह पहली बार होगा जब लोगों ने इस संदर्भ में एल्यूमीनियम ऑक्साइड के निक्षेपण पर ध्यान दिया है,” तारियो ने कहा। “हम इसे एक गंभीर संभावना के रूप में देख रहे हैं।”

प्रकाशन

सी। टारियो, आरएफ बर्ग, टीबी ल्यूकोर्टो, एफजी एपरविएर, एआर जोन्स, बी। टेम्पलमैन, डीएल वुड्रस्का और एम। डोमिनिक। “एक्सट्रीम अल्ट्रावॉयलेट वैरिएबिलिटी एक्सपेरिमेंट के थिन-फिल फिलर्स के कार्बनाइजेशन के खिलाफ साक्ष्य, सोलर डायनेमिक्स ऑब्जर्वेटरी ऑनबोर्ड।” सौर भौतिकी। डीओआई: 10.1007 / s11207-021-01806-4

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