Conference Notes

from the conference "Mirror cleaning and coating conference"
Palomar Observatory 25-27 April 2001

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CONFERENCIA SOBRE LIMPIEZA Y RECUBRIMIENTO ('COATING') DE ESPEJOS ASTRONOMICOS

(PALOMAR OBSERVATORY, 25-27 ABRIL 2001)

 

 

Resumen basado en notas personales, documentos entregados y notas de Bruce Gillespie (APO) circuladas posteriormente en el grupo de discusion TOG. Se esta preparando un proceeding de la conferencia. La conferencia fue organizada por Mark Klaene (APO) y Bob Thicksten (Palomar). Algunas fotos del evento preparadas por APO se ven aqui.

 

TECNICAS EN PARANAL (Paul Giordano)

No hacen lavado en situ. Aluminizado se hace en un edificio a 2 km de las cupulas con sala limpia de clase 5000 y extraccion de aire (3.5m^3/s) durante el uso de quimicos (especialmente acido y alcohol). Paul mostro un video muy interesante de 15min sobre estas actividades. Paul mostro graficos con mediciones de reflectividad y diffusion. Entrego una copia del estudio de pre-factibilidad del sputtering de plata por Linde. La sabiduria de Paul es: el espejo mas limpio no es el que limpiamos lo mas frecuentemente, pero el que ensuciamos lo menos frecuentemente.

 

Limpieza del sitio:
  • Colocacion de gravilla en la cumbre para mantener el polvo en el suelo, uso de cemento y agua en la laderas del cerro para evitar polvo levantado por el viento
  • Filtros Hepa en los sistemas de aire acondicionados de las cupulas
  • Chequeo diario de la limpieza en los domos con aspiradores, paños mojados y carpetas adhesivas a la entradas de la puertas
  • Monitoreo del polvo con detectores Met-One en el mastil meteorologico a 20 y 30m de altura y luego a dentro de las cupulas para decidir si abrir/cerrarlas.
  • Monitoreo de la actividad de las mina cercana (polvo y contaminacion de luz)

 

Limpieza CO2 de los espejos:
  • Iniciada en enero 2001 para M1 y M3, se hace cada 4 meses. En 4 meses, se pierde del orden de 4 a 6% por superficie.
  • Operacion de 4 horas con al menos 2 personas, se usa de 4 a 5 cilindros de CO2 99.95% puro por espejo. Nieve se tira a unos 20cm de la superficie. Operador trabaja a 12m de altura del suelo en un carro monta-carga-grua.
  • Un espejo se considera sucio cuando su micro-rugosidad de superficie llega a los 120Angstroms (lo miden con el reflecto-scaterometro Micro-Scan)
  • Micro-rugosidad de superficie es tipicamente de 10-20 Angstroms despues del aluminizado
  • Despues de 10 meses, la primera limpieza CO2 del M1 del UT1 recupero la reflectividad de 73.4% a 84.8% a 670nm
  • No se hacen limpieza CO2 con humedad ambiente superior a 60% (la nieve pega a las superficies) y la eficiencia de la limpieza es muy baja. No hay problema de estatica cuando la humedad es baja.
  • Reflectometro calibrado con espejo de referencia. Paul no da entera confianza al Micro-Scan. La zona de medicion es muy grande y a veces no refleja bien la perdida en reflectividad.

 

Sistema de lavado antes de aluminizar:
  • Proceso iniciado en Febrero 2000 con el lavado de M1 del UT1. Operacion demora 1 dia.
  • El espejo esta colocado en el carro de aluminizado, los liquidos se colectan por el hoyo central mientras que el perimetro esta sellado con una banda inflable
  • Una maquina rotatoria (eje en el centro del espejo) tira los productos por 3 embudos de presion regulable cerca del borde exterior del espejo.
  • Receta: solucion con agua de llave y detergente a 2% y 60C (400l), solucion NAOH a 5% (250l), HCl + sulfato de cobre a 10% (140l), agua deionizada (4uS/cm) (3000l), propanol-2 (grado de analisis) (120l) y secado con aire.
  • El secado aun no es satisfactorio. Una pelicula de polvillo blanco muy fino aparece despues de secar el alcohol, lo que se remueve manulamente con paños suaves. Al parecer se debe a que el alcohol es hidroscopico y absorbe contaminante, polvo o humedad del aire, lo que deja residuos cuando seca el alcohol. Este polvillo no aparece en limpieza en sala limpia de clase 100. Se usa alcohol para disolver aceite residual (personalmente no lo recomiendo si no hay evidencia de contaminacion de cuerpo aceitoso).

