Гетеродинный приёмник инструмента SWI миссии Европейского космического агентства

Гетеродинный приёмник инструмента SWI миссии Европейского космического агентства JUICE NATO Advanced Research Workshop Гольцман Г. Н. 1, 2, Шураков А. С. 1, 3, Лобанов Ю. В. 1, 3, Корнеев А. А. 1, 3, Родин А. В. 3, 4, Федорова А. А. 4, Марченков К. И. 4, Кораблев О. И. 4 1 Проблемная радиофизическая лаборатория МПГУ 2 ЗАО «Сверхпроводниковые нанотехнологии» 3 Московский физико-технический институт 4 Институт космических исследований

Submillimeter wave Instrument (SWI-JUICE) миссии Jupiter Icy Moons Explorer Telescope D ~ 30 cm Spatial resolution < 1200 km @ 15 -20 RJ distance Vertical resolution: < ~ scale height JUICE является миссией Европейского Космического Агентства по изучения Юпитера и его спутников: Ганимеда, Калисто и Европы. JUICE будет запущен в 2022 при помощи ракеты-носителя Ариан-5 и прибудет к Галилеевым спутникам в 2030. JUICE выйдет на орбиту около Ганимеда, в то время как для Европы и Калисто запланированы лишь пролётные наблюдения.

JUICE: JUpiter ICy moons Explorer JUICE Science Themes Emergence of habitable worlds around gas giants Jupiter system as an archetype for gas giants NATO Advanced Research Workshop Cosmic Vision Themes What are the conditions for planet formation and emergence of life? How does the Solar System work? JUICE concept Single spacecraft mission to the Jovian system Investigations from orbit and flyby trajectories Synergistic and multi-disciplinary payload European–led mission

Mission scenario Launch 06. 2022 1. Interplanetary Transfer 7. 6 years Jupiter Orbit Insertion 01. 2030 2. Jupiter equatorial phase #1 3. Two Europa flybys 4. Jupiter high-latitude phase including Callisto flybys 5. Jupiter equatorial phase #2 ~11 months 36 days 260 days ~11 months Ganymede phases 6. Elliptic #1 30 days 7. High altitude (5000 km) 90 days 8. Elliptic #2 30 days 9. Circular (500 km) 102 days 10. Circular (200 km) 30 days Total mission duration 11 years

Payload: Remote sensing suite Acronym JANUS MAJIS UVS SWI Instrument type Narrow Angle Camera Characteristics 350 -1050 nm, 13 filters FOV: 1. 4° 2. 5 m/px at Ganymede (200 km) 10 km/px at Jupiter 0. 4 -5. 7 µm, 3 -7 nm resolution NATO Advanced Research Workshop FOV: 3. 4° Vis-near-IR Imaging Spectrometer 25 m/px at Ganymede (200 km) 100 km/px at Jupiter UV Spectrometer 55 -210 nm, <0. 6 nm resolution 0. 5 km/px at Ganymede(200 km) 250 km/px at Jupiter Sub-mm Wave Instrument 1080 -1275 GHz (250 µm) 530 -601 GHz (500 µm) 107 resolving power 30 cm antenna, 1 -2 mrad resolution

Payload: Geophysical package Acronym Instrument type GALA Laser Altimeter RIME Characteristics • 30 & 75 shot frequency • Resolution H/V: 20 m/ 0. 1 m at Ganymede (200 km) • 9 MHz (1&3 MHz band) • 16 m antenna NATO Advanced Research Workshop sounding • Down to 9 km • 30 m resolution in ice Ice Penetrating Radar 3 GM (USO+Ka. T) Radio science experiment • Gravity field up to degree 10 • Structure of the Jupiter atmosphere 0. 1 -800 mbar PRIDE VLBI experiment Precise measurements of s/c position and velocity

Payload: in-situ plasma & fields package Acronym Instrument type PEP Plasma Environment al Package RPWI J-MAG Characteristics • Neutrals, ions, electrons • Energy range <0. 001 e. V to >1 Me. V • Composition with M/d. M > 1000 • DC E-field vector NATO Advanced Research Workshop up to 1. 6 MHz Radio & plasma Wave Instrument • E- and B- fields in radio emissions in 80 k. Hz- 45 MHz range Magnetometer • Measurements rate 32 Hz, 128 Hz • ± 8000 n. T @ 1 p. T resolution • ± 50000 n. T @ 6 p. T resolution

Некоторые Научные Задачи SWI-JUICE является спектрометром / радиометром, с двумя тера -герцовыми каналами на частоты около 600 и 1200 ГГц. При использовании спектроскопии высокого разрешения (до R = 107) планируется: осуществить подробную характеристику теплового поля, динамики и состава стратосферы Юпитера, её связи с нижней и верхней NATO Advanced Research Workshop атмосферой; уникальным и беспрецедентным образом охарактеризовать разреженные атмосферы / экзосферы Галилеевых спутников, их взаимодействие с магнитосферой Юпитера; определить ключевые соотношения изотопов в атмосфере Юпитера и его спутников, содержащие тайны происхождения системы Юпитера; измерить поверхностные / внутренние свойства ледяных спутников, включая их состав и атмосферу у поверхности этих объектов.

