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
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)