Millimeter and sub-millimeter characterization of polymers used for infrared filters in high-sensitivity cryogenic microwave telescopes

अंतरिक्ष के ठंडे सन्नाटे में गहराई में, ब्रह्मांड प्रकाश के रूप में रहस्य फुसफुसाता है जिसे हमारी आँखें नहीं देख सकतीं। यह प्रकाश, जिसे कॉस्मिक माइक्रोवेव बैकग्राउंड (Cosmic Microwave Background) के रूप में जाना जाता है, अस्तित्व का सबसे पुराना चमकता अवशेष है, जो स्वयं बिग बैंग की एक धुंधली छवि है। इस फुसफुसाहट को स्पष्ट रूप से सुनने के लिए, खगोलशास्त्री ऐसे टेलीस्कोप बनाते हैं जो न केवल शक्तिशाली होते हैं, बल्कि अविश्वसनीय रूप से ठंडे भी होते हैं, जिन्हें परम शून्य (absolute zero) के करीब तापमान तक ठंडा किया जाता है ताकि उनकी अपनी गर्मी ब्रह्मांडीय संकेत को दबा न दे। हालाँकि, इन नाजुक उपकरणों को आकाश देखने के लिए एक खिड़की के माध्यम से देखना चाहिए। वह खिड़की, और उसके सामने रखे गए फिल्टर, ऐसे पदार्थों से बने होने चाहिए जो इस विशिष्ट प्रकाश को गुजरने दें जबकि पृथ्वी और वायुमंडल की गर्मी को रोक दें। दशकों से, वैज्ञानिक इन खिड़कियों के लिए कुछ विशेष प्लास्टिकों पर भरोसा करते आए हैं, यह मानते हुए कि वे पारदर्शी हैं और अंदर के संवेदनशील डिटेक्टरों के लिए हानिरहित हैं। लेकिन एक संदेह बना रहा: क्या ये सामग्रियां प्रकाश की सूक्ष्म मात्रा को अप्रत्याशित दिशाओं में बिखेर (scatter) रही हैं, जिससे शोर की एक ऐसी परत जुड़ रही है जो ब्रह्मांड के जन्म की सबसे स्पष्ट छवियों को धुंधला कर देती है?

आइसलैंड विश्वविद्यालय और स्टॉकहोम विश्वविद्यालय के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इन सामान्य प्लास्टिक सामग्रियों को एक कठोर परीक्षण से गुजारकर इस प्रश्न का उत्तर देने का निर्णय लिया। उन्होंने उन चार प्रकार के पॉलिमर पर ध्यान केंद्रित किया जिनका उपयोग अक्सर उच्च-संवेदनशीलता वाले टेलीस्कोप में किया जाता है: हाई-डेंसिटी पॉलीइथाइलीन (high-density polyethylene), जिसका उपयोग लेंस और खिड़कियों के लिए किया जाता है; पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन (polytetrafluoroethylene), एक सामग्री जिसका उपयोग कभी-कभी फिल्टर के रूप में किया जाता है; नायलॉन (nylon), जो इन्फ्रारेड गर्मी को रोकने के लिए एक सामान्य विकल्प है; और पॉलीइथाइलीन से बना एक विशेष फोम। वैज्ञानिक केवल यह नहीं जानना चाहते थे कि ये सामग्रियां कितना प्रकाश गुजरने देती हैं, बल्कि यह भी कि उस प्रकाश का क्या होता है जो उनसे टकराता है। विशेष रूप से, वे "स्कैटरिंग" (scattering) की तलाश कर रहे थे, एक ऐसी घटना जहाँ प्रकाश सामग्री के भीतर सूक्ष्म खामियों या संरचनाओं से टकराकर चौड़े कोणों पर निकल जाता है, बजाय इसके कि वह सीधे आगे बढ़े। बिखरा हुआ प्रकाश बहुत कम मात्रा में भी समस्या पैदा कर सकता है, क्योंकि यह टेलीस्कोप के गर्म हिस्सों से टकरा सकता है और एक गलत संकेत उत्पन्न कर सकता है जो डेटा को भ्रमित कर देता है।

