Аппаратура космического патруля ионизирующего излучения Солнца

АППАРАТУРА КОСМИЧЕСКОГО ПАТРУЛЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО

ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЦА С.В. Авакян, Е.П. Андреев, П.М. Астафуров, И.М. Афанасьев, Л.А. Баранова,

В.Г. Богданов, В.С. Борткевич, А.С. Быстров, Д.П. Веселов, Н.А. Воронин, А.И. Ефремов, А.П. Иванов, В.Н. Корнилов, Э.В. Кувалдин, М.Л. Лебединская, Н.Б. Леонов, Е.Ф. Леханов, И.М. Прибыловский, Е.П. Савинов, А.В. Савушкин, Г.В. Сазонов, А.Е. Серова, Н.Н. Тимофеев, С.В. Федосеев, Ю.А. Хаханов,

Л.П. Шишацкая, Э.А. Яковлев

Введение

Эра космических исследований, начатая нашей страной, открыла мировой науке новые возможности познания внеземных объектов. Наиболее ценным здесь является получение данных о коротковолновом излучении Солнца. Это рентгеновское и ультрафиолетовое излучение невозможно регистрировать с земной поверхности или самолетов, поскольку оно полностью поглощается в верхних слоях атмосферы.

Особенно высоко, в ионосферных областях, т.е. выше 60 км, поглощается ионизирующая часть солнечного спектра с длиной волны короче 134 нм (что соответствует порогу ионизации самой легкоионизируемой частицы верхней атмосферы Земли - молекулы окиси азота). Вся энергия потока этого излучения Солнца идет на образование ионосферы, ее свечение и нагрев.

Ионосфера является самой ближней к нам областью околоземного космического пространства, и именно ее состояние определяет влияние Космической погоды на повседневную жизнь человечества. В частности, это связано как раз с тем обстоятельством, что ионизирующая часть солнечного спектра испытывает наиболее сильные (до нескольких тысяч раз) вариации абсолютной величины потока излучения во время вспышек на Солнце - высшего проявления солнечной активности. Но как раз контроля за возрастанием потока этого излучения в мире до сих пор нет. Нет из-за технических и методологических трудностей измерений в данной области спектра, связанных, прежде всего, с отсутствием приемников ионизирующего излучения, истинно «слепых» к мощному видимому свету Солнца. И только ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова» разработал за долгие годы такие стабильные, малошумящие, высокоэффективные открытые вторично-электронные умножители с фотокатодом из окиси бериллия, имеющие спад чувствительности уже к 200 нм на десять порядков [1]. За рубежом еще только планируется разработка для космических исследований Солнца подобных приемников (на основе алмаза), имеющего спад чувствительности после 225 нм лишь на пять-семь порядков [2].

Результаты мониторинга солнечного ионизирующего излучения, полученные в космическом патруле, могут быть источником развития исследований сразу в нескольких науках, таких как:

• физика Солнца (состояние всех областей солнечной атмосферы);

• метеорология, физика атмосферы (влияние солнечной активности на глобальные изменения, климат и погоду, включая эффекты атмосферного электричества);

• аэрономия, космонавтика (влияние солнечной активности на верхнеатмосферную плотность и торможение в ней космических аппаратов, на характеристики их внешней атмосферы и спутниковые аномалии);

• радиофизика (определение и предсказание состояния ионосферы планет и условий распространения радиоволн);

• гелиобиология (роль вариаций активности Солнца в биологии и медицине);

• сейсмология;

• возможно, социология.

Постоянный Космический солнечный патруль (КСП) даст большое количество важной информации для физики солнечной атмосферы. Анализ состояния степени ее неравновесности, ионизации и возбуждения возможен при сопоставлении данных во всех участках спектра - как мягкого рентгеновского, так и крайнего УФ излучения. Эти длины волн излучаются во всех областях солнечной атмосферы - от хромосферы до короны Солнца, и, соответственно, их временной анализ дает сведения о процессах в этих областях, о переносе энергии из одной области в другую (в соответствии с топологией магнитного поля). В последние годы ведутся наблюдения вида диска Солнца, включая солнечную корону, в различных участках спектра - от рентгеновского до крайнего УФ излучения (с космических аппаратов SOHO (ESTEC/ESA), TRACE (NASA), КОРОНАС-Ф (РКА), GOES-12 (NASA), RHESSI (NASA) и др.). Это позволяет надежно отделить при вспышках их разные типы, включая лимбовые и залимбовые. К сожалению, регистрация полных спектров и абсолютных потоков солнечного ионизирующего излучения при этом не проводилась, хотя соответствующие по времени приращения солнечной ионизирующей радиации во время вспышек (измерения которых и призван осуществить КСП) позволят также оценить состояние атмосферы Солнца по степени поглощения излучения в ней самой, и, соответственно, геоэффективность вспышки.

