СОЛНЕЧНЫЙ ВЕКТОР-МАГНИТОГРАФ
SOLAR VECTOR MAGNETOGRAPH

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может найти применение в солнечной и звездной наблюдательной астрофизике как измерительный инструмент для диагностики плазмы солнечной и звездной атмосфер.
Детальное знание магнитных структур является важным для понимания многих солнечных явлений, так как магнитное поле является главным фактором активности, как на Солнце, так и на других звездах. Именно магнитное поле превращает безжизненные плазменные шары в объекты, на которых наблюдаются пятна, циклы, вспышки и т.п.
Особенно важны измерения магнитных полей для задач прогнозирования воздействия солнечных агентов на Землю, так называемая «космическая погода».
Именно измерения вектора магнитного поля лежат в основе прогноза солнечных вспышек и корональных выбросов массы, которые приводят к возникновению магнитных бурь на Земле. Магнитные бури, в свою очередь, приводят к нарушениям в работе целого ряда технологических систем. Без прогноза потоков высокоэнергетических частиц от Солнца, основой которого являются измерения магнитных полей, невозможна никакая продолжительная деятельность в космосе.
Вектор магнитного поля может быть определен разными способами, но наиболее достоверные и точные данные получаются из наблюдений эффекта Зеемана в солнечных спектральных линиях. Измерительными величинами являются профили интенсивностей оптических магнитоактивных спектральных линий в различных поляризациях, образующиеся в излучении атмосферы звезд. Измерения должны быть выполнены в каждой пространственной точке исследуемой области атмосферы и за время, сравнимое с временной шкалой развития солнечных процессов. В результате последующей обработки в рамках существующих теорий переноса излучения в плазме данные таких измерений позволяют определять все компоненты вектора магнитного поля в плазме, а также лучевые скорости ее перемещения.
Известна схема измерения магнитных полей, которая содержит перестраиваемый оптический фильтр, перестраиваемый анализатор поляризации и двумерную п.з.с.-матрицу в плоскости изображения Солнца (см. Wang H., Dencer С., Spirock Т. et al. // Solar Phys. 1998. V.183. P.1, Milkey D.L., Canfield R.C., Labronte B.J. et al. // Solar Phys. 1996. V.168. P.229). Основное достоинство этой схемы - одновременность получения данных во всех исследуемых точках изображения. Такие фильтровые магнитографы позволяют одновременно регистрировать интенсивность излучения по двум координатам поверхности Солнца. В этом случае реализуется максимальное пространственно-временное разрешение, поскольку не тратится время на сканирование по диску Солнца. Однако при этом теряется время при сканировании по спектру, так как регистрация различных спектральных компонент профиля магнитоактивной линии и поляризации излучения требует последовательного их перебора. Как показывают оценки, перестройка по спектру и подбор состояния поляризации приводят к снижению точности измерений лучевых скоростей до 30-60 м/с и ошибке измерения магнитного поля 30-300 Гс. Кроме этого в силу низкого разрешения фильтров удается на профиле линий регистрировать не более двух-трех спектральных элементов. Это делает возможным однозначную интерпретацию данных только в рамках самой простейшей и заведомо нереальной модели солнечной атмосферы.
Другая схема спектромагнитографа использует в качестве селективного спектрального элемента щелевой спектрограф с высокой входной щелью (см. Jones Н.Р., Duvall Th.L., Harvey J.W. et al. // Solar Phys. 1992. V.139. P.211, Grigoryev V.M., Kobanov N.I., Skomorovsky V.I. // Proc. SPIE. 1994. V.2265. P.373). Приемная п.з.с.-матрица располагается в этом случае в плоскости изображения спектра. Спектромагнитографы позволяют одновременно регистрировать с высоким разрешением спектр по всему профилю одной или даже нескольких линий. В этом случае реализуется максимальное спектрально-временное разрешение. Естественно, что по одной из пространственных координат (перпендикулярной высоте входной щели спектромагнитографа) должно проводиться сканирование.