 

Planta de coating:
  • Proceso completo demora una semana para un M1.
  • Proceso de sputtering (bombardeo de un metal con iones, vaporizandolo) con Al 99.995% puro en un ambiente de gas ionizado Argon.
  • Se efectua un glow discharge previamente al sputtering para calentar levemente el espejo y sacar las moleculas de agua residuales sobre el espejo o las paredes de la camara de vacio. Glow discharge no funciona siempre bien porque demasiado lejos del espejo.
  • 7 horas para hacer el vacio en el camara
  • La planta fue fabricada por Linde y Boc. Es un magnetron unico de 4m de ancho. Se deposita ahora 80nm de Al en una sola revolucion que demora 20min. Solo deja una juntura visible de 4cm de ancho al terminar la revolucion (que se deja alineado debajo del spider del telescopio).
  • Sputtering deberia producir coating mas compacto que la evaporacion termica ya que las moleculas de metal impactan el espejo a mas alta velocidad
  • Variacion de espesor depositado es de 4% (medido con un Dekta 3)
  • Planes para depositar plata: depositar 3 capas (adhesivo al substrato, reflector, protector del reflector), uso de compuestos NiCrNx/SiNx para proteger la plata contra la oxidacion (que resulta esencialmente por los contaminantes del aire como los sulfuros). Si resulta esta receta (detalles aun no conocidos), solo 2 magnetrones adicionales se requieren. Si no absorbe en el IR sio es fino.
  • No se ha estudiado las tecnicas para sacar la plata antes de hacer un nuevo recubrimiento.

 

 

TECNICAS DEL GRUPO ISAAC NEWTON - LA PALMA (Juerg Rey y Marteen Blanken)

  • Un anillo de filamentos en planta de aluminizado del 4.2m. No mojan los filamentos con aluminio antes de empezar. Westinghouse vende wet filaments.
  • Demora solo 20min despues del glow discharge para llegar a vacio de aluminizado
  • Usan alcohol para terminar de limpiar espejos lo que deja marcas blancas
  • Se hace la limpieza CO2 cada 4 semanas y solo cuando RH<40%. Reflectividad aumenta tipicamente de 1% despues de cada limpieza. Problema con estatica, M1 puesta a la Tierra.
  • No lavado en situ
  • Discusion sobre el uso de CO2 de alta presion con pelotitas de CO2, o CO2 de baja presion con cristales (flakes) de CO2, obtenido con un tubo de proyeccion mas largo. La primera opcion se usa sobre todo en limpieza antes de aluminizar. La segunda es mas suave y evita 'incrustar' el polvo en el aluminio durante limpiezas regulares.

 

 

TECNICAS EN KITT PEAK (Gary Poczulp)

Gary hizo varias muy buenas presentaciones acerca de varios temas, mostrando muchas fotos y algunos graficos de sus mediciones con el Minolta CM2002 (que calibra cada vez con un espejo protegido de referencia).

