ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
543.52:535.214
Использование эталонного источника синхротронного излучения для калибровки чувствительности телескопа с ПЗС-матрицей и высоким угловым разрешением
С. И. АНЕВСКИЙ1, Ю. М. ЗОЛОТАРЕВСКИЙ1, В. Н. КРУТИКОВ1, А. М. ЛЕБЕДЕВ2, О. А. МИНАЕВА1, Р. В. МИНАЕВ1, Д. С. СЕНИН1,
В. Г. СТАНКЕВИЧ2
1 Всероссийский научно-исследовательский институт оптико-физических измерений,
Москва, Россия, e-mail: anevsky@vniiofi.ru 2 Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», Москва, Россия
Рассмотрен метод использования первичного эталонного источника синхротронного излучения для высокоточной калибровки чувствительности телескопов с ПЗС-матрицей и высоким угловым разрешением. Метод основан на высокоточном воспроизведении спектральных энергетических характеристик, гауссовом распределении спектральной плотности энергетической яркости по излучающей области, стабильности и воспроизводимости характеристик синхротронного излучения в одноэлектронном режиме.
Ключевые слова: эталонный источник, синхротронное излучение, электронное накопительное кольцо, спектральная плотность энергетической освещенности, ПЗС-матрица, телескоп.
A method of the use of the synchrotron radiation primary standard source for high accuracy calibration of telescopes with high of telescopes with high angular resolution is described. The method is based on a highly accurate reproduction of spectral energetic characteristics, Gaussian distribution of the spectral density of energetic irradiance by the emitting area, stability and reproducibility of the characteristics of synchrotron radiation in one-electron mode.
Key words: standard source, synchrotron radiation, electron storage ring, spectral density of energetic irradiance, CCD-matrix, telescope.
Измерение метрологических характеристик телескопа с ПЗС-матрицей включает определение угловой зависимости абсолютной чувствительности в единицах спектральной плотности энергетической яркости (СПЭЯ), стабильности, воспроизводимости, порога чувствительности, динамического диапазона, а также оценку спектральной и зонной коррекции чувствительности. Наиболее полно поставленной измерительной задаче соответствует эталонный источник синхротронного излучения, обеспечивающий воспроизведение и передачу спектрорадиометрических величин при использовании одноэлектронного режима генерации синхротрон-ного излучения и имеющий высокую стабильность и широкий динамический диапазон, составляющий 1011.
ВНИИОФИ проводит метрологические работы совместно с НИЦ «Курчатовский институт» и РТВ (Германия) соответственно на электронных накопительных кольцах «Сибирь-1», «Сибирь-2» и MLS и BESSY II по высокоточному компариро-ванию излучателей по СПЭЯ и спектральной плотности силы излучения (СПСИ) с помощью телескопа с охлаждаемой ПЗС-матрицей [1—3]. Высокоточная калибровка такого телескопа актуальна как при компарировании пространственного распределения СПЭЯ источников излучения, так и при определении угловой зависимости чувствительности бортовых телескопов, космических аппаратов, предназначенных для мониторинга Земли, верхней атмосферы и космических объектов.
Для определения абсолютной чувствительности телескопа с ПЗС-матрицей используется абсолютное распределе-
ние СПЭЯ синхротронного излучения по излучающей области, полученное с использованием теории Ю. Швингера:
L(x, y) = ^
230R3Da x a y
(XJX)4 [1 + (^)2]2 x
(1)
: {[© + K23© ))2 ]} + ОТ2 ]}
exp
(x - xo)2 (y - yo)2
2a 2
2a 2
где L — СПЭЯ синхротронного излучения; х, у — координаты излучающей области в плоскости орбиты и перпендикулярной ей плоскости; N — число ускоренных частиц; у — релятивистский фактор, у=Е/Е0, Е0 = 0,511 МэВ — энергия покоя электрона; е — заряд электрона; с — скорость света; Я — радиус орбиты; ох, Оу — среднеквадратическое отклонение пространственного распределения СПЭЯ электронного сгустка в плоскости орбиты и перпендикулярной ей плоскости; Хк — критическая длина волны, Хк = (4/Э)пЯу-3; X — длина волны; ¥ — угол отклонения от плоскости орбиты; К1/3, К2/3 — специальные функции Макдональда; £, — аргумент, £, = = [Хк /(2Х) [1 + (у¥)2]3/2; D — интеграл гауссова распределения:
D = Я
_1_
2nax a
x y
exp
(x - xo )2 (y - y 0 )2
2a2
2a 2
dxdy.
Расчет СПЭЯ синхротронного излучения проведен по результатам измерений М основанных на выделении СПСИ отдельного электрона. Для этого использован специальный скрайбер, последовательно удаляющий электроны с орбиты, пока на ней не останется единственный электрон, который может удерживаться в течение нескольких часов. Изображение излучающей области складывается из многократных экспозиций пикселов под действием синхротронного излучения отдельного электрона, вращающегося по орбите электронного накопительного кольца за время экспозиции ПЗС-матрицы. При этом электрон отклоняется от равновесной траектории в результате осевых и радиальных синхрот-ронных и бетатронных колебаний и создает результирующее гауссово распределение СПЭЯ по излучающей области.