Наиболее близким аналогом по технической сущности и достигаемому техническому результату является солнечный спектромагнитограф (см. И.Е.Кожеватов, В.Н.Обридко, Е.И.Руденчик, Н.П.Черагин, Е.Х.Куликова // Приборы и техника эксперимента, 2002, №1, с.107-112). Общая схема спектромагнитографа включает башенный солнечный телескоп, дифракционный спектрограф, анализатор поляризации параллельного типа и персональный компьютер для управления спектромагнитографом и обработки данных измерений.
Однако этот магнитограф имеет ряд существенных недостатков. Конвективные воздушные потоки внутри магнитографа и захваченные ими пылинки вызывают неконтролируемые изменения пространственного распределения освещенности п.з.с.-матрицы и, как следствие, систематические ошибки в определении значений магнитных полей и лучевых скоростей, что снижает информационные возможности магнитографа. Использование блока согласующих линз приводит к большому и трудно контролируемому рассеянному свету. Кроме того, использование этой схемы сильно ограничивает поле зрения в спектральной плоскости.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение и устранение ошибок при измерении интенсивностей излучения, соответствующих различным степеням поляризации, и, как следствие этого, повышение точности определения значений магнитных полей и лучевых скоростей полей в солнечной атмосфере.
Техническим результатом изобретения являются:
- повышение точности измерений интенсивностей излучения, соответствующих различным степеням поляризации, и, как следствие этого, увеличение точности измерений магнитных полей и лучевых скоростей;
- расширение информационных возможностей за счет получения данных в двух и более магнитоактивных спектральных линиях с различными факторами Ланде и глубиной формирования в атмосфере.
Технический результат достигается тем, что
во-первых, все оптические элементы анализатора поляризации расположены в Фурье-плоскости по отношению к плоскости спектра на выходе дифракционного спектрографа и плоскости фотоприемника;
во-вторых, исключен блок согласующих линз;
в-третьих, все оптические элементы анализатора поляризации погружены в иммерсию.
Для достижения поставленной задачи солнечный вектор-магнитограф содержит солнечный телескоп, дифракционный спектрограф, анализатор поляризации параллельного типа и блок управления и съема данных. При этом анализатор поляризации параллельного типа включает расположенные по ходу светового пучка светорасщепитель, две четвертьволновые поляризационные пластинки, плоскости поляризации которых повернуты относительно друг друга на угол 45°, поляризационный расщепитель, выходной объектив и матричный фотоприемник. Выходная щель дифракционного спектрографа совпадает с входной щелью анализатора поляризации параллельного типа, а светорасщепитель установлен под углом к оптической оси и формирует три разнесенных в пространстве и идентичных по интенсивности световых пучка, один из которых проходит через обе четвертьволновые поляризационные пластинки, второй световой пучок проходит через одну четвертьволновую поляризационную пластинку, а третий световой пучок проходит за пределами четвертьволновых поляризационных пластинок напрямую на поляризационный расщепитель, который пространственно разделяет каждый из трех падающих световых пучков на два: обыкновенный и необыкновенный, соответствующие двум различным линейным ортогональным поляризациям, которые через выходной объектив направляются на матричный фотоприемник.
Дополнительно в анализатор поляризации солнечного вектора-магнитографа введен коллиматор. Передняя фокальная плоскость коллиматора совмещена с выходной щелью спектрографа, чем обеспечивается работа элементов анализатора поляризации в параллельных лучах (т.е. в Фурье-плоскости). Светорасщепитель, две четвертьволновые поляризационные пластинки и поляризационный расщепитель заключены в кювету с расположенными по ходу луча прозрачными окнами, наполненную иммерсионной жидкостью. Задняя фокальная плоскость выходного объектива совмещена с плоскостью п.з.с.-матрицы фотоприемника. Светорасщепитель выполнен в виде призмы с таким углом между рабочими отражающими гранями, при котором выходящие из светорасщепителя пучки разнесены под углами, кратными удвоенному углу между гранями светорасщепителя. Поляризационный расщепитель выполнен в виде призмы из исландского шпата с таким углом между рабочими гранями, расположенными по ходу светового пучка, который обеспечивает разнесение по углу выходящих из поляризационного расщепителя обыкновенного и необыкновенного лучей и который в сочетании с углом между рабочими отражающими гранями светорасщепителя, с учетом ширины анализируемого спектра и размера матричного фотоприемника, обеспечивает размещение на матричном фотоприемнике шести изображений спектра в разных поляризациях без взаимных наложений.
