Проектирование спектральной аппаратуры космического телескопа «Спектр-УФ»

Юшкин М.В., Панчук В.Е., Якопов М.В.Специальная астрофизическая обсерватория РАН

Сачков М.Е.Институт астрономии РАН

Космическая миссия «Спектр-УФ»

(WSO/UV)

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЕКТА

Телескоп Т-170МДиаметр главного зеркала – 1.7 м

Эквивалентное фокусное расстояние – 17 мПоле зрения 30 угл. мин.

Инструментальный отсек

• Блок камер поля

– Прямые изображения в диапазоне 150-280нм в поле 1'х1' с разрешением 0.03''

– Прямые изображения в диапазоне 115-190нм в поле 6'х6' с разрешением 0.2''

• Спектрограф низкого разрешения (R=2000) с длинной щелью LSS

• Двойной эшелле-спектрограф высокого разрешения (R=55000) HIRDES

– UVES (174-310нм)

– VUVES (102-176нм)

Платформа «Навигатор»

Время активного существования

> 5 лет

Масса аппарата 2900 кг

Масса полезной нагрузки

1600 кг

Электрическая мощность для полезной нагрузки

750 Вт

Скорость передачи данных

2 Мбит/с

Точность наведения и стабилизации

0.1''

Ракета-носитель Зенит-2СБи разгонный блок «Фрегат»

Орбита:высота 35860 км, наклонение 510.8

• Выбор геосинхронной орбиты был сделан исходя из следующих соображений:

Малое время нахождения в радиационных поясах Земли

Возможность наблюдений с длительными экспозициями (до 30 часов)

Минимальное время нахождения в тени Земли

Стабильность орбиты Обеспечение скорости передачи

данных не менее 2Мбит/с Возможности ракеты-носителя

Международная кооперация Россия (Т-170М, «Навигатор», «Фрегат», ракета-носитель,

запуск) Германия (HIRDES) Италия, Испания (Блок камер поля) Украина (Нанесение отражающих покрытий) Китай (LSS) Великобритания (Приемники излучения)

Индия Израиль Казахстан

Наше участие в проекте «Спектр-УФ»

• с 2005 года – оптический расчет спектрографа высокого разрешения UVES

• с 2006 года – оптический расчет спектрографа с длинной щелью LSS

• с 2007 года – эскизный проект программы для ЭВМ «Спектр-СОНД» – «Обработка спектральной информации в СОНД».

Программа расчета оптических систем ZEMAX

• Достоинства:

• Расчет хода лучей в достаточно сложных оптических системах (в том числе и с сегментированной апертурой)

• Расчет аберраций и аппаратной функции

• Многопараметрическая оптимизация

• Расчет допусков

• Недостатки:

• Нет возможности выполнить энергетический расчет оптической системы с эшелле-решетками

• Нет возможности включить в расчет вогнутые дифракционные решетки с криволинейным штрихом и/или переменной плотностью штрихов

Расчет и оптимизация оптической

схемы

UVES

3d-моделирование для создания габаритно-массового макета

Наши предложения по схеме UVES. I

• Мы предложили концепцию контролируемого спектрографа, а именно, метод определения положения изображения звезды внутри входной щели спектрографа UVES. Свет видимого диапазона, отраженный от первой грани призмы, при помощи небольшого дополнительного вогнутого зеркала фокусируется на ПЗС-приемнике. Это позволяет контролировать как положение изображения звезды на входе в спектрограф, так и контролировать относительный сдвиг элементов спектрографа за счет тепловой нестабильности. Использование такого канала подсмотра “изнутри” спектрографа увеличивает эффективность метода в 1.5 раза при условии разработки соответствующего программного обеспечения.

Канал контроля положения звезды

Наши предложения по схеме UVES. II

• Использование R2 эшелле для уменьшения астигматизма наклонных пучков и увеличения степени перекрытия спектральных порядков.

• Оптимизированное расположение оптических элементов позволило уместить спектрограф в отведенный ему сектор инструментального отсека.

• Наиболее эффективное использование формата светоприемника.

• Расчет допусков на относительный сдвиг элементов позволил существенно уменьшить количество подвижных деталей спектрографа.

• Концепция контролируемого спектрографа позволила значительно снизить требования по температурной стабилизации инструментального отсека.

