Thin-film Filters for Solar Astrophysics: Science and Technology Development for the NASA MUSE Mission

Extreme ultraviolet (EUV) filters are key components for space missions to the solar environment, providing the necessary wavelength selection and attenuation of visible light. My thesis contributes to the optical and technological consolidation of the NASA MUSE (Multi-slit Solar Explorer) mission, an EUV solar observatory designed to probe coronal dynamics with unprecedented spatio-temporal resolution, with the main objective to enable the first observations of the EUV solar corona able to aid the require physical modeling in order to hone the theories answering open questions in astrophysics such as the Coronal Heating problem.My dissertation aids the mission through the study, design, and characterization of thin-film input filters optimized for extreme ultraviolet (EUV) observations, while also proposing a few methodological contributions to the analysis of multi-slit spectral data. The work focuses on input filters for the spectrograph and context sensor, which must offer high EUV performance, high UV-VIS-IR rejection to prevent CCD degradation, limited diffraction-induced image degradation, and mechanical robustness for launch.In Chapter 1, the Introduction, I introduce the state-of-the-art of thin film filters, their use in solar space missions, and discuss the role of diffraction, transmittance in various wavelength bands, and mechanical resistance. I also introduce the MUSE mission, its scientific objectives, and how this work contributes to the consolidation of the mission's payload, and to advance the scientific and technological maturity of the thin films proposed.In Chapter 2, I present the filters' designs, both based on heritage missions and on novel carbon nanotube (CNT) substrates, and introduce the techniques employed numerically to assess their diffraction impact at the focal plane of the mission. I conclude that the proposed CNT-based thin film filters can offer augmented performance diffraction-wise when compared to heritage-based solutions, while, in the channel pertaining to the Fe XV line of 284 Å, I show how a study of the trade-off between raw signal in the core encircled energy and relative intensity of the diffracted secondary peaks is required, since the CNT-based solutions produces less relative diffraction, while the heritage-based solution proves to be more intense at the core.In Chapter 3, I discuss of the filters' visible performance, with a detailed description on the requirement definition and on the experimental assessment over aluminized small witness samples. I retrieve the requirement for the Context Imager telescope to be about T < 0.000001 in transmittance as a flat-band requirement in the UV-VIS-IR range and discuss experimentally how all of the Al-coated designs satisfy this requirement, although the heritage-based filters do satisfy it with a greater margin.In Chapter 4, I detail the transmittance of small witness samples of all designs (both Al-coated and Zr-coated, heritage-based and CNT-based) evaluated with experiments carried out with synchrotron radiation with X-ray Absorption Spectroscopy XAS to provide in-band transmittance curves and a description of the inner-layer compositional data analysis for the designs. More native-oxidation on the metal coatings deposited on CNT-substrates is seen, although, even with a worse oxidation, the CNT-based filters outperform heritage-based solutions with PI substrate in all channels in terms of raw transmittance. On the other hand, heritage-based solutions with no substrate remain the most transmissive of all samples in all channels. The results confirm the expected performance of heritage solutions and expands the knowledge over the new technology of CNT as a valid substrate for applications in astrophysics.In Chapter 5, a technical note paragraph, I showcase the ongoing progress towards the development of an extreme ultraviolet EUV source, the Penning Discharge Source, for direct calibration purposes and of interest for MUSE.The Conclusion rounds up the thesis.Appendices do follow, serving the purpose of complementing the information provided throughout the main text. A special mention goes towards Appendix E, on the Bi-Gaussian Fitting Analysis approach, where I briefly introduce MUSE's data processing and information retrieval machinery, complementing almost entirely the experimental part, and I detail the development of a novel software strategy aiming to address some expected complexities. This approach demonstrated initial successes, possibly inspiring future approaches where the complexity of the data analysis, induced by the novelty of the multi-slit in MUSE, can be diminished or solved completely even with a simple physics-substantiated approach.