इस मायावी बिखरे हुए प्रकाश को पकड़ने के लिए, शोधकर्ताओं ने एक अनूठा परीक्षण स्टेशन बनाया जो एक हाई-टेक रडार की तरह कार्य करता था। उन्होंने एक वेक्टोर नेटवर्क एनालाइजर (vector network analyzer) नामक उपकरण का उपयोग किया, जो मिलीमीटर और सब-मिलीमीटर रेंज में रेडियो तरंगें भेजता है, वही आवृत्तियाँ (frequencies) जिनका उपयोग ब्रह्मांड का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। एक मानव ऑपरेटर द्वारा डिटेक्टर पकड़े जाने के बजाय, उन्होंने रिसीवर हेड को नमूने के चारों ओर एक सटीक चाप (arc) में घुमाने के लिए एक परिष्कृत रोबोटिक हाथ का उपयोग किया, जो दाएं-बाएं और ऊपर-नीचे घूमता है। इसने उन्हें प्लास्टिक की शीटों से गुजरने वाले प्रकाश का मानचित्रण करने और यह देखने की अनुमति दी कि क्या इसका कुछ हिस्सा किनारों की ओर विचलित हुआ है। उन्होंने 90 से 330 गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्तियों पर इनका परीक्षण किया, जो उस महत्वपूर्ण बैंड को कवर करता है जहाँ ये टेलीस्कोप काम करते हैं। उन्होंने उच्च आवृत्तियों, यहाँ तक कि 1400 गीगाहर्ट्ज़ तक, पर सामग्रियां कितनी रोशनी अवशोषित करती हैं, यह जांचने के लिए एक अलग मशीन का भी उपयोग किया, ताकि उनके व्यवहार की पूरी तस्वीर मिल सके।

परिणामों ने एक स्पष्ट चित्र प्रस्तुत किया कि कौन सी सामग्रियां सुरक्षित हैं और किन पर दोबारा विचार करने की आवश्यकता हो सकती है। पॉलीइथाइलीन के ठोस ब्लॉक और पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन की शीटों ने बिल्कुल वैसा ही प्रदर्शन किया जैसी उम्मीद थी। उन्होंने प्रकाश को लगभग बिना किसी स्कैटरिंग के गुजरने दिया, जिससे वे टेलीस्कोप के लिए साफ, अदृश्य खिड़कियों के रूप में कार्य करते हैं। हालाँकि, नायलॉन के नमूनों ने एक अलग कहानी सुनाई। नायलॉन की शीटों के साथ सूक्ष्म, समानांतर खांचे (grooves) आए थे, जो निर्माण प्रक्रिया के दौरान रह गए थे। ये खांचे, जो केवल 10 माइक्रोमीटर गहरे थे, एक विवर्तन जाली (diffraction grating) की तरह काम करते हैं, जिससे प्रकाश काफी अधिक किनारों की ओर बिखर जाता है। शोधकर्ताओं ने पाया कि यह सतह की संरचना ही मुख्य कारण थी, जिससे सिद्ध हुआ कि सूक्ष्म खामियां भी प्रकाश के प्रवाह को बाधित कर सकती हैं।

