Проектирование спектральной аппаратуры космического телескопа Спектр-УФ Юшкин М

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-170 М Диаметр главного зеркала – 1. 7 м Эквивалентное фокусное расстояние – 17 м Поле зрения 30 угл. мин.

Инструментальный отсек • Блок камер поля – Прямые изображения в диапазоне 150 -280 нм в поле 1'х1' с разрешением 0. 03'' – Прямые изображения в диапазоне 115 -190 нм 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 -310 нм) – VUVES (102 -176 нм)

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-2 СБ и 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 2 Мбит/с Возможности ракеты-носителя

Международная кооперация Россия (Т-170 М, «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 аберраций и аппаратной функции • • Недостатки: • Нет возможности включить в расчет вогнутые дифракционные решетки с криволинейным штрихом и/или переменной плотностью штрихов Расчет хода лучей в достаточно сложных оптических системах (в том числе и с сегментированной апертурой) Многопараметрическая оптимизация Расчет допусков Нет возможности выполнить энергетический расчет оптической системы с эшелле-решетками

Расчет и оптимизация оптической схемы UVES

3 d-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 R 2 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

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 20 Мбит/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 бортназемный 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. ru panchuk@sao. ru mike@sao. ru msachkov@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 STIS 588 LSS 660 STIS 995 FUSE 25 GALEX 40 TUES 2 BEFS 6 HUT 80 R 10000 2800 1000 200 10000 5000 400 N M lg(SRNM) 512 12. 2 3946 150 12. 0 512 11. 4 2000 1 9. 0 100 900 8. 9 10752 1 8. 3 2000 1 7. 8 512 1 7. 2

UVES Optimization with T-170 M non-axis aberrations

Канал 102 -160 нм

Канал 160 -230 нм

Канал 230 -320 нм

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)