Спектрограф с длинной щелью.Схема Роуланда

Основные требования

• Спектральное разрешение: не менее 2000• Диапазон длин волн: от 1000 до 3000ÅÅ• Высота щели: не менее 1'• Угловое разрешение

вдоль щели: 0.5''• Высокое пропускание

Недостатки предлагаемой оптической схемы

• Отсутствуют эффективные отражающие покрытия

• Отсутствуют приемники излучения с высокой квантовой эффективностью

• Необходим большой формат приемника излучения

• Невозможно одновременно удовлетворить условиям высокого и пространственного, и спектрального разрешения в широком диапазоне длин волн

• Большие габариты спектрографа, отдельные элементы выходят за рамки выделенного сектора в инструментальном отсеке

• Дополнительный оптический элемент полностью лишит возможности работать в коротковолновой части диапазона

Проблема эффективности покрытий

Проблема эффективности фотокатода

0

5

10

15

20

25

30

35

40

100 150 200 250 300 350

wavelength [nm]

QE

[%

]

CsI CsTe

Трехканальная схема LSS

Преимущества трехканальной схемы с сегментированной апертурой

• Решение проблемы размещения приемника• Возможность уменьшения аберраций оптической

схемы спектрографа• Возможность выбора высокоэффективных

покрытий для более узкого спектрального диапазона

• Выбор более эффективных фотокатодов• Исключение подвижных элементов• Часть апертуры может быть использована для

спектроскопии, а часть для фотометрии или для системы точного сопровождения объекта (гидирования)

Проблема передачи данных

• Недостаточная скорость бортового интерфейса• Для передачи на землю всей информации от

одного приемника излучения необходима скорость не менее 20Мбит/с

• Необходима сеть наземных станций для непрерывного получения данных

• Недостаточная скорость передачи данных с геосинхронной орбиты

• Для формирования изображения на борту необходим автоматический анализ данных с канала контроля положения звезды

• Распределенная система обработки данных борт-наземный комплекс

Проблема обработки научных данных

• Оптимальная экстракция эшелле-порядков• Построение полной модели эксперимента

(телескоп+спектрограф)• Автоматическая система обработки• Отсутствие в России опыта обработки результатов

наблюдений с высоким спектральным разрешением, полученных в ходе выполнения космических экспериментов

• Опыт работы с наземными спектрами высокого разрешения есть только в САО

Выводы

• Основная проблема всех космических экспериментов заключается в желании превзойти все предыдущие проекты при высокой степени универсализации инструментов

• Использование концепции контролируемого спектрографа в сочетании с новыми системами обработки наблюдательных данных позволяют удовлетворить трем противоречивым условиям: высокая надежность, высокая степень универсализации, высокая эффективность.

Благодарности

Работа по развитию систем обработки наблюдательных данных, полученных на

спектрографах высокого разрешения, поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований,

проект № 09-07-00492

Спасибо за внимание!

maks@sao.rupanchuk@sao.rumike@sao.rumsachkov@inasan.ru

http://sao.ru/hq/ssl/

Эффективная площадь телескопа

For example:

BEFS – Berkeley Extreme and Far-UV Spectrometer

But in case of the LSS aperture must be divided along the slit

Параметры эффективности различных экспериментов

S R N M lg(SRNM)STIS 588 10000 512 512 12.2LSS 660 2800 3946 150 12.0STIS 995 1000 512 512 11.4FUSE 25 20000 2000 1 9.0GALEX 40 200 100 900 8.9TUES 2 10000 10752 1 8.3BEFS 6 5000 2000 1 7.8HUT 80 400 512 1 7.2

UVES Optimization with T-170M non-axis aberrations

Канал 102-160нм

Канал 160-230нм

Канал 230-320нм

Преимущества трехканальной схемы с сегментированной апертурой

• Решение проблемы размещения приемника• Возможность уменьшения аберраций оптической

схемы спектрографа• Возможность выбора высокоэффективных

покрытий для более узкого спектрального диапазона

• Выбор более эффективных фотокатодов• Исключение подвижных элементов• Часть апертуры может быть использована для

спектроскопии, а часть для фотометрии или для системы точного сопровождения объекта (гидирования)