Оптическая система прибора для измерения солнечного терагерцового излучения

Солнце является источником электромагнитного излучения в широком диапазоне частот и энергий. В настоящее время проводятся наземные и внеатмосферные наблюдения излучения практически по всему солнечному спектру за исключением терагерцового диапазона, которое почти полностью поглощается земной атмосферой.

Терагерцовое излучение хорошо проходит через диэлектрики, но почти полностью поглощается жидкостями и газами, особенно если в их составе присутствуют молекулы воды, углекислого газа и кислорода. Поэтому изучение терагерцового излучения от Солнца и других космических объектов возможно только за пределами земной атмосферы.

Космический эксперимент «Солнце– Терагерц» на борту Российского сегмента МКС направлен на изучение излучения Солнца в неисследованном терагерцовом диапазоне на частотах ~4·1011–1,2·1013 Гц (750–25 мкм) [1]. Главная цель эксперимента — получение новых данных о терагерцовом излучении Солнца, солнечных активных областей и солнечных вспышек [2–10]. Эти данные необходимы для выяснения природы солнечной активности, определения физического механизма ускорения заряженных частиц на Солнце во время солнечных вспышек и на других астрофизических объектах. В работе кратко представлены результаты расчётов оптической системы телескопа для регистрации солнечного терагерцового излучения, и описан ряд отладочных экспериментов. Получено согласие расчётов с результатами проведённого тестирования.

Структура прибора и одиночного модуля детектирования терагерцового излучения

Разрабатываемый прибор представляет собой совокупность восьми независимых модулей, каждый из которых регистрирует терагерцовое излучение в заданном частотном диапазоне. В состав каждого модуля входят:

• •    оптический телескоп, фокусирующий излучение, приходящее на входное окно приёмника;

• •    система фильтров, выбирающая необходимый интервал терагерцового излучения;

• •    механический прерыватель потока падающего излучения для формирования последовательности дискретных импульсов, пропорциональных мощности регистрируемого излучения (рис. 1).

Регистрируемый каждым модулем поток терагерцового излучения передаётся в блок электроники, где обрабатывается и запоминается.

Таким образом, каждый из восьми модулей представляет собой независимый канал, регистрирующий терагерцо-вое излучение в заданном интервале частот, определяемом используемыми фильтрами (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики используемых фильтров (паспортные значения)

№ фильтра Параметры	1	2	3	4	5	6	7	8
ν , ТГц	0,379	0,802	0,998	3,040	4,943	7,314	9,902	11,956
d , %	87	89	82	87	91	92	81	90
Δν , ТГц	0,065	0,128	0,187	0,631	1,013	1,976	1,317	1,435
δν , ТГц	0,003	0,006	0,0001	0,008	0,002	0,005	0,001	0,001

Примечание. ν — центральная частота пропускания фильтра; d — коэффициент пропускания фильтра в процентах (доля энергии (от падающей) на выходе фильтра); Δν ширина пропускания фильтра;

δν — погрешность ширины пропускания фильтра.

Схема отдельного модуля, регистрирующего терагерцовое излучение, показана на рис. 1. В установке используется телескоп, выполненный на основе схемы Кассегрена [5]. С помощью большого вогнутого зеркала и малого выпуклого зеркала входное излучение формируется в узкий пучок, который проходит через прерыватель и систему фильтров. Затем излучение, сформированное с помощью системы фильтров в заданном частотном интервале, поступает на входное окно приёмника.

Рис. 1. Структура одиночного канала детектора терагерцового излучения: БЗ — большое вогнутое зеркало с центральным отверстием; МЗ — малое выпуклое зеркало телескопа. Система фильтров выделяет необходимый интервал частот (длин волн) проходящего излучения. Прерыватель (модулятор) формирует последовательность импульсов, передающихся в электронную схему для анализа и записи

Оптическая схема одного модуля прибора представлена на рис. 2. На этом рисунке показано положение большого собирающего зеркала, имеющего диаметр Ф1 = 2∙АМ = 76 мм и радиус кривизны R1 = 162 мм. Его фокусное расстояние равно F1 = 81 мм (отрезок F1M). Представлено также положение малого рассеивающего зеркала диаметром Ф2 = 2∙РС = 25 мм, и радиусом кривизны R2 = 65 мм. Фокусное расстояние малого зеркала составляет 32,5 мм (F2). Расстояние между центрами двух зеркал соответствует отрезку МС (параметр D).