На фиг.1 изображена блок-схема солнечного вектора-магнитографа. Она содержит типичные для солнечных спектрографических магнитографов общие составляющие: солнечный телескоп 1, дифракционный спектрограф 2, анализатор поляризации 3, блок 4 управления и съема данных.
Солнечный телескоп (фиг.1) содержит главное зеркало 5, Ньютоновское зеркало 6, поворотное зеркало 7. Спектрограф включает входную щель 8, коллиматорное зеркало 9, дифракционную решетку 10, камерное зеркало 11, выходную щель 12, которая является одновременно входной щелью анализатора поляризации 3.
r
р
р
r
р
Анализатор поляризации 3 (фиг.1, 2) содержит расположенные в направлении хода луча света коллиматор 13, кювету 14 с входным и выходным прозрачными окнами 15, 16, наполненную иммерсионной жидкостью, и расположенные в кювете светорасщепитель 17, разделяющий входной пучок излучения на три одинаковых по интенсивности пучка, но отличающийся от светорасщепителя, описанного в прототипе, тем, что отражательные грани светорасщепителя не параллельны друг другу, а образуют угол α, в результате чего выходящие из светорасщепителя пучки не параллельны друг другу, а образуют углы, кратные удвоенному углу между гранями, две последовательно расположенные четвертьволновые (λ/4) поляризационные пластинки 18 и 19, плоскости поляризации которых повернуты на угол в 45° относительно друг друга, поляризационный расщепитель 20, отличающийся от поляризационного расщепителя, описанного в прототипе, тем, что имеет угол между гранями α, в результате чего обыкновенный и необыкновенный лучи выходят из поляризационного расщепителя 20 не параллельно друг другу, а под углом α, а также выходной объектив 21 и матричный фотоприемник 22, установленный в фокальной плоскости выходного объектива. При этом величины углов α и α между собой должны быть такими, которые обеспечивали бы размещение на п.з.с.-матрице фотоприемника 22 шести изображений спектра в разных поляризациях без взаимных наложений с учетом ширины анализируемого спектра и размера п.з.с.-матрицы фотоприемника 22.
Так как все оптические элементы анализатора поляризации 14 расположены в Фурье-плоскости по отношению к плоскости спектра на выходе дифракционного спектрографа 2 и плоскости фотоприемника 22, то светорасщепитель 17, четвертьволновые поляризационные пластинки 18, 19, поляризационный расщепитель 20 анализатора поляризации 3 работают в области параллельных пучков. В результате, несмотря на разность оптических путей в световых пучках, шесть изображений спектра в разных поляризациях строятся в одной и той же плоскости, являющейся фокальной плоскостью выходного объектива 21 и совмещенной с плоскостью п.з.с.-матрицы фотоприемника 22, и поэтому никаких согласующих элементов оптики, которые использовались в схеме анализатора поляризации, описанной в прототипе, не требуется, что положительно сказывается на снижении уровня рассеянного света. Кроме того, на положение световых пучков, построенных на п.з.с.-матрице фотоприемника 22, не влияет возможное наложение пучков внутри анализатора поляризации, что позволяет увеличить спектральный интервал анализируемого пучка путем расширения выходной щели спектрографа 2.
Исключение блока согласующих линз позволяет также снизить геометрические аберрации в изображениях спектра в различных поляризациях, что увеличивает точность их совмещения и, соответственно, точность измерения поляризационного вектора Стокса для каждой спектральной компоненты. При этом соотношение фокусных расстояний коллиматора 13 и выходного объектива 21 определяется соотношением масштабов изображений спектра на выходе дифракционного спектрографа 2 и на п.з.с.-матрице фотоприемника 22, что позволяет проводить их согласование.
r
р
Угол между гранями светорасщепителя α и угол поляризационного расщепителя α выбираются так, чтобы шесть изображений спектра в разных поляризациях размещались на п.з.с.-матрице фотоприемника 22 без взаимных наложений с учетом ширины анализируемого спектра и размера п.з.с.-матрицы фотоприемника 22.
