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

Diep in de koude stilte van de ruimte fluistert het universum geheimen in licht dat onze ogen niet kunnen zien. Dit licht, bekend als de kosmische achtergrondstraling (Cosmic Microwave Background), is de oudste gloed in het bestaan, een zwak nabeeld van de oerknal zelf. Om deze fluistering duidelijk te horen, bouwen astronomen telescopen die niet alleen krachtig zijn, maar ook ongelooflijk koud, gekoeld tot temperaturen nabij het absolute nulpunt om te voorkomen dat hun eigen warmte het kosmische signaal overstemt. Deze delicate instrumenten moeten echter nog steeds door een venster naar de hemel kijken. Dat venster, en de filters die ervoor geplaatst zijn, moeten gemaakt zijn van materialen die dit specifieke licht doorlaten terwijl ze de warmte van de aarde en de atmosfeer blokkeren. Decennialang hebben wetenschappers vertrouwd op bepaalde kunststoffen voor deze vensters, uitgaande van de veronderstelling dat ze transparant waren en onschadelijk voor de gevoelige detectoren binnenin. Maar er bleef een hardnekkige twijfel bestaan: zouden deze materialen kleine hoeveelheden licht in onverwachte richtingen kunnen verstrooien, waardoor er een laag ruis ontstaat die de duidelijkste beelden van de geboorte van het universum vertroebelt?

Een team onderzoekers van de Universiteit van IJsland en de Universiteit van Stockholm ging op zoek naar een antwoord op deze vraag door deze veelvoorkomende kunststofmaterialen een rigoureuze test te onderwerpen. Ze richtten zich op vier soorten polymeren die vaak worden gebruikt in hooggevoelige telescopen: hogedichtheidpolyethyleen, dat wordt gebruikt voor lenzen en vensters; polytetrafluoretheen, een materiaal dat soms voor filters wordt gebruikt; nylon, een veelgebruikte keuze voor het blokkeren van infrarode warmte; en een gespecialiseerd schuim gemaakt van polyethyleen. De wetenschappers wilden niet alleen weten hoeveel licht deze materialen doorlieten, maar ook wat er met het licht gebeurde dat ze raakte. Specifiek zochten ze naar "verstrooiing" (scattering), een fenomeen waarbij licht weerkaatst tegen minuscule imperfecties of structuren in het materiaal en onder brede hoeken wegspringt, in plaats van recht door het materiaal te reizen. Zelfs een minuscule hoeveelheid van dit verstrooide licht kan een probleem vormen, omdat het de warme onderdelen van de telescoop kan raken en zo een vals signaal creëert dat de gegevens verwart.

Om dit ongrijpbare verstrooide licht te vangen, bouwden de onderzoekers een unieke testopstelling die functioneerde als een hoogwaardige radar. Ze gebruikten een apparaat genaamd een vector netwerkanalysator, die radiogolven uitzendt in het millimeter- en submillimeterbereik, dezelfde frequenties die worden gebruikt om het heelal te bestuderen. In plaats van een menselijke operator die een detector vasthoudt, gebruikten ze een geavanceerde robotarm om de ontvangerkop in een nauwkeurige boog rond het monster te bewegen, zwaaiend van zijde naar zijde en van op en neer. Hierdoor konden ze het licht in kaart brengen dat door de kunststofbladen ging en zien of er een deel van het licht naar de zijkanten was afgebogen. Ze testten de materialen op frequenties variërend van 90 tot 330 gigahertz, wat het cruciale gebied beslaat waarin deze telescopen werken. Ze gebruikten ook een andere machine om te testen hoeveel licht de materialen absorbeerden bij nog hogere frequenties, tot 1400 gigahertz, om een volledig beeld te krijgen van hun gedrag.

De resultaten schetsen een duidelijk beeld van welke materialen veilig zijn en welke een tweede blik verdienen. De massieve blokken polyethyleen en de platen van polytetrafluoretheen presteerden precies zoals gehoopt. Ze lieten het licht door met bijna geen verstrooiing, waardoor ze fungeerden als schone, onzichtbare vensters voor de telescoop. De nylon monsters vertelden echter een ander verhaal. De nylon platen kwamen aan met minuscule, parallelle groeven op hun oppervlak, achtergelaten door het productieproces. Deze groeven, slechts ongeveer 10 micrometer diep, werkten als een diffractierooster, waardoor het licht aanzienlijk naar de zijkanten werd verstrooid. De onderzoekers ontdekten dat deze oppervlaktestructuur de boosdoener was, wat bewees dat zelfs microscopische imperfecties de lichtstroom kunnen verstoren.

De meest verrassende bevinding kwam van de polymeerschuimen, die vaak worden gebruikt als lichtgewicht, meerlagige isolatie in telescopen. Deze schuimen zijn gevuld met kleine luchtzakjes, of cellen, die ongeveer 400 micrometer groot zijn. Wanneer het licht deze schuimen raakte, ging het er niet schoon doorheen. In plaats daarvan interageerde het licht met de grote interne cellen, wat zorgde voor een brede, uniforme verstrooiing waardoor een aanzienlijke hoeveelheid vermogen onder hoge hoeken wegspurtte. De onderzoekers berekenden dat dit verstrooide licht gemakkelijk de warme delen van de telescoop zou kunnen raken, wat potentieel een meetbare hoeveelheid ruis aan de detectoren toevoegt. Dit suggereert dat hoewel deze schuimen uitstekend zijn voor isolatie, hun interne structuur te groot is voor de golflengten van het licht die deze telescopen proberen te vangen, waardoor ze meer als een mistige lens fungeren dan als een helder venster.

De studie mat ook hoeveel licht deze materialen absorbeerden, wat een andere manier is waarop ze de prestaties van de telescoop kunnen verslechteren. De nylon materialen bleken vrij verlieslatend te zijn, waarbij ze een aanzienlijke hoeveelheid van het signaal absorbeerden, vooral bij hogere frequenties. Het polyethyleen en polytetrafluoretheen bleven zeer transparant en absorbeerden zeer weinig. Door de verstrooiingsgegevens te combineren met de absorptiemetingen, leverde het team een gedetailleerde kaart van hoe deze materialen zich over het spectrum gedragen. Ze stelden vast dat de optische eigenschappen van de massieve kunststoffen stabiel en voorspelbaar waren, maar dat de schuimen en de gegroefde nylon variabelen introduceerden die niet genegeerd konden worden.

Dit werk verklaart deze materialen niet als nutteloos, maar benadrukt een kritische noodzaak voor betere karakterisering. De onderzoekers benadrukken dat voor de volgende generatie telescopen, die het universum met ongekende precisie willen in kaart brengen, elke bron van ruis moet worden meegerekend. Het verstrooide licht van het schuim en de gegroefde nylon vertegenwoordigt een verborgen bron van fouten die verminderd kan worden door andere materialen te kiezen of door oppervlakte-imperfecties glad te strijken. Het team plant om hun tests uit te breiden naar complexere materialen, zoals metalen gaasfilters en antireflectiecoatings, om ervoor te zorgen dat elk onderdeel in de keten van de telescoop zo transparant en schoon mogelijk is. Door precies te begrijpen hoe deze materialen met licht interageren, kunnen wetenschappers betere instrumenten bouwen, zodat de zwakke fluisteringen van het vroege universum duidelijk gehoord kunnen worden, zonder de statische ruis van onze eigen apparatuur.