Исследование атмосферы Юпитера Возможности SWI Мониторинг динамика стратосферы Юпитера и ее изменений используя: Прямые (доплеровские) измерения скорости ветра на нескольких молекулярных линиях на высотах 0. 01 -400 мбар с вертикальным разрешением равным шкале высот с точностью до 10 м/с Вертикальные профили температуры с разрешением порядка шкалы высоты 3 -D мониторинг малых составляющих с разрешением NATO Advanced Research Workshop по широте 1° - дополнительные ограничения на динамику средней стратосферы, то есть на относительную важность турбулентной диффузии и горизонтальной адвекции в перераспределении малых составляющих: CS, HCN, CO, H 2 O (падение кометы SL-9) 9 Измерения атмосферного состава и химии: Вертикальные профили NH 3 и РH 3 в нижней стратосфере и HCN и СS в стратосфере Детектирование и измерение гидрокарбонатов (CH 3 CCH, C 2 H 2 C 2 H 6) галогениды (HCl…)… Поиск новых газов в стратосфере, предсказанных фотохимическими моделями CH 3 OH, H 2 CO, HC 3 N Происхождение внешнего кислорода в атмосфере Юпитера: измеряя вертикальные профили H 2 O и CO 2 с хорошим вертикальным разрешением и пространственным лучше 1°, измеряя изотопные отношения 18 O/16 O, 17 O/16 O и D/H в этих молекулах

Структура и состав атмосфер ледяных лун Что мы знаем? Наблюдения: Сведения о составе экзосфер очень скудные, наблюдательных данных NATO Advanced Research Workshop фактически нет, глобальный состав, вертикальная и горизонтальная структура неизвестны Ганимед и Европа: Hubble Space Telescope (HST) (Hall et al. , 1998) детектировал атомарного кислорода на 130. 4 и 135. 6 нм след. O 2 ~1 -10 1014 см-2, но сам молекулярный кислород не был обнаружен O 3 (~5 1016 см-2) 260 нм (HST) на Ганимеде (вмороженный в лед? ) (Noll et al. , 1996) Каллисто: СО 2 атмосфера 1015 см-2 (Галилео, NIMS; Carlson, 1999); О 2? 1016 см-2 (Галилео; Kliore et al. , 2002), верхние пределы на CO 2, CO и О 2 (УФ, HST, Strobel et al. , 2002) 10

Изучение экзосфер и поверхностей ледяных лун Возможности SWI Фокус на водяном паре: 3 d распределение водяного пара , используя лимбовые наблюдения от поверхности до 400 км с вертикальным разрешением до 1 км на Ганимеде и надирные наблюдения => позволят определить источники в экзосфере и стоки в магнитосфере Юпитера Поиск локальных водяных гейзеров (выбросов) как на Энцеладе. В итоге состав экзосферы может дать взгляд в состав поверхности или подповерхностного слоя, как и на NATO Advanced Research Workshop Энцеладе, где состав выбросов гейзеров дал ограничения на состав подповерхностного океана (Waite et al. , 2009; Postberg et al. , 2011) Наблюдения в нескольких линиях дадут вращательные температуры и дадут возможность исследовать условия внутри экзосфер спутников. Возможны первые измерения ветров (потоков) по доплеровскому сдвигу. Первый взгляд в динамику экзосфер спутников. Изучение процессов и скоростей диссипации Возможность исследовать состав атмосфер, поиск O 2 и других молекул ожидаемых из “sputtering models” (H 2 O 2, OH, O 3, CO). Особенно вероятно детектирование O 2 на Каллисто 11

Возможности SWI Формирование и происхождение спутников Юпитера по изотопным отношениям: Измерения отношений изотопов 16 O/18 O, 16 O/17 O и D/H в H 2 O в экзосферах Ганимеда и Каллисто даст до сих пор отсутствующие ограничения на формирование и историю спутников. Измерения отношения орто-пара (OPR) H 2 O на Ганимеде и Каллисто – ограничения на тепловую историю их поверхности? Значение на спутниках никогда не измерялось. Действительная важность этого параметра все еще обсуждается (Buntkowsky et al. , NATO Advanced Research Workshop 2008). В равновесии, OPR уменьшается с уменьшением температуры Возможно удастся померить изотопы других молекул кроме O 2 и H 2 O (например CO на Каллисто) Наблюдения H 2 O: На лимбе: фундаментальные линии орто- и пара-воды на 557 и 1162 ГГц 12