Рис. 2. Оптическая схема одного модуля прибора. Показано относительное положение большого зеркала (БЗ), малого зеркала (МЗ) и приёмника излучения

Для предварительного определения параметров телескопа использовался классический метод, изложенный в источнике [11]. Были рассчитаны расстояния от малого зеркала до фокуса телескопа В ₁ и от большого зеркала — до фокуса телескопа b . Тогда, согласно рис. 2 и источнику [12], для малого зеркала можно записать уравнение

1   11

= –    +   ^,

F 2      A 1 B 1

где F2 = 32,5 мм; В1 = F2(F1 – D)/[F2 – (F1 – D)]; А1 = (R1)/2 – D = 81 – 54 = 27 мм. Из этого выражения следует, что для параксиальных пучков излучения фокус системы расположен на расстоянии В1 = 159,55 мм от малого зеркала или на 105,55 мм — от большого. Эквивалентное фокусное расстояние телескопа fэкв (расстояние по прямой, проходящей через фокус телескопа, край малого зеркала и точку пересечения этой прямой с лучом, параллельным оптической оси и проходящим через край большого зеркала) равно:

f _экв = –( R ₁· R ₂)/(2·(2 D – R ₁ + R ₂)).

Для расстояния между зеркалами D = 54 мм величина f _экв составляет 478,6 мм. Рассчитанные параметры В ₁, b и D зависят друг от друга, как показано на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость величин параметров В1 (^^) и b ( ■ ■ ) от расстояния между зеркалами D

Окончательные расчёты параметров телескопа были выполнены с помощью программы построения оптических систем Земакс ( Zemax ) [13]. После проведения оптимизации расчётов, поиска наилучшего соотношения между радиусами кривизны зеркал при фиксированном расстоянии между зеркалами D = 54 мм были получены следующие величины параметров: R ₁ = 162 мм; R ₂ = 69 мм; В ₁ = 116 мм; b = 62 мм; f _экв = 373,2 мм. Критерием оптимизации служила величина максимальной доли энергии излучения, которая поступает на входное окно приёмника.

Расчёты показали, что доля энергии (ДЭ), поступающей в приёмник, находящийся в фокусе телескопа, при фиксированной частоте (длине волны) излучения, зависит от радиуса входного окна. На рис. 4 показана зависимость ДЭ от радиуса окна приёмника при длине волны излучения 750 мкм. Отметим, что при радиусе окна r ≳ 3 мм величина поступающей энергии остаётся практически постоянной и равной ~75%.

Т, МКМ

Рис. 4. Результаты расчётов: доля энергии излучения (ДЭ), поступающая в приёмник, в зависимости от радиуса его входного окна r

Также из расчётов следует, что величина ДЭ, попадающей на входное окно детектора, зависит от частоты падающего излучения при заданной величине r . В табл. 2 для примера приведен расчёт зависимости величины ДЭ от частоты (длины волны) излучения для входного окна детектора c радиусом r = 3 мм при указанных параметрах оптической системы R ₁, R ₂, D , B ₁ и b . Видно, что в терагерцовой области величина ДЭ растёт с увеличением частоты входящего излучения и превышает 90% при частоте свыше 1 ТГц.

Таблица 2

Зависимость величины доли энергии (ДЭ), попадающей на входное окно приёмника радиусом 3 мм, от частоты (длины волны) регистрируемого излучения

Параметры № канала	ν , ТГц	λ , мкм	ДЭ, %
1	0,4	750	74
2	0,8	375	84
3	1,0	300	90
4	3,0	100	97
5	5,0	60	99
6	7,0	43	100
7	10,0	30	100
8	12,0	25	100

Примечание. Таблица построена для телескопа с параметрами: R ₁ = 162 мм, R ₂ = 69 мм, D = 54 мм, B ₁ = 116 мм, b = 62 мм.

Экспериментальная проверка результатов расчёта телескопа

Для экспериментальной проверки результатов расчёта был изготовлен одноканальный макет телескопа, состоящий из оптической системы и приёмника (рис. 5, 6). В качестве приёмника излучения в макете телескопа использовался кремниевый фотодиод ВРW21R , имеющий максимум спектральной чувствительности на длине волны 565 нм. Проверка оптической системы проводилась с источником света, излучающим в оптическом диапазоне.

Фотодиод мог перемещаться вдоль оптической оси таким образом, что расстояние между полюсом большого зеркала и положением входного окна приёмника плавно менялось от 60 до 150 мм. Использование фотодиода в данном эксперименте позволило исключить оптический прерыватель и проводить измерения на немодули-рованном сигнале.