Работа устройства заключаются в следующем.
При помощи оптической схемы солнечного телескопа 1 (фиг.1) оптическое изображение участка солнечного диска строится на входной щели 8 дифракционного спектрографа 2. Входная щель 8 дифракционного спектрографа 2 «вырезает» из этого изображения участок шириной и высотой, соответствующими ширине и высоте входной щели 8 дифракционного спектрографа 2. При этом ширину входной щели 8 дифракционного спектрографа 2 выбирают минимальной, что увеличивает и пространственное по диску Солнца разрешение магнитографа, и спектральное разрешение дифракционного спектрографа 2. В результате на выходе дифракционного спектрографа 2 при помощи его выходной щели 12 выделяется прямоугольный участок, в котором ось Х соответствует значениям интенсивности на различных значениях длин волн (спектра излучения), ось У - различным значениям по диску Солнца, а ось Z направлена вдоль оптической оси. Для данного типа магнитографа ширина спектрального участка выбирается так, чтобы в ней полностью укладывался весь спектральный контур как минимум одной выбранной для измерений магнитоактивной линии. Благодаря расширению анализируемого спектрального диапазона, в предлагаемой схеме удается одновременно анализировать спектры четырех линий, соответствующих двум спектральным линиям Солнца с различными факторами Ланде и двум теллурическим линиям, используемым в качестве реперов.
r
Далее коллиматор 13, передняя фокальная плоскость которого совпадает с выходной щелью 12 дифракционного спектрографа 2, формирует параллельные пучки света, проходящие через прозрачное окно 15 кюветы 14 на светорасщепитель 17. При помощи светорасщепителя 17, наклоненного на определенный угол к оптической оси, совпадающей с осью Z, с отражательными гранями, расположенными под рассчитанным углом α, добиваются получения трех идентичных по интенсивности световых пучков, разделяемых пространственными промежутками, необходимыми для селекции излучения, проходящего через четвертьволновые поляризационные пластинки 18 и 19, и под углами, необходимыми для построения изображений на различных участках п.з.с.-матрицы фотоприемника 22. Отражающие слои граней светорасщепителя 17 обеспечивают его изотропные по поляризации характеристики в полосе ±200 Å. После разделения падающего светового пучка на три первый световой пучок проходит через две четвертьволновые поляризационные пластинки 18 и 19, второй световой пучок проходит через одну четвертьволновую поляризационную пластинку 19, третий световой пучок проходит вне пределов четвертьволновых поляризационных пластинок 18 и 19. Направление поляризационных осей первой четвертьволновой поляризационной пластинки 18 совпадает с направлением осей координат ХУ. Направление поляризационных осей второй четвертьволновой поляризационной пластинки 19 повернуто относительно первой четвертьволновой поляризационной пластинки 18 на угол 45° по часовой стрелке по ходу лучей в плоскости ХУ.
р
Угол между гранями α поляризационного расщепителя 20 рассчитывается так, чтобы выходящие из него обыкновенный и необыкновенный лучи имели между собой угол, при котором в сочетании с углом между гранями светорасщепителя 17 образующиеся на выходе шесть световых пучков, пройдя прозрачное окно 20 кюветы 14, строились выходным объективом 21 на различные участки п.з.с.-матрицы фотоприемника 22.
Значения интенсивности в каждом из шести световых пучков при идеальном исполнении четвертьволновых поляризационных пластинок будут описываться следующими выражениями:
,
номера которых соответствуют номерам полос на рис.3, a J, Q, V, U - параметрам Стокса в соответствии с общепринятыми обозначениями (см. Борн М., Вольф Э., Основы оптики. - М.: Изд. «Наука», 1970, с.55). Представленное сочетание четвертьволновых поляризационных пластинок 18, 19 с поляризационным расщепителем 20 является достаточным для получения необходимого набора параметров Стокса.