I filtri per l'estremo ultravioletto (EUV) sono componenti chiave per le missioni spaziali nell'ambiente solare, poiché forniscono la necessaria selezione della lunghezza d'onda e l'attenuazione della luce visibile. La mia tesi contribuisce al consolidamento ottico e tecnologico della missione NASA MUSE (Multi-slit Solar Explorer), un osservatorio solare EUV progettato per sondare la dinamica coronale con una risoluzione spazio-temporale senza precedenti, con l'obiettivo principale di consentire le prime osservazioni della corona solare EUV in grado di supportare la necessaria modellazione fisica al fine di affinare le teorie che rispondono a domande aperte in astrofisica come il problema del riscaldamento coronale.La mia tesi supporta la missione attraverso lo studio, la progettazione e la caratterizzazione di filtri a film sottile della pupilla d'entrata che compongono i filtri di ingresso (Entrance Filters, EF) dei telescopi della missione ottimizzati per osservazioni nell'EUV, proponendo anche alcuni contributi metodologici all'analisi dei dati spettrali ottenuti dalla multi-fenditura. Il lavoro si concentra sugli EF per lo Spectrograph ed il Context Imager (i due telescopi della missione), e devono offrire elevate prestazioni EUV, un'elevata reiezione UV-VIS-IR per prevenire il degrado del CCD, una limitata degradazione dell'immagine indotta dall'effetto di diffrazione, e devono godere di elevata robustezza meccanica per il lancio.Nel Capitolo 1, l'Introduzione, presento lo stato dell'arte dei filtri a film sottile, il loro utilizzo nelle missioni spaziali solari e discuto il ruolo della diffrazione, della trasmittanza in diverse bande di lunghezza d'onda e della resistenza meccanica. Introduco inoltre la missione MUSE, i suoi obiettivi scientifici e come questo lavoro contribuisca al consolidamento del carico utile della missione e al progresso della maturità scientifica e tecnologica dei film sottili proposti. Inoltre, vengono descritte in dettaglio anche le applicazioni alternative dei film sottili EUV, insieme allo stato dell'arte delle missioni spaziali EUV diverse da quelle direttamente legate a MUSE.Nel Capitolo 2, presento i progetti dei filtri, sia quelli basati su missioni tradizionali che su nuovi sottostrati composti da nanotubi di carbonio (CNT), e introduco le tecniche impiegate numericamente per valutarne l'impatto della diffrazione sul piano focale della missione. Concludo che i filtri a film sottile basati su CNT proposti possono offrire prestazioni diffrattometriche migliorate rispetto alle soluzioni basate su filtri tradizionali, mentre, nel canale relativo alla riga in emissione di Fe XV a 284 Å, mostro come sia necessario uno studio del compromesso tra segnale grezzo e intensità relativa dei picchi secondari diffratti, poiché le soluzioni basate su CNT producono una diffrazione relativa inferiore, mentre la soluzione basata su filtri tradizionali si dimostra più intensa.Nel Capitolo 3, analizzo le prestazioni visibili dei filtri, con una descrizione dettagliata della definizione dei requisiti e della valutazione sperimentale su piccoli campioni di testimone alluminati. Illustro e derivo il requisito per il telescopio Context Imager, ovvero che i filtri abbiano una trasmittanza di circa T < 0.000001 come requisito a banda costante nell'intervallo UV-VIS-IR, e discuto sperimentalmente come tutti i modelli rivestiti in Al soddisfino questo requisito, sebbene i filtri tradizionali lo soddisfino con un margine maggiore.Nel Capitolo 4, descrivo in dettaglio la trasmittanza di piccoli campioni di tutti i design (sia rivestiti in Al che rivestiti in Zr, basati su filtri tradizionali e basati su CNT), valutata tramite esperimenti condotti con luce di sincrotrone con spettroscopia di assorbimento di raggi X e tecnica XAS, per fornire curve di trasmittanza in banda EUV e una descrizione dell'analisi dei dati compositivi dello strato interno per i design. Si osserva una maggiore ossidazione nativa sui rivestimenti metallici depositati su substrati di CNT, sebbene, anche con una maggiore ossidazione, i filtri basati su CNT superino le soluzioni basate su filtri tradizionali con substrato PI in tutti i canali in termini di trasmittanza grezza. D'altra parte, le soluzioni basate su filtri tradizionali e senza substrato rimangono le più trasmissive tra tutti i campioni ed in tutti i canali. I risultati confermano le prestazioni attese delle soluzioni tradizionali e ampliano la conoscenza della nuova tecnologia dei CNT come substrato valido per applicazioni in astrofisica.Nel Capitolo 5, un paragrafo di note tecniche, presento i lavori in corso verso lo sviluppo di una sorgente EUV, la Penning Discharge Source, per scopi di calibrazione diretta e di interesse per MUSE.La Conclusione conclude la tesi.Seguono delle Appendici, che servono a integrare le informazioni fornite nel testo principale. Una menzione speciale va all'Appendice E, sull'approccio di Analisi di Adattamento Bi-Gaussiana, dove introduco brevemente il meccanismo di elaborazione dati e di recupero delle informazioni di MUSE, quasi interamente di complemento alla parte sperimentale, e descrivo in dettaglio lo sviluppo di una nuova strategia software volta ad affrontare alcune complessità previste. Questo approccio ha dimostrato successi iniziali, ispirando potenzialmente approcci futuri in cui la complessità dell'analisi dei dati, indotta dalla novità della multi-fenditura in MUSE, può essere ridotta o risolta completamente anche con un semplice approccio basato sulla fisica.