АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2011, том 45, № 2, с. 166-177
УДК 520.6.05,523.9-739,523.9-8
ЭКСПЕРИМЕНТ ТЕСИС КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА
КОРОНАС-ФОТОН
© 2011 г. С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко*, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов, А. С. Ульянов, А. А. Рева, В. А. Слемзин, Н. К. Суходрев, Ю. С. Иванов, Л. А. Гончаров, А. В. Митрофанов, С. Г. Попова, Т. А. Шергина, В. А. Соловьев, С. Н. Опарин, М. С. Зыков
Учреждение Российской академии наук Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва *Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ, Москва
Поступила в редакцию 13.04.2010 г.
26 февраля 2009 г. получены первые данные в эксперименте ТЕСИС по исследованию солнечной короны методом изображающей спектроскопии. Аппаратура ТЕСИС входит в состав комплекса научной аппаратуры космического аппарата КОРОНАС-ФОТОН и предназначена для получения изображений короны Солнца в мягкой рентгеновской и вакуумной ультрафиолетовой областях спектра с высоким пространственным, спектральным и временным разрешением на высотах от переходного слоя до 3 солнечных радиусов. В статье приводятся основные характеристики аппаратуры, особенности управления и режимы работы.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование солнечной короны является одной из актуальных задач физики Солнца и астрофизики в целом. Многие ключевые вопросы этого исследования (механизм солнечных вспышек, физика нагрева короны, происхождение корональных выбросов массы) до сих пор остаются без ответа. Регистрируемые в короне проявления солнечной активности влияют на состояние межпланетной среды, на внешнюю ионосферу и магнитосферу Земли, поэтому их исследование имеет не только фундаментальное, но и прикладное значение.
В начале 1990-х годов в России была начата программа солнечных исследований КОРОНАС (Комплексные Орбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца), задуманная еще в советское время. В ходе этой программы планировалось вывести на орбиту три спутника, предназначенные для проведения исследований солнечной активности, регистрации излучения внешней атмосферы Солнца в различных спектральных диапазонах и ускоренных вспышечных частиц, проведения мониторинга межпланетной среды.
Первый спутник этой серии КОРОНАС-И был запущен летом 1994 г. и проработал на орбите несколько месяцев (Собельман и др., 1996). Второй спутник программы, КОРОНАС-Ф, был запущен летом 2001 г. (Ораевский, Собельман, 2002) и успешно работал до конца 2005 г. 30 января 2009 г. на орбиту Земли был выведен третий космический аппарат программы КОРОНАС — спутник КОРОНАС-ФОТОН (КоШу 2004). В состав научного комплекса на спутнике входят 12 приборов, предназначенных для исследования различных проявлений активности Солнца в широком спектральном и энергетиче-
ском диапазонах. Научное руководство проектом осуществляется МИФИ.
Для трех спутников проекта КОРОНАС в ФИАН были созданы комплексы аппаратуры для исследования солнечной короны методом изображающей спектроскопии Солнца в мягком рентгеновском (МР) и вакуумном ультрафиолетовом диапазонах (ВУФ) длин волн, который предусматривает регистрацию полного диска с высоким пространственным, спектральным и временным разрешением. Принципиальным в методе изображающей спектроскопии является регистрация монохроматических изображений в различных спектральных линиях коротковолнового диапазона спектра. Это позволяет определять параметры плазмы (температуру, плотность, обилия элементов и др.) солнечной короны с высокой точностью, характерной для спектральных методов исследования.
ЭКСПЕРИМЕНТ ТЕСИС
Для космического аппарата КОРОНАС-ФОТОН в ФИАН был разработан комплекс телескопов и спектрометров ТЕСИС, основной целью которого стало проведение эксперимента по исследованию солнечной короны и переходного слоя Солнца с высоким временным, пространственным и спектральным разрешением.
Среди задач эксперимента ТЕСИС — исследование механизмов накопления и высвобождения энергии в атмосфере Солнца, изучение активных солнечных процессов (вспышек и выбросов массы), диагностика физических условий в корональ-ной и вспышечной плазме. Комплекс приборов ТЕСИС имеет высокое пространственное (до 1.7") и временное (до 1 с) разрешение, позволяет прово-
Характеристики аппаратуры ТЕСИС
Канал регистрации, длина волны, А Оптическая схема F, мм Угловой размер пиксела, угл. с Поле зрения, угл.град Селективность, А/ДА Доминирующие ионы Форма поверхности зеркала Размер зеркала, мм
132 Телескоп 1630 1.71 1 «26(132 А) Бе XIX, Бе XX, Внеосевая 0100
171 1ершеля «28(171 А) Бе XXIII (132 А) парабола
Бе IX (171 А)
171 Телескоп 1630 1.71 1 «28(171 А) Бе IX (171 А) Внеосевая 0100
304 1ершеля «30(304 А) Не II, XI (304 А) парабола
304 Спектро- 600 4.6 2 «7, Бе XV, № XVIII, Осевая 080
гелиограф (в направлении дисперсия — IX, Са XVIII, парабола
дисперсии) 2.9 х 10-2 XI, Не II, Mg VIII
А/пиксел и др.
304 Ричи— 600 4.6 2 «7 Не II, XI Осевые Первичное —
Кретьена параболы 80/20
Вторичное —
40/10
8.42 Спектро- 1200 2.3 1.3 «210, Mg XII Сфера 120 х 80
гелиограф дисперсия —
3.8 х 10-4
А/пиксел
Sphinx Твердотельный Si-спектрометр, 0.5— 15 кэВ
дить наблюдения как в нижней атмосфере Солнца, так и на больших расстояниях от его поверхности (до трех радиусов), а также исследовать плазму в широком спектральном диапазоне с высоким разрешением (до 0.01 А).