Итого: почему 600 и 1200 ГГц Юпитер: Полоса 1 (600 ГГц): измерения тяжелых молекул CH 3 CCH, HC 3 N; в два раза лучшее отношение сигнал-шум; Полоса 2 (1200 ГГц): присутствие линий CH 4 для измерения температурных полей, метан имеет равномерное распределение с высотой; слабые линии изотопов; NATO Advanced Research Workshop обеспечивает в 2 раза лучшее пространственное разрешение и разрешение по скорости ветра. Галилеевы спутники: Полоса 1 (600 ГГц): лучший сигнал-шум для H 2 O линий, линия СО; Полоса 2 (1200 ГГц): наблюдения О 2; больше линий воды особенно слабых и изотопических линий, необходимо для восстановления температуры. Одновременные измерения необходимы в верхней атмосфере Юпитера и в экзосферах спутников по линиям воды.

Блок-схема инструмента SWI-JUICE Приёмный модуль – 2 канала (600 и 1200 ГГц)

Международный консорциум SWI-JUICE Организация Обязанности Max Planck Institute for Solar System Research (MPS), Германия, Гёттинген PI проекта, весь прибор в целом University of Bern, Institute for Applied Physics (IAP) Оптика, тестирование приёмного модуля National Institute of Information and Communications (NICT) and Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA) Зеркала Усилители NATO Advanced Research Workshopмощности и умножители Radiometer Physics Gmb. H (RPG) частоты до 150 ГГц для каналов 1 и 2 Omnisys Instrument AV Автокорреляционные и Фурьеспектрометры Laboratoire d'Etudes du Rayonnement et de la Matière en Astrophysique (LERMA) Синтезаторы частоты на 25 ГГц, удвоители частоты на 300 ГГц для каналов 1 и 2, умножитель на 600 ГГц для канала 2 Chalmers University of Technology Смесители субгармонической накачки для каналов 1 и 2 Polskiej Akademii Nauk, Centrum Badań Kosmicznych (CBK) Модуль питания, модуль контроля и обработки данных Jet Propulsion Laboratory вышла из консорциума – Сконтел, Физ. Тех, ИКИ РАН вошли

Начало участия в проекте: Международный Симпозиум по Космическим Терагерцовым Технологиям (ISSTT) Место проведения – Москва, год – 2014 Диалог с PI проекта SWI-JUICE Паулем Хартогом Принятие решения о вхождении представителей ЗАО «Сконтел» в состав международного консорциума SWI-JUICE Обсуждение стратегии взаимодействий в рамках консорциума

Перераспределение обязанностей NATO Advanced Research Workshop С выходом JPL из консорциума стратегия реализации SWI-JUICE изменилась – усилия были направлены на разработку технологий, не существующих в Европе: широкополосный умножитель частоты на 600 ГГц (единицы милливатт на выходе), широкополосный смеситель субгармонической накачки на основе ДБШ на 1200 ГГц (несколько тысяч кельвин шумовой температуры).

История нашего взаимодействия с Техническим университетом Чалмерса и Institute of Optical Sensor Systems, DLR Stratospheric Observatory for Infrared Astronomy (SOFIA) Базирование телескопа – стратосфера Земли, размер зеркала – 2. 7 м Космическая обсерватория «Гершель» запущенна в космос в 2009 году Нацелена на поиск планет земного типа в далеком космосе, изучение процессов образования звезд и планет, исследование далеких объектов, темной материи и темной энергии Оснащена гетеродинными HEB-приёмниками диапазона 1. 41 -1. 91 ТГц (канал HIFI: полосы 6 и 7), созданными в Техническом университете Чалмерса на базе плёнок ПРФЛ МПГУ Оснащена гетеродинными HEBприёмниками диапазонов 1. 6– 1. 9 ТГц, 2. 4– 2. 7 ТГц, 4. 7 ТГц (спектрометр GREAT) ПРФЛ МПГУ занимался разработкой сверхчувствительных квазиоптических HEB-приёмников для SOFIA (не были установлены)