Такие исследования возможны только при постоянной регистрации полных спектров ионизирующего излучения Солнца во всем диапазоне от рентгеновского до УФ излучения, т.е. как раз в рамках создаваемого КСП. В этом случае появится перспектива определения всех предвестников солнечных вспышек, а значит - и вспышечно-обусловленных явлений, включая выбросы корональной массы (СМЕ) [3]. Дело в том, что микровспышки (или нановспышки) могут являться предвестниками мощной вспышки на Солнце. Поэтому их постоянный мониторинг позволит решить основную проблему предсказания Космической погоды - прогнозирования параметров солнечных вспышек.

В Программе исследований глобальных изменений Национального научного совета США [4] признаны наиболее актуальными предсказания влияния изменчивости Солнца на глобальные изменения, на озоносферу, среднюю, верхнюю атмосферу, а возможно, и биосферу, в том числе через изменчивость космической погоды. В [4] рекомендуется в качестве одной из самых приоритетных задач осуществить «мониторинг спектрального распределения солнечного крайнего УФ излучения (Л, < 120 нм) в течение времени, достаточного для перекрытия наиболее длительных циклов».

Эти же данные мониторинга в постоянном режиме - Космический солнечный патруль ионизирующего излучения Солнца - совершенно необходимы при практической деятельности человечества в области :

• постоянного долговременного контроля за солнечной активностью и излучением солнечных вспышек в коротковолновом диапазоне;

• выявления роли солнечных вспышек в возмущении околоземной космической среды - космической погоды;

• предсказания катаклизмов на Земле.

Оптико-электронная аппаратура космического солнечного патруля

В Государственном оптическом институте им. С.И. Вавилова в течение нескольких десятков лет проведены обширные исследования по созданию оптических моделей верхнеатмосферно-ионосферных явлений при различных мощных воздействиях искусственного и естественного характера, включая мощные солнечные вспышки. Научные результаты этой работы опубликованы в монографиях и справочниках [5-12]. При этом в [7, 10] сделан вывод о необходимости для дальнейшего продвижения в научном ос-

мыслении природы солнечно-земных связей, первостепенное налаживание постоянного контроля за коротковолновой солнечной активностью. Многолетние зарубежные попытки создания такого контроля привели к получению потока данных только на краях диапазона ионизирующего излучения (короче 0,8 нм и длиннее 119 нм). Поскольку основной геоэффективный поток от Солнца так и не измеряется, с 1996 г. по настоящее время в ГОИ ведется за счет средств Европейского Союза разработка и создание новейшей оптико-электронной аппаратуры космического базирования.

Один из методологических подходов, развитых для этих целей [1], состоит в одновременных измерениях как спектрометров (для контроля вариаций текущего спектра Солнца), так и радиометра, позволяющего определить абсолютный поток.

Оптико-электронная аппаратура КСП предназначена для проведения спектрофо-тометрических измерений вариаций солнечной активности в крайнем ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах с борта космического аппарата (КА). Объектом исследования КСП является полный диск Солнца в поле зрения не менее 8 градусов, при этом допустимая точность ориентации аппаратуры на центр диска Солнца может составлять до ± 1,5 градусов. Методология патрульных измерений КСП заключается в одновременном использовании ультрафиолетового (УФ) и рентгеновского спектрометров и двух идентичных радиометров, а также в применении особого алгоритма выделения сигналов от излучения и заряженных частиц, высыпающих из радиационных поясов [1, 13]. Эти приборы прошли лабораторные калибровочные испытания на источниках УФ и рентгеновского излучения как в вакуумных камерах ГОИ, так и в ЕБТЕС [14, 15]. Абсолютную спектральную калибровку аппаратуры планируется провести на одном из синхротронных источников радиации непосредственно перед периодом подготовки КА к полету. В настоящее время ведутся работы по подготовке приборов КСП к опытной эксплуатации на служебном модуле российского сегмента Международной космической станции на поворотной платформе, ориентированной на центр диска Солнца с точностью до ± 1,5 градусов.

В состав аппаратуры постоянного КСП входят следующие приборы.

