Come è fatto lo specchio di JWST

[danilob]

https://www.jwst.nasa.gov/content/observatory/ote/mirrors/index.html#1c



--
Lanciata dalla NASA la sonda che cercherà vita intelligente sulla Terra.

[Patrizio]

On Monday, December 27, 2021 at 12:15:09 PM UTC+1, danilob wrote:
> https://www.jwst.nasa.gov/content/observatory/ote/mirrors/index.html#1c

Dice che la base delle piastre è fatta di berillio (serve a ridurre il peso
mantenendo sufficiente rigidità) ricoperto di una pellicola di oro
(serve per avere maggiore riflettanza nell'infrarosso), ma poi questa
viene ulteriormente ricoperta di un sottile strato trasparente di silice
(per la resistenza meccanica, OK).
Però la silice ha dei picchi di assorbimento proprio nell'infrarosso:
https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C14808607&Contrib=IARPA-IR-S&Type=IR-SPEC&Index=0#IR-SPEC
(in cm^-1)
https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C14808607&Contrib=IARPA-IR-S&Type=IR-SPEC&Index=0#IR-SPEC
(in micron)
Mi pare che ci siano poche finestre pulite, tranne nel NIR
(near IR, ore 4000 cm^-1): è principalmente questa regione che si
intende sfruttare?

Ciao
Patrizio

[danilob]

Questione complessa, a cui non so dare una risposta completa. Alla tua
domanda comunque risponderei no. La regione di lunghezze d'onda
analizzata, considerando tutti e quattro gli strumenti a bordo, va da
0.6 a 28 micron, quindi non solo i dintorni della lunghezza d'onda di
2.5 micron, corrispondente a 4000 cm^-1.
Quelli che fai vedere sono grafici di riflettività, non di assorbimento.
Riflettività bassa può significare anche trasmissibilità alta, non solo
assorbimento alto. Vale la regola: riflessione + trasmissione +
assorbimento = 1 (cioè 100%). E' vero che il vetro trasmette poco
l'infrarosso, ma si parla di uno spessore di 0.1 micron, cioè 1/10000 di
millimetro (se avesse lo stesso spessore del sottostante strato in oro).
E' meno della lunghezza d'onda della luce incidente. Quanto potrà
assorbire? Credo poco, ma qui ci vorrebbe un esperto.

[Giorgio Bibbiani]

Il 28/12/2021 13:42, Patrizio ha scritto:

> On Monday, December 27, 2021 at 12:15:09 PM UTC+1, danilob wrote:
>> https://www.jwst.nasa.gov/content/observatory/ote/mirrors/index.html#1c
>
> Dice che la base delle piastre è fatta di berillio (serve a ridurre il peso
> mantenendo sufficiente rigidità) ricoperto di una pellicola di oro
> (serve per avere maggiore riflettanza nell'infrarosso), ma poi questa
> viene ulteriormente ricoperta di un sottile strato trasparente di silice
> (per la resistenza meccanica, OK).
> Però la silice ha dei picchi di assorbimento proprio nell'infrarosso:
> https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C14808607&Contrib=IARPA-IR-S&Type=IR-SPEC&Index=0#IR-SPEC
> (in cm^-1)
> https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C14808607&Contrib=IARPA-IR-S&Type=IR-SPEC&Index=0#IR-SPEC
> (in micron)

Quei grafici non sono relativi alla silice,
ma a _granelli_ di sabbia, v.:

https://it.wikipedia.org/wiki/Mesh_(unit%C3%A0_di_misura)

non c'è meraviglia che la riflettenza sia maggiore
di quella del diossido di silicio (quarzo fuso)...

Ciao

--
Giorgio Bibbiani
(mail non letta)

[Patrizio]

On Sunday, January 2, 2022 at 9:51:09 PM UTC+1, Giorgio Bibbiani wrote:
> Il 28/12/2021 13:42, Patrizio ha scritto:
> > On Monday, December 27, 2021 at 12:15:09 PM UTC+1, danilob wrote:
> >> https://www.jwst.nasa.gov/content/observatory/ote/mirrors/index.html#1c
> >
> > Dice che la base delle piastre è fatta di berillio (serve a ridurre il peso
> > mantenendo sufficiente rigidità) ricoperto di una pellicola di oro
> > (serve per avere maggiore riflettanza nell'infrarosso), ma poi questa
> > viene ulteriormente ricoperta di un sottile strato trasparente di silice
> > (per la resistenza meccanica, OK).
> > Però la silice ha dei picchi di assorbimento proprio nell'infrarosso:
> > https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C14808607&Contrib=IARPA-IR-S&Type=IR-SPEC&Index=0#IR-SPEC
> > (in cm^-1)
> > https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C14808607&Contrib=IARPA-IR-S&Type=IR-SPEC&Index=0#IR-SPEC
> > (in micron)
> Quei grafici non sono relativi alla silice,
> ma a _granelli_ di sabbia, v.:

Sì, vero; potrebbe anche essere silice microcristallina, non
cambierebbe molto (vedi anche risposta a danilob).
Si vede anche il picco intenso e molto largo, tra 3300 e 3600 cm^1,
dovuto all'acqua adsorbita sulla superficie del granello, che dovrebbe
mancare in un cristallo puro di silice, ma checi sarà inevitabilmente
anche nello strato di silice dapositata sull'oro.

> https://it.wikipedia.org/wiki/Mesh_(unit%C3%A0_di_misura)
>
> non c'è meraviglia che la riflettenza sia maggiore
> di quella del diossido di silicio (quarzo fuso)...

Sì, ma il punto è che quegli assorbimenti ci sono; se poi abbiano o no
un impatto significativo o meno è ciò avrei desiderato appurare.

> Ciao
>
> --
> Giorgio Bibbiani

Grazie anche a te
Patrizio

[Patrizio]

On Sunday, January 2, 2022 at 4:30:09 PM UTC+1, danilob wrote:
> Il 28/12/2021 13:42, Patrizio ha scritto:

...

> > Però la silice ha dei picchi di assorbimento proprio nell'infrarosso:
> > https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C14808607&Contrib=IARPA-IR-S&Type=IR-SPEC&Index=0#IR-SPEC
> > (in cm^-1)
> > https://webbook.nist.gov/cgi/cbook.cgi?ID=C14808607&Contrib=IARPA-IR-S&Type=IR-SPEC&Index=0#IR-SPEC
> > (in micron)
> > Mi pare che ci siano poche finestre pulite, tranne nel NIR
> > (near IR, ore 4000 cm^-1): è principalmente questa regione che si
> > intende sfruttare?

Oops, qui sopra 'ore' deve leggersi 'oltre'.

> Questione complessa, a cui non so dare una risposta completa. Alla tua
> domanda comunque risponderei no. La regione di lunghezze d'onda
> analizzata, considerando tutti e quattro gli strumenti a bordo, va da
> 0.6 a 28 micron, quindi non solo i dintorni della lunghezza d'onda di
> 2.5 micron, corrispondente a 4000 cm^-1.
> Quelli che fai vedere sono grafici di riflettività, non di assorbimento.
> Riflettività bassa può significare anche trasmissibilità alta, non solo
> assorbimento alto. Vale la regola: riflessione + trasmissione +
> assorbimento = 1 (cioè 100%). E' vero che il vetro trasmette poco
> l'infrarosso, ma si parla di uno spessore di 0.1 micron, cioè 1/10000 di
> millimetro (se avesse lo stesso spessore del sottostante strato in oro).
> E' meno della lunghezza d'onda della luce incidente. Quanto potrà
> assorbire? Credo poco, ma qui ci vorrebbe un esperto.

Intanto, chiedo scusa della precipitazione: sicuro degli assorbimenti della
silice nell'infrarosso, ho preso il primo link utile degno di attendibilità, non
badando a rifessione o assorbimento. Per la questione teorica, specie
sulla frazione di lunghezza d'onda, credo che ci voglia un fisico.

Grazie, comunque
Patrizio

[Giorgio Bibbiani]

Il 03/01/2022 11:11, Patrizio ha scritto:
...
> Sì, ma il punto è che quegli assorbimenti ci sono; se poi abbiano o no
> un impatto significativo o meno è ciò avrei desiderato appurare.

Leggo su wiki

https://en.wikipedia.org/wiki/James_Webb_Space_Telescope

che lo JWST rivela la luce nell'intervallo spettrale I = [0.6, 28.3] um,

dai grafici spettrali dell'indice di assorbimento k_l riportati in

https://www.seas.ucla.edu/~pilon/Publications/AO2007-1.pdf

e dalla (13) nello stesso articolo deriva che il coefficiente
di assorbimento in I è massimo (k_l = 3) per lambda = 9 um
e vale alpha = 4Pi * k_l / lambda = 4.2*10^6 m^-1,
quindi perché l'assorbimento attraverso lo strato di SiO_2
nelle peggiori condizioni sia ad es. < 0.1 occorre che lo
spessore dello strato sia
Deltaz < -log(0.9) / alpha = 2.5*10^-8 m,
analoghe considerazioni si possono fare per il picco intorno
a 12.5 um e per quello intorno a 21 um, aggiungo che non
sono riuscito a trovare dati sullo spessore dello strato
di SiO_2 che ricopre lo specchio.