Сотрудничество с Гарвард-Смитсоновским Центром Астрофизики (CFA) Heinrich Hertz Submillimeter Telescope (SMT) Наземное базирование (гора Грэхэм, Аризона, США) Детектирование спектральных линий в частотном диапазоне около 1 ТГц Receiver Lab Telescope Наземное базирование (Cerro Sairecabur, Чили) Наблюдения в частотном диапазоне 0. 8 – 1. 5 ТГц Впервые телескопом наземного базирования была получена полностью разрешенная спектральная линия (CO 9 -8 в Orion BN/KL) (2000 г. )* *http: //www. cfa. harvard. edu/srlab/secure/rxlab. Terahertz. Science. html

Технологическая база ПРФЛ МПГУ и ЗАО “Сконтел” Возможность выполнять весь цикл технологических операций по: изготовлению cверхпроводниковых наноструктур; созданию интегральных «планарных» устройств NATO Advanced Research Workshop

Встречи консорциума и регулярные телеконы Начиная с января 2014 года регулярное участие и непосредственное присутствие на встречах консорциума SWI-JUICE (г. Геттинген, Германия) Участие в телеконференциях, направленных на оптимизацию взаимодеиствия в рамках консорциума, включая логистику совместных измерений и т. п. NATO Advanced Research Workshop ли: В результате общения в рамках консорциума и телеконов бы согласованы требования к разрабатываемым нами узлам прибора и сформулирована стратегия взаимодействия в рамках консорциума основные промежуточные временные отметки тв утверждено наше предложение о создании интегральных устройс (умножителя частоты и смесителя) на основе «дискретных» структур Шоттки

Нами приобретены варисторы на основе контакта Шоттки Чип с антипараллельная парой Диодов с Барьером Шоттки (размер чипа ~ 70× 35× 10 мкм 3): Контакт Шоттки вид чипа сверху – кварцевая пластина с парой ДБШ, выращенной на подложке NATO Advanced Research Workshop Кремний-На-Изоляторе вид чипа снизу – выводные контакты из гальванического золота Собственная частота отсечки диодов составляет ~ 2. 9 ТГц* Эквивалентная схема антипараллельной пары ДБШ *Производителем в лице ACST Gmb. H были успешно созданы интегральные устройства (смесители) на 600 ГГц

Нами была разработана элементная база для терагерцового волноводного смесителя Волноводно-полосковые переходы (600 и 1200 ГГц) S 21 S 11 Гладкостенная рупорная антенна (1200 ГГц) S 21 NATO Advanced Research Workshop S 11 Полосно-заградительный фильтр (1200 ГГц) S 21 Волноводный поворот на 90° (1200 ГГц) S 11 Расчёты произведены при помощи программной среды HFSS

Нами были изготовлены структурные элементы смесителя Прямоугольный волновод 400× 200 мкм 2 на фланце UG-387 Гладкостенный ТГц рупор (переходящий в волновод 200× 100 мкм 2) Ø = 500 мкм NATO Advanced Research Workshop (а) Паз под чип детектора Фидерная линия рупорной антенны Массивполосковых линий на кварцевой подложке Одиночный чип смесителя Волноводная закоротка Чип диодов с барьером Шоттки (ДБШ) *Изготовление волноводной камеры (а) осуществлялось путем прецизионной фрезеровки в Институте прикладной физики Российской Академии Наук (г. Нижний Новгород)

Коммерциализация наших предыдущих научно-технических разработок для радиоастрономии: терагерцовые приёмные системы ЗАО «Сконтел» Прямые детекторы Используемая технология: HEB-болометр Диапазон рабочих входных частот: 0. 3 – 70 ТГц Чувствительность (NEP): 0. 01 – 10 п. Вт/Гц0. 5 NATO Advanced Research Workshop Быстродействие: до 50 пс Гетеродинные детекторы Используемая технология: HEB-смеситель Диапазон рабочих входных частот: 0. 5 – 8 ТГц Чувствительность (шумовая температура): ~ 0. 5 K/Гц Ширина полосы ПЧ: до 8 ГГц

Коммерциализация наших предыдущих научно-технических разработок для радиоастрономии: сверхпроводниковые счётчики одиночных фотонов ЗАО «Сконтел» Основные особенности систем регистрации ИК-фотонов: Количество независимых каналов регистрации: 1 -8 Тип используемого NATO Advanced Research Workshop оптического волокна: SMF-28 e Напряжение выходного сигнала: ≤ 150 м. В Типы выходного сигнала: TTL, ECL, LVDS Технические характеристики Электрическое соединение: SMA разъем Возможность внешнего управления: USB, Lab. VIEW

Спасибо за внимание!!! NATO Advanced Research Workshop

Технология Шоттки в Европе и мире LERMA Appleton Laboratory ASCT VDI NATO Advanced Research Workshop Chalmers. . . (вставлю что-то вроде из статьи Маестрини)