1. Радиометр ионизирующей радиации обеспечивает измерение абсолютного потока излучения Солнца в диапазоне Лк = 0.14-157 нм в 20 спектральных интервалах, выделяемых фильтрами в виде тонких металлических фольг, тонких пленок, а также оптических кристаллов [1]. Время регистрации полного спектра в этом приборе (как и во всей аппаратуре космического патруля) составляет 72 с, что позволит получать информацию о спектре самой кратковременной - импульсной фазы вспышек и субвспышек.

2. Рентгеновско-ультрафиолетовый (РУФ) спектрометр космического патруля (спектрометр скользящего падения) измеряет спектр излучения Солнца в широком диапазоне (1,8-198 нм) за счет использования уникальной светосильной оптической схемы без входной щели с дифракционной решеткой с переменным шагом [16]. Прибор имеет четыре измерительных канала: два основных (1,8-63 нм) и два экспериментальных (62-198 нм).

3. УФ спектрометр (спектрометр нормального падения) предназначен для измерения спектрального состава излучения всего диска Солнца в области крайнего ультрафиолетового излучения (16-153 нм) со спектральным разрешением 1 нм с помощью шести каналов [1, 17], при этом два канала на область 16-57 нм являются экспериментальными (для опытного определения измерительной способности спектрометра).

При этом использованы следующие уникальные разработки ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова»:

• открытый вторично-электронный умножитель (ВЭУ) с «солнечно-слепым» фотокатодом из окиси бериллия;

• дифракционная нарезная решетка ГОИ - 600 штрихов/мм с переменным шагом, радиус кривизны - 28080 мм, покрытие - золото;

• дифракционная нарезная решетка ГОИ - 3600 штрихов/мм, радиус кривизны - 250 мм, покрытие - золото.

Основой для высокоэффективной регистрации солнечного излучения в крайнем ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах спектра являются изготовленные в ГОИ для КСП вторично-электронные умножители (ВЭУ) открытого типа. Их преимущество заключается в высокой чувствительности к излучению в области спектра X < 160 нм и солнечной слепоте [14, 18], что приводит к существенному уменьшению ошибок при регистрации солнечного излучения, связанных с наличием рассеянного света. Регистрация излучения с помощью такого ВЭУ может осуществляться как в токовом режиме, так и в режиме счета фотонов (РСФ), который позволяет измерять малые (до единиц квантов в секунду) потоки излучения.

Приемные части каналов радиометров, УФ и рентгеновского спектрометров полностью идентичны: каждый фотоприемный тракт содержит умножитель, предусили-тель, измеритель скорости счета (ИСС). Регистрация излучения в каналах КСП осуществляется в РСФ путем усреднения числа импульсов с ВЭУ в единицу времени в ИСС [17, 19]. При этом динамический диапазон измеряемой частоты импульсов с фотоприемного устройства составляет 6 порядков (от 4 Гц до 2,2 МГц). При измерении малых потоков излучения ВЭУ представляет собой источник токовых импульсов со средней амплитудой около микроампера. Перед тем как сигнал с ВЭУ поступит в счетное устройство, его необходимо предварительно усилить и согласовать с ИСС. Это функцию выполняет созданный в ГОИ широкополосный быстродействующий усилитель-формирователь импульсов с коэффициентом передачи 1500 мВ/мкА. Усилитель имеет защиту от пробоев высоковольтными импульсами с фотоприемника.

Изготовленный в ГОИ измеритель скорости счета представляет собой двухка-нальный линейный логарифмический преобразователь частоты в напряжение - один канал для измерения низкочастотного (НЧ) сигнала (4 Гц - 6 кГц), другой - для высокочастотного (ВЧ) сигнала (300 Гц - 2,2 МГц). Частотные диапазоны каналов перекрываются. Выходные напряжения обоих каналов транслируются в бортовую измерительную телеметрическую систему (БИТС) КА. Для получения постоянной погрешности регистрации во всем динамическом диапазоне применено логарифмирование интегрированного напряжения, пропорционального числу счетных импульсов в единицу времени [20, 21]. Нелинейность передаточной (вольт-импульсной характеристики) ИСС во всех каналах во всем диапазоне скорости счета составляет не более 4% от полной шкалы. Выходной сигнал ИСС - постоянное напряжение от 0 до 6,5 вольт (пропорциональное логарифму частоты появления импульсов на выходе приемника излучения) соответствует стандарту на налоговые датчики БИТС КА.