Известно, что для вычисления четырех параметров достаточно четырех независимых линейных уравнений. Тем не менее, для получения параметров, определяющих вектор магнитного поля, предпочтительней иметь шесть вышеуказанных вариантов. С одной стороны, большая часть площади п.з.с.-матрицы фотоприемника 22 все равно не используется. С другой стороны, три наиболее важных параметра Стокса (Q, V, U) могут быть легко получены из соотношений (1-6) путем соответствующих вычитаний, что позволяет автоматически избавляться от любых возможных аддитивных ошибок (помех, шумов). Такой способ уменьшения ошибок аналогичен модуляционному методу борьбы с шумами, широко применяемому при последовательном анализе.
Использование анализатора поляризации параллельного типа, в котором все шесть поляризационных компонент излучения регистрируются одновременно, позволяет исключить влияние смещений спектральных линий, вызываемых нестабильностями аппаратуры (например, шумами и дрейфами изображения спектра в спектрографе), которое возникает во время перебора всех шести положений поляризаций модулятором анализатора поляризации последовательного типа, применяемым в схемах современных магнитографов.
Новый спектромагнитограф для измерения магнитных полей на Солнце был реализован на базе башенного солнечного телескопа 1, где фокусное расстояние главного зеркала 5, находящегося в основании башни, в сочетании с Ньютоновским зеркалом 6 составляло 17 метров. Относительное отверстие телескопа, определяемое отношением входной апертуры (30 сантиметров) к фокусу, составляло ~1/60.
2
Для селекции солнечных спектральных магнитоактивных линий использовался дифракционный спектрограф 2. На входной щели 8 дифракционного спектрографа 2 строилось изображение Солнца размером 170 мм. Коллиматорное 9 и камерное 11 зеркала дифракционного спектрографа имели фокусные расстояния 10 метров, рабочая апертура дифракционной решетки 10 составляла 150×150 мм, период - 600 шт/мм. Дифракционный спектрограф 2 имел дисперсию во втором порядке 0,8 Å/мм. Спектральное разрешение дифракционного спектрографа 2, определяемое дифракционной решеткой 10, составляло λ/600×150=λ/90000=0,066 Å. Высота выходной щели 12 дифракционного спектрографа 2 была равна 20 мм, что соответствовало ~200 угловым секундам на изображении солнечного диска. Ширина спектрального участка, выделяемого выходной щелью дифракционного спектрографа 12, выбиралась так, чтобы в ней полностью укладывались спектральные контуры четырех линий: линии нейтрального железа FeI λ 6302,5 Ǻ с фактором Ланде, равным 2,5, и FeI λ 6301,5 Ǻ с фактором Ланде, равным 1,5, и линии атмосферного кислорода ОI λ 6302,0 Ǻ и λ 6302,76 Ǻ. Линии атмосферных молекул играют важную роль в данной схеме солнечного вектора-магнитографа, являясь реперами при определении доплеровских смещений спектральных линий.
Выходная щель 12 дифракционного спектрографа 2 одновременно являлась входной щелью анализатора поляризации 3. Высота всех элементов анализатора поляризации 3, начиная от входной щели 12 и кончая поляризационным расщепителем 20, рассчитывалась так, чтобы обеспечить прохождение изображения спектра высотой 20 мм.
Фокусные расстояния коллиматора 13 и выходного объектива 21 анализатора поляризации 3 составляли соответственно 172,3 мм и 114,9 мм.
r
Конструктивно светорасщепитель 17 выполнен в виде призмы из кварца (шириной - 40 мм, толщиной - 19 мм, высотой - 30 мм) с углом между отражающими гранями α=1/37 радиан. Назначением светорасщепителя 17 является получение трех максимально разнесенных по пространству и идентичных по интенсивности пучков с минимальными искажениями поляризации. Для этого передняя грань светорасщепителя 17 (за исключением 1/3 передней грани светорасщепителя в районе входного иллюминатора 15 кюветы 14) имела отражающее покрытие с R=1, задняя грань на первой трети ее длины имела отражательное покрытие с R=0,67, на второй трети длины задняя грань имела отражательное покрытие с R=0,5, последняя треть задней грани была оставлена без отражающего покрытия. Светорасщепитель 17 расположен под углом β=1/7,5 радиан к оптической оси. Наклон призмы светорасщепителя по отношению к оси падающего светового пучка и ее толщина были подобраны так, чтобы шаг расщепления световых пучков исключал возможность их взаимного блендирования при минимальном искажении поляризационных характеристик излучения. Отражающие слои обеспечивали изотропные по поляризации характеристики светорасщепителя 17 в полосе ±200 Å.