Рис. 5. Вид сверху на макет одного канала телескопа, на котором проводились измерения в оптическом диапазоне длин волн

Рис. 6. Вид спереди на приёмник светового излучения. В центре латунного кольца виден фотодиод ВРW21R

Сигнал с фотодиода поступает на усилитель, принципиальная схема которого приведена на рис. 7. Усилитель, представляющий собой преобразователь ток–напряжение, собран на микросхеме OP07C [14]. Сигнал с выхода усилителя измеряется с помощью цифрового мультиметра.

Рис. 7. Принципиальная схема усилителя сигнала фотодиода

Фокусировка оптической системы и настройки источника излучения проводилась с использованием экрана — транспаранта. В качестве источника использовался светодиодный излучатель. Принцип настройки оптической системы заключался в том, чтобы яркое пятно сфокусированного пучка света оказалось точно в центре пятна гало, образованного рассеянным светом. Перемещая транспарант вдоль оптической оси, можно было предварительно определить положение минимального размера сфокусированного светового пятна, т. е. определить положение фокуса телескопа. После настройки источника проводилась проверка центровки приёмника излучения. Использовалась двухкоординатная каретка с закреплённым фотодиодом, установленная на корпусе макета. Каретка позволяла производить перемещение фотодиода вдоль оптической оси и перпендикулярно ей. Проверка центровки расположения источника проводилась в положении минимального размера светового пятна в фокусе телескопа. График зависимости уровня сигнала на выходе усилителя от величины смещения каретки перпендикулярно оптической оси приведён на рис. 8.

Рис. 8. Зависимость амплитуды сигнала на выходе усилителя от величины смещения фотодиода в поперечном направлении L относительно оптической оси

Затем источник света устанавливался вдоль оптической оси на расстояниях S = 3; 5; 15 и 30 м от детектора. Фотодиод перемещался из крайнего переднего в крайнее заднее положение, что позволяло найти фокус оптической системы для каждого расстояния. При анализе данных для этих четырёх случаев были построены кривые зависимости амплитуды сигнала на выходе усилителя и положение изображения источника (фокус телескопа) в зависимости от расстояния между источником и входным окном приёмника ( S ). Как видно из рис. 9, амплитуда сигнала от усилителя и положение изображения практически не меняются при расстоянии до источника больше 15 м. Это связано с тем, что поток световых лучей от источника света приближается к параксиальному. При удалении источника на большие расстояния положение его изображения приближается к расчётной величине b = 62 мм.

На рис. 10 показана зависимость амплитуды сигнала на выходе усилителя от расстояния между большим зеркалом и входным окном приёмника (величина b на рис. 2) для четырёх положений источника относительно входного окна приёмника ( S = 3; 5; 15 и 30 м).

Максимальные значения сигналов были нормированы к одной и той же величине. На расстояниях 15 и 30 м фокус изображения источника фактически совпадает с расчётным.

Рис. 9. Зависимость амплитуды А сигнала на выходе усилителя и положения фокуса изображения источника — расстояние b (cм. рис. 2) от расстояния S между источником излучения и входной апертурой телескопа

Примечание. Левая вертикальная ось — кривая 1, правая вертикальная ось — кривая 2.

Рис. 10. Зависимость уровня сигнала А от величины расстояния b (см. рис. 2) при разных удалениях источника света от входного окна приёмника. Показаны данные для расстояний 3; 5; 15 и 30 м. Сигналы нормированы на максимальное значение

Следует отметить, что в качестве приёмника терагерцового излучения рассматривается возможность использования оптоакустического детектора — ячейки Голея [15, 16]. Эти детекторы среди неохлаждаемых приёмников (пироэлектрический и термопарный фотоприёмники, термисторный болометр и др.) имеют наибольшую чувствительность в широком спектральном диапазоне терагерцового излучения [17]. Полученные параметры оптической системы будут тщательно проверены на опытном образце научной аппаратуры с использованием необходимых источников терагерцового излучения (0,4–12,0 ТГц).

Заключение

В работе кратко представлены цели и задачи планируемого космического эксперимента «Солнце–Терагерц» на борту Российского сегмента МКС. Приведены конструкционные особенности используемой научной аппаратуры. Представлены результаты расчётов оптической системы прибора для регистрации терагерцового излучения Солнца, и описан ряд отладочных экспериментов. Получено хорошее соответствие расчётов с экспериментальными результатами. Определены оптимальные параметры оптического тракта научной аппаратуры «Солнце–Терагерц». Полученные результаты будут тщательно проверены на опытном образце научной аппаратуры с использованием необходимых источников терагерцового излучения (0,4–12,0 ТГц).