Комплекс аппаратуры ТЕСИС состоит из блока датчиков (БД), блока электроники (БЭ) и блока оптических датчиков (ОД). БД является основным блоком, содержащим научную аппаратуру для регистрации солнечных изображений и спектров коротковолнового диапазона. БЭ содержит центральный процессор, оперативную память и электронные интерфейсы для подключения БД и ОД, а также связи со служебными системами спутника. ОД представляет собой два соосных противонаправленных телескопа, с осью визирования, перпендикулярной оси на Солнце, и служит для определения текущей ориентации аппаратуры ТЕСИС и ИСЗ КОРОНАС-ФОТОН.
Научная аппаратура ТЕСИС включает шесть независимых каналов регистрации — телескопы ВУФ-диапазона, спектрогелиографы МР- и ВУФ-диапа-зонов и спектрометр-фотометр 8рЫпХ рентгеновского диапазона (8у]м«81ег и др., 2008). Основные характеристики каналов регистрации прибора ТЕСИС приведены в табл. Схема БД ТЕСИС приведена на рис. 1.
НАЗНАЧЕНИЕ И УСТРОЙСТВО АППАРАТУРЫ ТЕСИС
Телескопы высокого разрешения
Телескопы высокого разрешения аппаратуры ТЕСИС предназначены для регистрации изображе-
ний солнечной короны в отдельных интервалах ВУФ-диапазона спектра. Спектральные диапазоны подобраны специально для наблюдения структур солнечной атмосферы в широком интервале температур: от переходного слоя (50 тыс. К, линия Не II X ~ 304 А), до "спокойной" короны (~1 млн. К, линия Fe IX X ~ 171 А) и горячей вспышечной плазмы (10-20 млн. К, линии Fe XX, XXI, XXIII X ~ 132 А).
В аппаратуре ТЕСИС используются два независимых канала: первый на длины волн 132 и 171 А, второй — 171 и 304 А. В первом канале изображение формируется одновременно в двух участках спектра, во втором канале выбор спектрального участка осуществляется поворотом дополнительной диафрагмы.
Оба телескопа построены по оптической схеме Гершеля, с внеосевыми асферическими зеркалами большой апертуры. Асферизация зеркал выполнена за счет нанесения на сферические подложки многослойного покрытия с заданным профилем. Сверху на асферизующие покрытия нанесены многослойные покрытия, селективно отражающие в отдельных интервалах ВУФ-диапазона. Принципиальная схема телескопических каналов аппаратуры ТЕСИС приведена на рис. 2.
Первый канал с диапазонами 132 А и 171 А предназначен, в основном, для изучения мелкомасштабной структуры и динамики горячей вспышеч-ной плазмы (10—20 млн. К) по изображениям в линиях железа Fe XX, XXI, XXIII вблизи X ~ 132 А. Поскольку такая плазма присутствует не на всем диске Солнца, а только в отдельных компактных областях ^Ийшк и др., 2003), то для определения ее положения на солнечном диске используется изоб-
Рис. 1. Схема БД ТЕСИС.
Рис. 2. Оптическая схема телескопов 132/171 А и 171/304 А.
ражение "спокойной" короны, полученное в линии холодного железа Fe IX (0.9 млн. К) вблизи X ~ 171 А.
Второй канал телескопа предназначен для наблюдения мелкомасштабной структуры и динами-
ки "спокойной" короны (линия Fe IX X ~ 171 А) и переходного слоя (линия Не II X ~ 304 А).
В телескопах используются зеркала нормального падения с апертурой Б = 100 мм, внеосевой вынос
Первичное зеркало
Фильтр
Рис. 3. Оптическая схема телескопа-коронографа.
Вторичное Фильтр зеркало
зеркал составляет h = 110 мм, фокусное расстояние телескопов — F = 1630 мм. Угловой размер 1-го пиксела составляет ~1.707".
Телескоп-коронограф широкого поля зрения
Телескоп-коронограф широкого поля зрения предназначен для наблюдения дальней короны Солнца в ВУФ-диапазоне. Телескоп построен по оптической схеме Ричи—Кретьена, с двумя асферическими многослойными зеркалами и детектором изображений на основе backside ПЗС-матрицы. Принципиальная схема телескопа приведена на рис. 3. Телескоп имеет поле зрения 2°, первичное зеркало диаметром DP = 80/20 мм (внешний/внутренний диаметр), вторичное зеркало диаметром DS = 40 мм, расстояние между вершинами зеркал l = 225 мм, рабочий отрезок А = 30 мм (вынос плоскости детектора от первичного зеркала). При такой оптической схеме эффективное фокусное расстояние составляет F = 620 мм, угловой размер 1 пиксела 4.6".
Рабочий спектральный диапазон телескопа вблизи 304 Â определяется используемыми многослойными зеркалами с покрытием на основе Mo/Si структуры. В отличие от телескопов высокого разрешения аппаратуры ТЕСИС, в этом канале асфе-ризация зеркал выполнена за счет формы подложки. На ПЗС-матрицу после Al-фильтра также был нанесен дополнительный Sc-фильтр для блокировки относительно мощного излучения солнечного диска в линии He II X ~ 304 Â.
Спектрогелиограф Mg XII
Спектрогелиограф Mg XII аппаратуры ТЕСИС предназначен для регистрации монохроматических изображений солнечной короны в спектра
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.