Описанный радиоэлектронный тракт может применяться для регистрации одно-электронных импульсов наносекундной длительности от любых слаботочных приемников излучения (т.е. источников с выходными токами порядка микроампера), работающих в режиме счета фотонов. Тракт изготавливается на отечественной элементной базе и имеет высокую надежность к неблагоприятным механическим, температурным и электрическим воздействиям. Высокая надежность узлов тракта объясняется подготовкой приборов к будущей космической эксплуатации, в связи с чем были также проработаны вопросы минимизации массы, габаритов и энергопотребления узлов.

Заключение

К настоящему времени вся аппаратура создана и испытана в вакуумных камерах ГОИ и ЕБТЕС.

В рамках нового проекта МНТЦ № 2500 будет проведена абсолютная калибровка всей аппаратуры КСП на синхротронном источнике излучения. Аппаратура запланиро-

вана к постановке на российский модуль Международной космической станции (Радиометр и КУФ-спектрометр) для опытной эксплуатации через ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева. Для постоянного мониторинга в непрерывном режиме Космический патруль (Радиометр и РУФ-спектрометр) планируется к установке на ИСЗ с солнечно-синхронной орбитой.

Конечно, проще осваивать международные научные достижения, достойно работать «рядовыми» в уже существующих космических проектах других стран. Совсем другое - данный проект России. В этом солнечном космическом эксперименте наша страна имеет не вторые, а передовые позиции, что, кстати, предопределило международную финансовую поддержку в течение последних лет. Действительно, можно констатировать проявление национального превосходства России в проекте ВНЦ «ГОИ им. С.И. Вавилова» «Космический солнечный патруль»:

• создана космическая оптико-электронная аппаратура для измерения ионизирующего излучения Солнца, не имеющая мировых аналогов;

• предложена и реализована методология измерения ионизирующего излучения в космосе, не имеющая мировых аналогов;

• воссоздана технология изготовления наиболее эффективных «солнечно-слепых» приемников ионизирующего излучения для диапазона спектра короче 125 нм - вторично-электронных умножителей открытого типа, не имеющих мировых аналогов;

• начато создание синхротронного канала абсолютной калибровки аппаратуры для мягкого рентгеновского и крайнего УФ излучения, по широте спектрального диапазона не имеющего мировых аналогов.

Работа выполнена по грантам МНТЦ № 385, 385В и 1523 и по контрактам с Минпромнауки и Росавиакосмосом.

Авторы благодарны за постоянную поддержку руководству МНТЦ, особо - главному куратору проектов О.В. Лапидусу, дирекции ВНЦ ГОИ - члену-корреспонденту РАН, почетному директору ГОИ М. М. Мирошникову (участнику создания радиометров ионизирующего солнечного излучения для Второго корабля-спутника), академику Г.Т. Петровскому и профессорам В.Н. Васильеву и В.Б. Карасеву, а также иностранным партнерам проектов: доктору Г. Шмидтке и доктору Н. Пайлеру (Германия), доктору А. Аулворду (Великобритания), доктору Ж.-П. Делабудинеру (Франция) и доктору Ук Вон Наму (Южная Корея).

Литература

1. Авакян С.В., Воронин Н.А., Ефремов А.И., Иванов А.П., Иванова М.Л., Кувалдин Э. В., Савушкин А. В. Методология и аппаратура для космического контроля солнечного ионизирующего излучения. // Оптический журнал. 1998. Т. 65. № 12. С. 124-131.

2. J-F. Hochedez, P. Lemaire, E. Pace, U. Schuhle, E. Verwichte. Wide Bandgap EUV and VUV imagers for the solar orbiter // Proc. of "Solar Encounter: The First Solar Orbiter Workshop", Spain, 2001 ESA SP-493, September 2001, pp. 245-250.

3. Harrison R.A., Solar coronal mass ejections and flares. // Astron. Astrophys. 1986. 162. У2. 283-291.

4. U.S. Global Change Research Program of NRC, Eos Trans. AGU. 75, 39, 449, 1994.

5. Авакян С.В., Иванченков А.С., Коваленок В.В., Лазарев А.И. Атмосфера Земли с "Салюта-6". Л.: Гидрометеоиздат, 1981. 207 с.

6. Авакян С.В., Дробжев В.И., Краснов В.М., Кудряшев Г.С., Лазарев А.И., Николаев А.Г., Рязанова Л.Д., Севастьянов В.И., Яковец А.Ф. Волны и излучение верхней атмосферы. / Под ред. С.В. Авакяна, В.М. Краснова, А.И. Лазарева. Алма-Ата: Наука, 1981, 167 с.

7. Авакян С.В., Коваленок В.В., Солоницына Н.Ф. Ночная F-область ионосферы в период вспышек Солнца / Под ред. С.В. Авакяна. Алма-Ата: Наука, 1984, 150 с.