  • La limpieza CO2 no saca hidrocarbonos (aceites) a pesar que en ambiente y parametros muy controlados la industria del semiconductor ha tenido algun exito en eso. La idea es sacar el polvo antes que algun evento de condensacion o humedad produzca una reaccion quimica entre el polvo y los agentes contaminantes que contiene y el aluminio.
  • Utiliza CO2 para limpiar el polvo del substrato justo antes de cerrar la camara de vacio. Es fundamental para evitar 'pinholes' (milles de hoyos minusculos) en el recubrimiento.
  • Usan Kimwipes para el secado final con alcohol. Aplican presion al Kimwipes. No evidencia de espejo rayado. Palomar usa piel de chamois.
  • Mediciones de reflectividad hechas cuando se abre la camara de vacio (o al dia despues): la capa protectora natural de AlO2 (oxidacion del aluminio) ya esta bastante formada cuando la camara vuelve a presion atmosferica.
  • Usa un O-ring de goma para hacer contacto entre el espejo y el reflectometro CM2002, deja muy poca marca.
  • Usan un interferometro en Tucson para medir el espesor depositado. Ideal es 900-1000 Angstroms, menos de 700 y mas de 1200 Angstroms no es tan bueno. En realidad en la literatura, mencionan 500 Angstroms para mantener la transmision bajo 0.1%.
  • Manchas de glycol se limpian con jabon y agua pero hay que hacerlo lo antes posible sino hay riesgo que el glycol se coma el aluminio (etching)
  • En espejos chicos (hasta 2m) cubren la superficie de Kimwipes y luego echan el HCl para seguir remojando el aluminio sin usar tanto acido. Tambien recubren el espejo de Kimwipes para protegerlo cuando lo toma la grua para llevarlo a la camara de vacio.
  • Durante el lavado prior a un aluminizado, despues del HCl, usan carbonato de calcio CaCO3 (en polvo) que forma una especie de pasta luego de mezclar con agua, y con alta presion lo aplastan en el vidrio y 'raspan' agresivamente con Kimwipes, luego acido nitrico y terminan con alcohol. Nunca dejan marcas de rayados del espejo a pesar de la friccion ejercida.
  • Nadie usa agua con alta presion para empezar a limpiar espejos, solo manguera de riego de jardin.
  • No usan glow discharge durante el aluminizado ya que parecia causar un halo (haze) en el aluminizado. Mi impresion personal es que el glow discharge remplaza el uso 'complejo' de quimicos adicionales en la preparacion del espejo (carbonato de calcio y acido nitrico) en cuanto a la eficiencia para limpiar el vidrio de contaminantes residuales.
  • Secado final con Texwipe Technicloth TX609, genero muy suave. Si hay friccion al pasar el genero, es que el substrato no es limpio.
  • Uso de lampara UV para ver comtaminantes residuales despues de lavado y prior a aluminizado no parece ayudar mejor que luz visible.
  • En preparacion de aluminizado: la contaminacion de aceite se saca con III-trichloroethane o xylene

 

TECNICAS EN LA SILLA (Alain Giliotte)
  • Limpieza con CO2: con RH<40% usar presion alta, con RH<80% usar presion baja, con RH>80% no limpiar
  • Frecuencia de limpieza depende mucho de los sitios, tamaño del telescopio, etc... Hacer mediciones regulares para empezar y determinar la mejor frecuencia. Luego una medicion mensual de reflectividad es suficiente
  • Prefieren no hacer contacto duro (con presion) al espejo cuando lo limpian, ni hacer limpieza a seco con Kimwipes.
  • Lavado in-situ del M1 del 3.6m tel, usando camara inflable de bicicleta (u otros) para sellar el hoyo interior del espejo
  • El limpiador adesivo Opti-Clean (liquido que se coloca sobre el espejo, seca y lo protege, luego se saca y deja la superficie limpia) se usa en espejos chicos con exito (hasta 1m). El M1 del UT1 del VLT se mando desde Europa con esta proteccion pero el film protector fue muy dificil de sacar a la llegada a Paranal (se quebro en miles de fragmentos)

 

TECNICAS EN CTIO (Maxime Boccas)
  • Ver slide show en pagina optical engineering
  • No aparente mejoramiento al conectar permanentemente el aluminio del espejo a la tierra, en cuanto a disminuir el polvo atraido por estatica. Apache Point Observatory y Robert Brown a LPL tambien reportan resultados no claros.
  • Met-One polvometros son lo mejor del mercado pero no estan realmente diseñados para ser usados al aire libre (mas bien en sala limpia). Confiabilidad es sujeta a recalibracion al menos cada año (segun APO)
  • Discusion general sobre la limpieza de espejos con laser: no parece ser mejor que el CO2 y es mucho mas dificil de implementar y peligroso. Tecnica sin futuro. Se entrega el informe final de un estudio relaizado por la firma STIoptronics.

 

 

TECNICAS AL HOBBY EBERLY TELESCOPE (Tony Distazio)
  • Los espejos fueron aluminizados por Denton y se deterioraron muy rapidamente. Ninguna cifra entregada.
  • Diseño y fabricacion de un reflectometro que trabaja sin hacer contacto con la superficie. Usa un fotometro y rueda de filtro BVR. Costo $8K en harware, requiere estabilidad de temperatura de 1C, oscuridad total y es confiable a 2.5%. Una buena leccion de como hacer complicado cuando uno puede hacer simple, o como reinventar la rueda...