На рис. 1 представлены результаты измерений сигналов компаратора, пропорциональных СПСИ, соответствующей интегралу СПЭЯ по излучающей области для каждого кадра. Для выделения спектрального интервала применяют узкополосные интерференционные фильтры или спектрометр. Удаление электронов с орбиты электронного накопительного кольца сопровождается скачкообразным изменением сигнала компаратора, при этом наименьшее дискретное изменение сигнала соответствует СПСИ отдельного электрона.
Отдельный электрон может удерживаться на орбите в течение длительного времени, так как время его жизни в накопительном кольце возрастает с уменьшением числа частиц. Абсолютная калибровка чувствительности ПЗС-мат-рицы с использованием синхротронного излучения позволяет, с учетом слабой зависимости СПЭЯ от энергии электрона и высокой точности определения радиуса электронной орбиты, характеризовать результаты измерений со средним квадратическим отклонением (СКО), не превышающим 0,1 %. При этом к компаратору СПЭЯ предъявляют требования высокой стабильности и угловой однородности чувствительности.
Исследование угловой зависимости чувствительности компаратора может быть основано на использовании интегрирующей сферы с равномерным пространственным рас-
пределением СПЭЯ источника или средства измерений (СИ), распределение СПЭЯ которого описывается гауссиа-ном. Применение равнояркого излучателя на основе интегрирующей сферы ограничивается неоднородностью СПЭЯ диффузно рассеивающих поверхностей, проявляющейся при использовании телескопа с высоким угловым разрешением.
Уравнение, описывающее калибровку компаратора СПЭЯ на основе телескопа с ПЗС-матрицей с использованием синхротронного излучения для сигнала д(х, у) пиксела с координатами (х, у) с учетом темнового сигнала д0(х, у), запишем следующим образом:
Ч(х, У)-Чо(Х У) =
= | ЦХ,8,П)т1(Х,П)т2(X,П)S(x,у)d8dШd0„
По А?Х§0
(2)
где А( — время экспозиции; S(х, у) — чувствительность пиксела ПЗС-матрицы с координатами (х, у); 80 — площадь излучающей области источника синхротронного излучения, выделяемая оптической системой при экспонировании пиксела с координатами (х, у); П0 — телесный угол, определяемый размером апертурной диафрагмы телескопа и расстоянием до излучателя; т1(Х, П), т2(Х, П) — спектральные коэффициенты пропускания телескопа и фильтра, соответственно.
Для решения уравнения (2) необходимо установить соответствие пространственного распределения СПЭЯ эталонного источника для элементов излучающей области с координатами (х, у) пикселам ПЗС-матрицы с координатами (х, у). Пространственное распределение СПЭЯ по излучающей области источника синхротронного излучения имеет гауссово распределение с СКО ох, Су в горизонтальном и вертикальном направлениях. Для определения однородности чувствительности телескопа с ПЗС-матрицей изображение сгустка электронов перемещается по приемной области. Полученные распределения сигналов пикселов сравнивают с нормальным распределением, что позволяет для каждого пиксела с фиксированными координатами определить относительную чувствительность. При распределении сигналов пикселов в поле зрения телескопа в виде матрицы с 16-битной дискретизацией значений необходимо учитывать угол между строкой матрицы и осями координат излучающей области. Для определения параметров ох, Су используют сглаженные значения сигнала дсг(х, у) для пиксела с координатами (х, у), определяемые как среднее значение сигналов пикселов в окрестности х+?, у+и:
Чог (х, У) =
1
(2Н + 1)2
-х
Рис. 1. Результаты измерений сигналов компаратора при уменьшении числа
N электронов
Н Н
хЕ I [9(* + у + и)-д0(х + у + и)],
г=-ни=-Н
где Н — максимальное отклонение координат в окрестности пиксела с координатами (х, у).
Амплитуда пространственного распределения СПЭЯ синхротронного излучения по изображению излучающей области электронного сгустка на ПЗС-матрице определяется значением максимума сглаженного сигнала N0 с координатами (хо, уо) максимума пространственного распределения СПЭЯ:
No = max q^ (х, У); (хо- Уо) = arg max q^ (х, У)-
Угол поворота пространственного распределения СПЭЯ изображения электронного сгустка относительно горизонтальной оси координат определяют по координатам наиболее удаленной от максимума распределения точки, значение сигнала в которой соответствует половине амплитуды пространственного распределения:
(xm - Ут)=arg так /0
9сг( x, У)=No / 2
[(x - x о )2 + (У - У о )2 ];
а = arccos
xm - x 0
V(xm -x0)2 + (m -У0)2
Рис. 2. Отклонение относительной угловой чувствительности телескопа с ПЗС-матрицей до коррекции
носительной чувствительности пикселов ПЗС-матрицы не превышают 6 %. П олученное угловое распределение чу встви-тельности компаратора СПЭЯ позволяет ввести автоматическую коррекцию чувствительности каждого пиксела для исключения влияния зависимости коэффициента пропускания оптической системы и зонной характеристики ПЗС-матрицы на результирующую чувствительность телескопа в пределах 1 %.
Возможность дальнейшего повышения точности коррекции угловой чувствительности ПЗС-матрицы определяетс
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.