Rus
Eng


Обсерватория Тесис





Тесис - космическая обсерватория Обратная связь Карта сайта Поиск
ТЕСИС

КОРОНАС-ФОТОН

Космические эксперименты ФИАН

Солнечные рентгеновские телескопы

Лаборатория рентгеновской астрономии Солнца ФИАН

Команда эксперимента ТЕСИС


Солнечные рентгеновские телескопы

Введение

  Изображение короны Солнца полученное телескопом AIA спутника SDO в спектральном диапазоне  171 A
Рис. 1. Изображение короны Солнца полученное телескопом AIA спутника SDO в спектральном диапазоне  171 Å.
Понимание того, что Солнце следует наблюдать в рентгеновском диапазоне пришло к людям достаточно давно, еще в 40-х годах прошлого века. Дело в том, что корона Солнца, обладая температурой (внимание!) более 1 миллиона градусов Кельвина, излучает великое множество спектральных линий (а также непрерывный спектр) в коротковолновой области (рис. 1). Но, именно излучение этого коротковолнового диапазона, рожденное в короне Солнца, поглощается земной атмосферой; поэтому наблюдательную аппаратуру следует запускать в космос на ракетах или спутниках.
Наблюдения обладают еще одной важной спецификой: дело в том, что используемая оптика сильно зависит от длин волн, в которых ведется наблюдение. Так, при работе в диапазонах в районе 1-50 Å применяют оптику скользящего падения или кристаллическую оптику, а для диапазонов 100-500 Å отлично подходит так называемая многослойная оптика. Дальше мы рассмотрим телескопы на основе многослойной оптики, а спектральный диапазон будем называть EUV - от слов Extreme UltraViolet, именно такое обозначение сейчас широко используется во всем мире.

Рентгеновский телескоп AIA на космическом аппарате SDO

Безусловно, наиболее популярным сейчас является комплекс телескопов AIA (Atmospheric Imaging Assembly) на борту космического аппарата SDO (Solar Dynamic Observatory). Спутник был запущен NASA в 2010-м году и на его борту находится 3 прибора - телескоп EUV-диапазона AIA, магнитограф HMI и спектрограф EVE. Каждый из приборов, в свою очередь, является сложным устройством, включающим несколько каналов регистрации.
Телескоп AIA состоит из 4-х блоков, размещенных на общей платформе (рис. 2). Каждый блок, хотя и выглядит как один телескоп, работает в двух спектральных диапазонах - поверхность каждого зеркала разделена на 2 зоны, каждая из зон работает в своем диапазоне. Поэтому, говорят что AIA обладает 8-ю каналами регистрации.

А теперь рассмотрим это подробнее. Все телескопы построены по так называемой оптической схеме Ричи-Кретьена (подробнее о ней будет ниже).

Телескоп AIA во время предполетной подготовки. 4 внешне одинаковых блока размещены на общей платформе
Рис. 2 Телескоп AIA во время предполетной подготовки. 4 внешне одинаковых блока размещены на общей платформе.

Состоят они из следующих составных частей: входного фильтра, первичного и вторичного зеркал, фильтра детектора, затвор, детектора, корпуса (см. рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема телескопа Ричи-Кретьена.

 

1. Корпус

Корпус выполняет сразу несколько функций:
  • на нем закреплены остальные рентгенооптические элементы (зеркала, фильтры, детекторы). При этом, корпус должен быть механически прочным и обладать малым коэффициентом теплового расширения;
  • корпус с помощью юстировочных приспособлений крепится к общей платформе;
  • корпус обеспечивает светогерметизацию - посторонние пучки и рассеянный свет не попадают внутрь.

Надо сказать, что если эти требования могут быть обеспечены другими средствами, то никакой особенной надобности в черной длинной трубе нет. Так, например, в наземных двухзеркальных телескопах вторичное зеркало крепится на трех штангах. Выглядит непривычно, но работает (рис. 4).

Рис. 4. Телескоп БТА (Большой Телескоп Альт-Азимутальный) — крупнейший в Евразии телескоп с диаметром главного монолитного зеркала 6 м. Установлен в Специальной астрофизической обсерватории (Карачаево-Черкесская республика).