 

IRIS 908RS (Daniel Malaise)
  • Ver www.dmo.be
  • Lo importante es que calcula la Bidirectional Reflectance Distribution Function. Daniel entregara luego formulas simples para vincularlo al FWHM de una imagen.
  • Mediciones de reflectividad a 470, 530, 650 y 880nm. BRDF medida a 670nm. Compensacion de temperatura.

 

TECNICAS PARA SOFIA (Bill Brown)
  • Presentacion de los planes para aluminizar el espejo de 2m embarcado en un avion Boeing.
  • Haran limpieza regular con CO2.

 

TECNICAS DE SUBARU (Saeko Hayashi)
  • Usan 288 filamentos en 7 anillos, pre-mojados con aluminio. Varias horas para cargarlos con clip de aluminio. Uniformidad de espesor es +/-5%, entre 70 y 130nm adecuado.
  • Aluminizan a 10^-6 torrs y obtienen una rugosidad de 10 Angstroms. Por limitacion de potencia, prenden los filamentos por grupos de 96. El aluminizado mismo dura unos 5 min. Hacen glow discharge con argon. El vacio cae de un factor 10 durante el aluminizado.
  • Reflectomtero Micro-Scan puede ser usado para ver nivel de limpieza antes de aluminizar, a pesar de la incertidumbre porque el instrumento sufre de una señal/ruido muy bajo
  • Limpieza con 99.99% puro CO2: 4-5 cilindros por sesion< demora 10 minutos ya que es un brazo robotizado rotatorio que tira la nieve sobre el espejo, a un angulo de aprox 45 grados. Sin embargo, el video mostrado da a pensar que la limpieza no es uniforme porque el jet de nieve de los multiples embudos (unos 20 en 4m) no se superponen bien. Usan un detector de CO2 gas en el suelo para asegurar que el aire no llega a ser toxico en la cupula. El espejo se enfria de unos 2C durante el proceso.
  • M2 fue recubierto con plata (y filamentos de tantalum) sin proteccion hace 3 años y aun se ve muy bien (no mediciones). Se puso una capa de cromio antes de la plata.

 

 

TECNICAS DE GEMINI: lavado prior al aluminizado (Chas Cavedoni)
  • Numerosas fotos ilustrando el proceso. Siguien la receta de quimicos de Kitt Peak. Cubren el espejo de Kimwipes antes de echar el HCl
  • Usan un cuchillo de aire (air knife) para secar. Esta ubicado radialmente a unos 4-18" encima del espejo (distancia varia por la curvatura del espejo) y hacen varios pasos para secar todo. El espejo esta puesto en un carro rotatorio. Muy exitoso.
  • Excelente politica de manejo y evacuacion de los residuos quimicos toxicos (acidos,...) cuando se saca el aluminio. Respetan reglas de medio ambiente en cuanto a la concentracion de quimicos antes de evacuarlos.
  • www.co2clean.com, nuevo proveedor de equipo.

 

TECNICAS DE GEMINI: la planta de sputtering (Clayton Ah Hee)
  • Los magnetrones son mas chicos que en Paranal y se requiere 3 pasos radiales para alcanzar el radio del espejo. Estan a 45mm del vidrio. Se deposita solo aluminio por ahora. Vacio es de 3.5x10^-3 torrs. Quedan marcas a la juntura de los 3 pasos. Las revoluciones succesivas demoran 18, 24 y 32 min. El sputtering demora 2 horas en total.
  • El magnetron #4 se reserva para el recubrimiento especial en los 50mm en el perimetro del espejo, para el futuro control termico muy preciso del vidrio.
    Procesos de sputtering de plata estan en preparacion.

 

TECNICAS DE GEMINI SUR (Gustavo Arriagada)
  • Explica con varias fotos el proceso usado para preparar el espejo antes del aluminizado, y el entrenamiento del personal

 

TECNICAS EN PALOMAR (Hal Petrie)
  • Aluminizado con 350 filamentos del espejo de 5m. Los filamentos estan solo a 22" arriba del vidrio, pues el angulo de aluminizado es hasta 80 grados lo que produce un halo (haze) en el aluminizado final. Aluminizan a 1-4.10^-6 torrs.
  • Estudio muy interesante de muestras de recubrimeintos bajo microscopio electronico a magnificacion de 40000 a 100000 veces. Muestra estructura cristalina en algunos casos, con 'hoyos' en la capa y mala reflectividad.
  • El uso de Al puro de 99.99 o 99.999% no parece hacer diferencia

 