8. Авакян С.В., Лазарев А.И., Коваленок В.В. Исследование Земли с пилотируемых космических кораблей. Л.: Гидрометеоиздат, 1987. 399 с.

9. Авакян С.В., Евлашин Л.С., Коваленок В.В., Лазарев А.И., Титов В.Г. Наблюдения полярных сияний из космоса. Л.: Гидрометеоиздат, 1991. 229 с.

10. Авакян С.В., Вдовин А.И., Пустарнаков В.Ф. Ионизирующие и проникающие излучения в околоземном космическом пространстве. Справочник. СПб: Гидрометеоиздат, 1994. 501 стр.

11. Авакян С.В., Ильин Р.Н., Лавров В.М., Огурцов Г.Н. Сечения процессов ионизации и возбуждения УФ излучения при столкновениях электронов, ионов и фотонов с атомами и молекулами атмосферных газов, Справочник. СПб: ГОИ им. С.И. Вавилова, ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2000.

12. Avakyan S.V., Il'in R.N., Lavrov V.M., Ogurtsov G.N., Collision Processes and Excitation of the Ultraviolet Emission from Planetary Atmospheric Gases. Handbook of Cross Sections / Editor S.V. Avakyan, London, Gordon and Breach Publ., 1998, 354 p.

13. Авакян С.В., Андреев Е.П., Афанасьев И.М., Воронин Н.А., Леонов Н.Б., Савушкин

A.В., Серова А.Е. Создание постоянного Космического патруля ионизирующего излучения Солнца. // Сборник трудов III Международной конференции-выставки «Малые спутники». г. Королев, 2002. С. 338-345.

14. Авакян С.В., Андреев Е.П., Афанасьев И.М., Воронин Н.А., Кувалдин Э.В., Лебединская М.Л., Леонов Н.Б., Савушкин А.В., Савинов Е.П., Серова А.Е. Лабораторные исследования аппаратуры для космического контроля ионизирующей радиации Солнца. // Оптический журнал. 2001. Т. 68, № 2. С. 5-14.

15. S.V. Avakyan, E.P. Andreev, E.V. Kuvaldin, N.B. Leonov, E.P. Savinov et al. The laboratory testing of the space patrol apparatus for the solar ionizing radiation. // Proceedings SPIE: Sensors, Systems, and Next-Generation Satellites III. Italy, 1999. v. 3870. pp. 451461.

16. Авакян С.В., Андреев Е.П., Афанасьев И.М., Богданов В.Г., Борткевич В.С., Воронин Н.А., Леонов Н.Б., Савинов Е.П., Савушкин А.В., Серова А.Е. "Разработка рентгеновского спектрометра Космического солнечного патруля". Оптический журнал ("Journal of Optical Technology"); 2002; том 69, № 11. стр. 36-40.

17. Авакян С.В., Андреев Е.П., Афанасьев И.М., Воронин Н.А., Иванов А.П., Корнилов

B.Н., Кувалдин Э.В., Лебединская М.Л., Леонов Н.Б., Леханов Е.Ф., Савушкин А.В., Савинов Е.П., Серова А.Е., Тимофеев Н.Н., Яковлев Э.А. Разработка аппаратуры для постоянного космического патруля ионизирующего излучения Солнца. // Оптический журнал. 2001. Т. 68. № 6. С. 54-62.

18. Avakyan S.V., Andreev E.P., Afanas'ev I.M., Leonov N.B., Lebedinskaya M.L., Savush-kin A.V., Serova A.E., Voronin N.A., The perspectives of the space solar patrol apparatus application for the photometric measurements of the x-ray and EUV spectral range. // Proceedings of the IVth ISTC scientific seminar on «Basic science in ISTC activities». Novosibirsk, 2001. p. 268-277.

19. Avakyan S.V., Kuvaldin E.V.. The results of work for creating of Solar Patrol Mission optical electronics apparatus. // Physics and Chemistry of Earth, Part C: Solar-Terrestrial and Planetary Sciences. 2000. V. 25. № 5-6. P. 441-446.

20. Афанасьев И.М., Богданов В.Г. Новая плата измерителя в спектрофотометрической аппаратуре Космического солнечного патруля // Материалы конференции «Прикладная оптика - 2002». СПб. Т. 1. C. 150-155.

21. Авакян С.В., Афанасьев И.М., Богданов В.Г. и др. Новые подходы в формировании регистрирующего тракта в приборах КСП. // Научное приборостроение. 2003. Т. 13. № 2. С. 34-39.