2. Входной и выходной фильтры

Фильтры предназначены для блокировки мощного светового потока видимого диапазона. Дело в том, что излучение Солнца в EUV диапазоне гораздо (на 12 порядков, или в 1012 или в миллион миллионов раз) слабее, чем излучение в видимом диапазоне спектра. Остальная оптика телескопа с большим удовольствием зарегистрировала бы изображение в видимом диапазон, и именно поэтому видимый свет нужно тщательно блокировать.

Фильтры представляют собой Al-пленочку, закрепленную на поддерживающей сетке (рис. 5). Эта пленочка чрезвычайно тонкая - обычно доли микрона (тоньше волоса или обертки от шоколадки Аленка). Сделано это специально, чтобы достичь высокого пропускания на рабочих длинах волн. Правда нужно оговориться, что прозрачность фильтра в 30% считается вполне высокой. Такие фильтры еще иногда называют тонкопленочными абсорбционными: видимый свет просто поглощается в толщине пленки, и чем толще пленка, тем больше поглощение.

Каждый из фильтров (входной фильтр и фильтр детектора) подавляет видимый свет примерно в миллион раз. Казалось бы, можно просто взять только один фильтр, но с более толстой пленкой. Оказывается, одиночный фильтр является менее надежным - один прокол ячейки приведет к полному выходу телескопа из строя (всё будет засвечено), а поэтому применение двух фильтров оправдано.

Поддерживающая сетка нужна для того, чтобы закрепить пленочку в аппаратуре, да и большую прочность она также придает. Вместо Al иногда используют пленки из других материалов, например Zr/Si, в зависимости от нужного спектрального диапазона.

Рис. 5. Слева - один из 4-х секторов входного фильтра для космического телескопа Hi-C. На обратной стороне поддерживающей сетки находится тончайшая пленка, которая, собственно, и является фильтром. Справа - входной фильтр космического телескопа Hi-C, состоящий из 4-х секторов

3. Зеркала

Зеркала являются “сердцем” телескопа. Они собирают поток лучистой энергии с большей площади и формируют (или фокусируют) изображение на детекторе (ПЗС-матрице).

Фраза “оптическая схема Ричи-Кретьена” означает, что в телескопе используются 2 зеркала, первичное - вогнутое, и вторичное - выпуклое (рис. 6). Оба зеркала имеют не сферическую форму поверхности, а гиперболическую.

Рис. 6. Оптическая схема Ричи-Кретьена (сверху) и Гершеля (снизу), обладающие одинаковым фокусным расстоянием.

В отличие от однозеркальных схем, схема Ричи-Кретьена обладает высоким качеством изображения и при этом весьма компактна (двухзеркальный телескоп обычно получается вдвое короче, чем однозеркальный с тем же фокусным расстоянием). Несферическая форма зеркал обеспечивает подавление аберраций: именно два зеркала гиперболической формы со специально подобранными эксцентриситетами позволяют подавить сферическую аберрацию и кому одновременно. А вот в однозеркальной схеме зеркало параболической формы устраняет только сферическую аберрацию. Впрочем, форма поверхности зеркал так мало отличается от сферы, что без специальных приборов этого никак не заметить.

Зеркала устроены следующим образом: сначала изготавливают так называемые подложки зеркал из какого-либо высококачественного стекла или керамики (ведь важны малая шероховатость и низкий коэффициент теплового расширения), им придают нужные радиусы кривизны и эксцентриситеты. А потом наносят так называемые многослойные покрытия. Дело в том, что коэффициент отражения EUV излучения от любого вещества чрезвычайно мал ~ единицы процентов. А многослойные покрытия состоят из пар чередующихся слоев двух материалов с разными показателями преломления n. На каждой из границ материалов происходит небольшое отражение, но когда таких границ порядка 100, то конструктивная интерференция приводит к тому, что коэффициент отражения достигает существенной величины, например 30%, а то и все 70%.

Зеркала можно поделить на зоны и нанести на каждую зону свое, специализированное покрытие на нужный спектральный диапазон. Так, для покрытия на 171 Å можно использовать многослойную структуру Al/Zr, а для 304 Å - многослойную структуру Mo/Si или Mg/Si.