TECNICAS EN PALOMAR (Bob Thicksten)
  • Presionar el clip de aluminio sobre el filamento hace que derrite mas rapidamente. Son 0.035 gramos de Al per filamento.
  • Usan una camara de aluminizado chica para pre-mojar todos los 350 filamentos. Demora 2 dias. Bob mostro un video del setup para este trabajo. Dentro de la camara, colocan una placa de vidrio para asegurarse que solo mojan el filamento con aluminio y que no evaporan el aluminio (la placa de vidrio de referencia debe quedar transparente hasta el final). Determinan el voltaje optimo para hacer el 'mojado' (melt-in).
  • Al terminar el aluminizado, se injecta oxigeno 99.99% puro en la camara de vacio para volver a presion atmosferica y formar la capa protectora de AlO2 lo mas rapido posible antes que otros ontaminantes se integren (lo que optimiza la reflectividad en el azul).
  • Recomienda dos libros: 'Procedures and experimental physics' de Strong, Ed. Lenzy, y 'Vacuum deposition thin films' de Holland. Tambien recomienda lectura del conocido articulo de G. Hass: 'Filmed surfaces for reflecting optics' en Journal of the Optical Society of America, vol45, 11, nov 1953

 

TECNICAS DE KECK (Tim Saloga)

Tim mostro un video muy interesante de 20min, comentando las actividades de limpieza CO2, lavado y aluminizado.

  • Con un tubo que tira nieve de 3m de largo, se requiere del orden de 1300psi de presion lo que logran con calefactores sobre los cilindros de CO2.
  • Depositan 1100 Angstroms de aluminio, la uniformidad y reflectividad estan bien. Las limpiezas con CO2 'pelan' de a poco el aluminio, probablemente porque las cenizas son abrasivas y bajo el efecto de la nieve CO2, dañan el recubrimeinto. Tim mostro video de una luz transmitida por el espejo y se notan zonas con mucha deterioracion. Otros grupos de Mauna Kea no han visto ese problema.
  • Coloca los clips de aluminio (compra 10000 por $35!) con los dedos sin guantes (!) y asegura que no afecta la pureza del recubrimiento. Con guantes no alcanza a apretar los clips sobre el filamento sin que se quiebre. Reeusa los filamentos unas 25 veces sin problema (por razon de costo).
  • Filtro de aceite de Zito presento problemas (se forman tapones de nieve) en el frio y la altura de Mauna Kea. Fue rediseñado (no resultado claro hasta el dia).
  • Usa con mucho exito una lampara halogena super potente (tipo faro de auto portatil, que utilizan policias la noche para buscar ladrones!) para ver todo los defectos del recubrimiento (rayas, manchas,...) y problemas de uniformidad del espesor, poniendo la luz atras del espejo (el vidrio es solo de unos 10cm de espedor)
  • Tienen 8 segmentos de repuesto del espejo (son 36 espejos hexagonales de 1.8m cada uno que forman el espejo de 10m). Logran sacar y remplazar 3 en solo un dia. Tipicamente, remplazan 3 por mes.

 

DISCUSIONES PARA EL FUTURO
  • Todos esperan con impatiencia resultados de sputtering de plata. B. Brown reporta el primer recubrimiento exitoso (por Newport thin films en California) de un espejo de 2m (para el SAO) con plata y aluminio (fino encima de la plata) que transmite 95% desde 300nm al IR.
  • Se discute la posibilidad de medir la reflectividad en el azul (300nm) lo que no hace ningun instrumento ahora. DMO sugiere el uso de LED azul ahora disponibles y mas confiables (es decir duracion de vida > unas pocas horas!).
  • Se sugiere la posibilidad de medir la transmision completa del telescopio con un instrumento permanente en un rotador, una tecnica sin contacto. DMO sugiere ideas. Mediciones hechas con estrellas standards por ESO no tienen bastante precision por la variacion de la extinccion atmosferica.
  • Apache Point Observatory tiene informacion on-line sobre el tema de esta conferencia en su telescopio de 3.5m aqui
  • Se sugiere una periodicidad de 2 años para este tipo de conferencia

 

VENDEDORES PRESENTES
  • Schmitt measurement systems: Micro-Scan ($10,500)
  • DMO: iris 908RS ($12,000)
  • Minolta: antiguo CM2002 ($12,000, $6,000 segunda mano) y nuevo CM2600d (mas compacto, 360-740nm)

 

 

May 8th, 2001, Maxime Boccas