Però, le misure nell'articolo citato sono relative alla
temperatura ambiente, mentre il coefficiente di assorbimento
di SiO_2 avrà una dipendenza dalla temperatura, ad es. per
Si amorfo alle 2 lunghezze d'onda (una nel visibile,
l'altra nell'infrarosso vicino) studiate in

https://www.osapublishing.org/ol/abstract.cfm?uri=ol-18-7-540

risulta che alpha aumenta all'aumentare di T in un certo
intervallo (non specificato nell'abstract).

Quindi è possibile che (una o più opzioni possono verificarsi):
1) lo strato di SiO_2 sia molto sottile (dell'ordine di 100 atomi)
2) si accetti che possano presentarsi dei picchi di assorbimento
3) il quarzo fuso non sia veramente tale ma sia drogato o
realizzato con diversa composizione stechiometrica
4) la temperatura dello specchio dell'ordine di qualche
kelvin sia tale che l'assorbimento IR diventi trascurabile
5) o altro.

[Patrizio]

Credo che questo sia plausibile

> 2) si accetti che possano presentarsi dei picchi di assorbimento

questa sarà inevitabile, si spera solo nell'esiguità dell'assorbimento

> 3) il quarzo fuso non sia veramente tale ma sia drogato o
> realizzato con diversa composizione stechiometrica

che io sappia, ogni sostanza allo stato condensato assorbe nell'IR;
allo stato gassoso solo gas monoatomici e biatomici di atomi
uguali, tipo N2, O2, non assorbono; questo poi se tali molecole
gassose sono considerate singolarmente (con l'aumentare della
pressione compaiono deboli assorbimenti di intensità crescente).

Alcuni assorbimenti importanti del quarzo fuso o amorfo sono
dovuti ad H2O adsorbita in superficie ed anche, in certa misura,
assorbita uniformemente all'interno del cristallo; questo si traduce
nella presenza di legami Si-O-H che si aggiungono a quelli Si-O-Si
della silice (teoricamente) pura.
Forse è possibile togliere l'acqua assorbita, ma non credo quella
adsorbita in superficie: all'aria l'umidità la ripristinerebbe subito
e, in ogni caso, i legami Si-O-Si sarebbero sì omogenei all'interno,
ma non omogenei (deformati) sulla superficie, comportando
ciò assorbimenti IR aggiuntivi.

> 4) la temperatura dello specchio dell'ordine di qualche
> kelvin sia tale che l'assorbimento IR diventi trascurabile

Su questo non confiderei.

> 5) o altro.
> Ciao

Ciao
Patrizio

[danilob]

Il 04/01/2022 17:24, Giorgio Bibbiani ha scritto:

>
> Quindi è possibile che (una o più opzioni possono verificarsi):
> 1) lo strato di SiO_2 sia molto sottile (dell'ordine di 100 atomi)
> 2) si accetti che possano presentarsi dei picchi di assorbimento
> 3) il quarzo fuso non sia veramente tale ma sia drogato o
> realizzato con diversa composizione stechiometrica
> 4) la temperatura dello specchio dell'ordine di qualche
> kelvin sia tale che l'assorbimento IR diventi trascurabile
> 5) o altro.
>
> Ciao
>

Nel powerpoint qui sotto, slide 20, c'è il grafico della reflettività di
tutti gli specchi costituenti il cammino ottico di JWST.
Per i 18 settori del primario è stata fatta una media dei valori dei
singoli specchi. Per lunghezze d'onda da 2 micron fino a 20 micron, con
la risoluzione di 1 nm (se ho capito bene), la riflettività di un
singolo specchio non scende sotto il 98%. Il 92% si riferisce al cammino
ottico completo. Le perdite per assorbimento nel singolo specchio non
superano quindi il 2%.
Poi c'è la slide 6 con le riflettività in funzione della temperatura:
variazione trascurabile.

https://jwst.nasa.gov/resources/SPIE20128442-89RKeski-Kuha.pptx

C'è anche un pdf, ma in bianco e nero.
https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20120013496/downloads/20120013496.pdf

Alla luce di ciò, punto sull'opzione 3).