Непрозрачность вольфрама

Тугоплавкие тяжелые металлы (вольфрам, тантал, молибден) играют роль не только в наземной, но и в космической технике, в том числе при создании высокоточных инструментов для рентгеновской астрономии. Их выбор обусловлен тем, что эти элементы даже при малой толщине (менее 1 мм) являются непрозрачными для рентгеновского излучения в диапазоне до 100 кэВ и даже выше, что вызвано их высокой плотностью. Благодаря этому, на основе вольфрама можно создавать оптические рентгеновские системы, основанные на Фурье спектроскопии, в которых для построения изображения используется эффект блокирования части лучей непрозрачными пластинами. За последние 20 лет подобные оптические системы использовались, как минимум, в двух зарубежных космических обсерваториях: японский спутник Yohkoh, работавший на орбите с 1991 по 2001 год, а также американский космический телескоп RHESSI, запущенный в 2002 году.

Тугоплавкость вольфрама

Работы по созданию рентгеновских телескопов на основе технологий, использующих свойства вольфрама, ведутся и в России, в Физическом институте им. П.Н.Лебедева Российской академии наук (ФИАН), где сейчас разрабатываются сразу два инструмента, которые будут выведены в космос в 2015-2018 годах. Помимо непрозрачности вольфрама к жесткому рентгеновскому излучению, в этих проектах используется и другое его важное свойство – тугоплавкость. Необходимость этого связана со спецификой использования телескопов: они предназначены для наблюдения самого яркого объекта на звездном небе – Солнца, причем один из двух инструментов будет размещен на спутнике, которому предстоит приблизиться к Солнцу на расстояние 40 млн. км. Это в 5 раз ближе, чем находится наша Земля. В таких условиях температура на передней панели спутника, обращенной к Солнцу, как ожидается, будет в диапазоне от 500 до 700 градусов Цельсия, то есть будет достигать значений, при которых плавятся или меняют свои свойства большинство известных материалов. В таких условиях единственным способом защитить научную аппаратуру становится применение тепловых экранов из тугоплавких материалов и сплавов, способных выдержать такие мощные потоки излучения. Основными кандидатами на роль материалов для производства открытых Солнцу элементов научной аппаратуры являются вольфрам и молибден.

Технологичность вольфрама

При производстве рентгеновских оптических систем из вольфрамовых элементов важным является и способность вольфрама вытягиваться в проволоку с диаметром до 20 мкм и менее. Такая проволока является ключевым элементом для прошивочных электроэрозионных установок, способных прорезать в токопроводящих материалах узкие периодические решетки с шириной щели до 40-50 мкм. Фактически, при такой работе вольфрам (в виде проволоки) режет вольфрам (в виде листа). При создании рентгеновской оптики для японского спутника Yohkoh его разработчикам удалось таким способом создать решетки с щелью 50 мкм. Сейчас при создании оптики для телескопов в Российской академии наук ставится задача создать вольфрамовые решетки с щелью 38 мкм.

Пример изображения, полученного с помощью рентгеновского телескопа