Четвертьволновая (λ/4) поляризационная пластинка 18 имела ширину 10 мм и толщину 2 мм. Четвертьволновая (λ/4) поляризационная пластинка 19 имела ширину 15 мм и толщину 2 мм. Направление поляризационных осей первой четвертьволновой λ/4 пластинки 18 совпадало с направлением осей системы координат ХУ. Направление поляризационных осей второй четвертьволновой λ/4 пластинки 19 было повернуто относительно первой на угол 45° по часовой стрелке по ходу лучей в плоскости ХУ.
р
Поляризационный расщепитель 20 конструктивно выполнен в виде призмы из исландского шпата (кальцит), шириной - 30 мм, толщиной первой стороны - 11 мм, толщиной второй стороны - 16 мм, высотой - 25 мм с поляризационным углом между рабочими гранями α, равным 1/46 радиан. Назначением поляризационного расщепителя является разнесение по углам излучений с ортогональной линейной поляризацией. Угол расщепления рассчитывался так, чтобы в последующем изображения спектров, полученные в разных поляризациях, после выхода из прозрачного иллюминатора 16 кюветы 14 строились выходным объективом 21 без взаимного блендирования на п.з.с.-матрице фотоприемника 22.
Светорасщепитель 17, четвертьволновые поляризационные пластинки 18, 19 и поляризационный расщепитель 20 анализатора поляризации 4 помещены в герметичную кювету 14 с прозрачными входным и выходным иллюминаторами (окнами) 15, 16 и погружены в иммерсионную жидкость. Использование иммерсионной жидкости преследует сразу две цели: уменьшает уровень интенсивности лучей, отраженных от прозрачных граней, и сохраняет от пылинок поверхности элементов. Коэффициент преломления иммерсионной жидкости, в качестве которой использовано вакуумное масло, весьма близко совпадает с коэффициентом преломления кварца, из которого изготовлено большинство элементов анализатора поляризации. Что касается уменьшения влияния отраженных от граней пучков, то это особенно важно для уменьшения интерференционных эффектов в плоскопараллельных четвертьволновых поляризационных пластинках 18, 19.
В качестве матричного фотоприемника 22 использовалась CCD-камера фирмы «Proscan» (Германия) с числом пикселов матрицы 1024×1024 и с размерами пиксела 14×14 мкм.
На фиг.3 представлены изображения спектров в шести различных вариантах поляризации, регистрируемые на п.з.с.-матрице фотоприемника 22: (а) - для прототипа, (б) - для новой версии спектромагнитографа. Ось абсцисс совпадает с направлением спектра в координате Х исследуемой поверхности солнечной атмосферы, ось ординат совпадает с направлением координат оси У по исследуемой поверхности солнечной атмосферы.
В результате измерений были получены следующие данные:
2
- спектральное поле зрения увеличилось от 1,2 Å до 2,5 Å, что позволяет проводить наблюдения одновременно в двух магнитоактивных линиях FeI λ=6301,5 Ǻ и λ=6302,5 Ǻ, а также в двух линиях атмосферного кислорода ОI λ 6302,0 Ǻ и λ 6302,76 Å, которые используются в качестве реперов при определении доплеровских смещений спектральных линий;
- в 4-5 раз снизился пространственный шум в распределении интенсивности света на п.з.с.-матрице фотоприемника 22;
- примерно в 2 раза снизился уровень рассеянного света, и увеличилась равномерность его распределения,
что в результате позволяет повысить точность определения значений магнитных полей и лучевых скоростей полей в атмосферах Солнца и других звезд.