सबसे आश्चर्यजनक खोज पॉलिमर फोम से मिली, जिसका उपयोग अक्सर टेलीस्कोप में हल्के, बहु-परत इन्सुलेशन के रूप में किया जाता है। ये फोम छोटे वायु कोशों, या कोशिकाओं (cells) से भरे होते हैं, जो लगभग 400 माइक्रोमीटर आकार के होते हैं। जब प्रकाश इन फोमों से टकराया, तो वह साफ तरीके से पार नहीं हुआ। इसके बजाय, प्रकाश ने बड़ी आंतरिक कोशिकाओं के साथ परस्पर क्रिया की, जिससे यह एक व्यापक, एकसमान पैटर्न में बिखर गया और काफी मात्रा में शक्ति को ऊंचे कोणों पर बाहर की ओर भेज दिया। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यह बिखरा हुआ प्रकाश आसानी से टेलीस्कोप के गर्म हिस्सों से टकरा सकता है, जिससे डिटेक्टरों में मापने योग्य शोर जुड़ सकता है। यह सुझाव देता है कि हालांकि ये फोम इन्सुलेशन के लिए उत्कृष्ट हैं, लेकिन उनकी आंतरिक संरचना उन प्रकाश तरंग दैर्ध्य (wavelengths) के लिए बहुत बड़ी हो सकती है जिन्हें ये टेलीस्कोप पकड़ने की कोशिश कर रहे हैं, जिससे वे एक स्पष्ट खिड़की के बजाय एक धुंधले लेंस की तरह कार्य करते हैं।

अध्ययन ने यह भी मापा कि इन सामग्रियों ने कितना प्रकाश अवशोषित किया, जो एक और तरीका है जिससे वे टेलीस्कोप के प्रदर्शन को कम कर सकते हैं। पाया गया कि नायलॉन सामग्रियां काफी 'लॉसी' (lossy) थीं, यानी वे सिग्नल को काफी हद तक अवशोषित करती थीं, विशेष रूप से उच्च आवृत्तियों पर। पॉलीइथाइलीन और पॉलीटेट्राफ्लोरोएथिलीन बहुत पारदर्शी रहे, और बहुत कम अवशोषण किया। स्कैटरिंग डेटा को अवशोषण माप के साथ जोड़कर, टीम ने स्पेक्ट्रम में इन सामग्रियों के व्यवहार का विस्तृत मानचित्र प्रदान किया। उन्होंने पाया कि ठोस प्लास्टिक के ऑप्टिकल गुण स्थिर और अनुमानित थे, लेकिन फोम और खांचे वाले नायलॉन ने ऐसे चर (variables) पेश किए जिन्हें अनदेखा नहीं किया जा सकता था।

यह कार्य इन सामग्रियों को बेकार घोषित नहीं करता है, लेकिन यह बेहतर लक्षण वर्णन (characterization) की महत्वपूर्ण आवश्यकता पर प्रकाश डालता है। शोधकर्ता इस बात पर जोर देते हैं कि अगली पीढ़ी के टेलीस्कोप के लिए, जिनका लक्ष्य अभूतपूर्व सटीकता के साथ ब्रह्मांड का मानचित्रण करना है, शोर के हर स्रोत का हिसाब रखा जाना चाहिए। फोम और खांचे वाले नायलॉन से होने वाला बिखरा हुआ प्रकाश त्रुटि का एक छिपा हुआ स्रोत है जिसे अलग सामग्रियां चुनकर या सतह की खामियों को चिकना करके कम किया जा सकता है। टीम ने अधिक जटिल सामग्रियों, जैसे कि मेटल मेश फिल्टर और एंटी-रिफ्लेक्टिव कोटिंग्स को शामिल करने के लिए अपने परीक्षण का विस्तार करने की योजना बनाई है, ताकि यह सुनिश्चित किया जा सके कि टेलीस्कोप श्रृंखला का प्रत्येक घटक जितना संभव हो उतना पारदर्शी और स्वच्छ हो। यह समझकर कि ये सामग्रियां प्रकाश के साथ कैसे परस्पर क्रिया करती हैं, वैज्ञानिक बेहतर उपकरण बना सकते हैं, जिससे यह सुनिश्चित हो सके कि प्रारंभिक ब्रह्मांड की मंद फुसफुसाहट हमारे अपने उपकरणों के स्टैटिक (static) के बिना स्पष्ट रूप से सुनी जा सके।