На рис. 7 приведено фото зеркал телескопа Ричи-Кретьена, которые были использованы в телескопе ТЕСИС на спутнике КОРОНАС-Фотон. Зеркала покрыты многослойной структурой Mg/Si, оптимизированной на спектральный диапазон вблизи 304 Å. На рис. 7 - фото первичного зеркала телескопа AIA, поделенного на 2 зоны с многослойными покрытиями Mo/Si, оптимизированными на диапазоны 211 и 193 Å.

Рис. 7. Многослойные зеркала телескопа Ричи-Кретьена, которые были использованы в телескопе ТЕСИС на спутнике КОРОНАС-Фотон. Зеркала покрыты многослойной структурой Mg/Si, оптимизированной на спектральный диапазон вблизи 304 Å.

Рис. 8. Первичное зеркало одного из телескопов AIA. Зеркало поделено на 2 зоны с многослойными покрытиями Mo/Si,
оптимизированными на спектральные диапазоны вблизи 211 и 193 Å.

4. Детекторы

В качестве детекторов изображений сейчас широко используются ПЗС-матрицы (CCD в английской терминологии). Те ПЗС-матрицы, которые применяются в солнечных телескопах, по своим характеристикам похожи на ПЗС-матрицы из топовых зеркальных фотоаппаратов. У них также большие геометрические размеры - например 27х27 или 54х54 мм и большое разрешение - более чем 2 тыс х 2 тыс пикселей. Так, у телескопа AIA как раз ПЗС-матрицы размером 49х49 мм при 4096х4096 пикселях (рис. 9).

Существенное отличие наших, космических ПЗС-матриц, состоит в следующем: у ПЗС-матриц из фотоаппаратов на передней поверхности нанесены электроды. Если смотреть невооруженным глазом, то их наличие можно определить по разноцветному отражению от поверхности ПЗС-матрицы - дифракции на электродах. Эти электроды и слои изолятора между ними не пропускают EUV излучение дальше, в светочувствительные слои кремния, а сами поглощают его. Поэтому, для солнечных телескопов используют ПЗС-матрицы, изготовленные по технологии backside (иногда используют термин backthinned). Свет они принимают “задней” стороной, а электроды расположены на “передней” - обратной. Такие матрицы, кроме того, что чувствительны к излучению EUV диапазона, еще и обладают более высокой чувствительностью по сравнению с обычными ПЗС-матрицами (и уж подавно более высокой по сравнению с детекторами других типов). К сожалению, backside матрицы весьма дороги - хорошая backside-ПЗС может стоить 50 тыс евро.

Стоит также отметить, что КМОП-детекторы (CMOS в английской терминологии), которые также широко используются в фототехнике наряду с ПЗС, не могут регистрировать EUV-излучение. У них на светочувствительной поверхности существенно больше электродов, а по backside- технологии изготавливать их невозможно. Поэтому в солнечных рентгеновских телескопах такие детекторы не используются совсем. 
Рич. 9. Слева - ПЗС-матрица телескопа AIA (спутник SDO) - модель CCD203-82, размером 4096х4096 пикселей, размер пикселя - 12х12 мкм, производства фирмы e2v (Англия). Справа - ПЗС-матрица, использовавшаяся в телескопе ТЕСИС (спутник КОРОНАС-Фотон) - модель CCD42-40, размером 2048х2048 пикселей, размер пикселя 13.5х13.5 мкм, производства фирмы e2v.

5. Затвор

Затвор - это устройство, которое строго контролирует время, в течение которого изображение проецируется на ПЗС-матрицу. Например, в телескопе AIA затвор состоял из диска, посаженного на ось двигателя (рис. 10). Когда изображение регистрировать не нужно, диск закрывает ПЗС-матрицу. А когда настало время экспонировать - диск вращается, и все участки ПЗС-матрицы освещаются равномерно (одинаковое время). Потом диск останавливается в закрытом состоянии.

Рис. 10. Слева - фото затвора телескопа AIA, справа - принцип работы затвора.
Бывают еще и так называемые электронные затворы. Для этого используется прямоугольная ПЗС-матрица, причем половина ее закрыта непрозрачным экраном. Изображение проецируется на открытую часть заданное время, а затем очень быстро полученная электронная картинка переносится в закрытую область. Далее изображению посторонние засветки уже не страшны и начинается процесс считывания, который может занимать несколько секунд. В частности, в таком режиме некоторое время работали телескопы ТЕСИС на спутнике КОРОНАС-Фотон.