1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Космические исследования
  4. T. 59, № 1, 2021

Космические исследования, 2021, T. 59, № 1, стр. 3-8

Исследование характеристик детектора терагерцового излучения для научной аппаратуры “Солнце-Терагерц”

Е. В. Калинин 1, М. В. Филиппов 1, *, В. С. Махмутов 1, О. С. Максумов 1, Ю. И. Стожков 1, А. А. Квашнин 1, Г. Н. Измайлов 2, В. В. Озолин 2

1 Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН
г. Москва, Россия

2 Московский авиационный институт
г. Москва, Россия

* E-mail: mfilippov@frtk.ru

Поступила в редакцию 27.02.2020
После доработки 20.05.2020
Принята к публикации 29.05.2020

Полный текст (PDF)

Аннотация

В данной работе приводится краткое описание отдельных элементов, которые могут быть включены в состав научной аппаратуры “Солнце-Терагерц”, предназначенной для проведения впервые внеатмосферного эксперимента на борту международной космической станции. Его целью является измерение терагерцового электромагнитного излучения как от спокойного Солнца, так и во время протекания активных процессов на Солнце (солнечные вспышки, выбросы корональной массы и т.д.), что необходимо для установления физической природы солнечной активности и солнечных вспышек. В качестве приемников терагерцового излучения рассмотрена возможность использования оптоакустических преобразователей (ячеек Голея), чувствительность, стабильность и время отклика которых определены в ходе предварительных лабораторных исследований в наземных условиях.

ВВЕДЕНИЕ

Радиоизлучение солнечных активных областей и солнечных вспышек несет важную информацию о процессах ускорения заряженных частиц на Солнце, механизме переноса частиц из области их ускорения в области генерации радиоизлучения, позволяет исследовать физические условия и механизм генерации радиоизлучения в солнечной атмосфере. Длительные наземные измерения солнечного радиоизлучения охватывают широкий интервал частот от десятков кГц до десятков ГГц [17].

Однако диапазон электромагнитных волн в диапазоне ~1–15 ТГц (1 ТГц = 1012 Гц) солнечного излучения на сегодняшний день является практически не исследованным, вследствие почти полного его поглощения в атмосфере Земли. Тем не менее, в земной атмосфере существуют отдельные узкие “окна прозрачности” в области частот, прилегающей к терагерцовому диапазону, в которых проводятся наземные солнечные наблюдения [7, 10, 16]. Так с 1999 года в горной астрономической обсерватории CASLEO (Аргентина) проводятся непрерывные наблюдения Солнца и солнечных вспышек на солнечном субмиллиметровом телескопе (SST) на частотах 210 и 405 ГГц [7]. Анализ полученных наземных данных позволил установить ряд важных физических особенностей солнечных вспышек, свидетельствующих о возрастании потоков вспышечного излучения на частотах свыше 100 ГГц, об изменении потоков излучения на несколько порядков в течение нескольких минут (секунд). Оказалось, что гиросинхротронный механизм радиоизлучения удовлетворительно описывающий частотный спектр до 100 ГГц не описывает наблюдаемое увеличение потоков излучения на частотах свыше 100–200 ГГц. Это предполагает наличие в области солнечной вспышки дополнительного источника излучения на указанных частотах. Интересным является также обнаружение тонкой временной структуры в вариациях излучения, связи субмиллиметрового излучения с выбросами корональной массы, рентгеновским, гамма-излучением солнечных вспышек и др. [3–6, 8, 11–13]. Эти экспериментальные результаты в настоящее время не нашли удовлетворительного теоретического объяснения и нуждаются в детальных измерениях солнечного терагерцового излучения.

Научная аппаратура “Солнце-Терагерц” предназначена для проведения первых внеатмосферных экспериментов на борту МКС по исследованию солнечного радиоизлучения в терагерцовом диапазоне волн как в условиях спокойного Солнца, так и в условиях транзиентных солнечных явлений (солнечные вспышки, выбросы корональной массы и др). Впервые будет реализована возможность непрерывных и детальных наблюдений Солнца на восьми частотах в диапазоне 0.4–15 ТГц.

Планируемые измерения существенно дополнят наземные радионаблюдения и позволят установить частотный спектр солнечного излучения и его временную динамику от микроволнового излучения до высокочастотного терагерцового диапазона. Знание частотного спектра излучения и его временных вариаций в активных областях на Солнце необходимо для установления адекватной физической природы солнечной активности и солнечных вспышек [1, 3, 4, 8]. Эти измерения будут иметь и важное прикладное значение для разработки оперативных методов прогнозирования мощных солнечных вспышек на Солнце, их воздействия на межпланетное пространство и земную магнитосферу, на электронные космические системы, наземные энергетические установки, коммуникационные системы и на атмосферные процессы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Активная разработка новых экспериментальных подходов по созданию внеатмосферных систем детектирования солнечного терагерцового излучения началась в последнее десятилетие и привела к созданию первого прототипа солнечного фотометра для этой области энергий [5, 20]. В 2016 г. в период с 19 по 30.I. был проведен первый международный аэростатный эксперимент GRIPS в Антарктиде [2, 5, 13]. В состав его научной аппаратуры входил солнечный фотометр “SOLAR-T”, c помощью которого были выполнены наблюдения солнечного диска в терагерцовом диапазоне [5]. Было зарегистрировано солнечное вспышечное событие на указанных частотах 28.I.2016 года в 12.12.10 UT (рентгеновский балл вспышки C9.6). Одновременно это же событие было зарегистрировано на наземном субмиллиметровом солнечном телескопе (SST), на Hα солнечном телескопе (HASTA) в Аргентине, а также, на космической обсерватории SDO [6, 7, 10, 11].

В создаваемой новой научной аппаратуре “Солнце-Терагерц” будет использован имеющийся опыт и результаты, полученные в разных немногочисленных наземных экспериментах, но в отличие от них впервые будет реализована возможность непрерывных и детальных наблюдений Солнца на восьми частотах в диапазоне 0.4–15 ТГц.

На рис. 1 показана трехмерная модель (вариант компоновки, разработанный на этапе эскизного проектирования) научной аппаратуры “Солнце-Терагерц”. Основой прибора являются 8 детекторов терагерцового излучения: оптоакустические преобразователи (ОАП) – ячейки Голея. Выбор этих детекторов обусловлен их одинаковой чувствительностью для всей области терагерцового излучения и линейной зависимостью выходного сигнала ячейки от поглощенной энергии (температуры) [5].

Рис. 1.

Трехмерная модель корпуса и основных элементов научной аппаратуры “Солнце-Терагерц”.

На рис. 2 приведена оптическая схема и состав одного детектирующего канала. Для приема и первичной фильтрации электромагнитного излучения, используется телескоп (большое и малое зеркала), выполненный по системе Кассегрена [19], поверхность которого рассеивает значительную часть падающего видимого излучения. В тоже время, рефлекторная система Кассегрена позволяет избежать сильного поглощения терагерцового излучения оптическими стеклами. Так как аберрации не оказывают влияния на концентрацию энергии на входном окне детектора, малое и большое зеркала являются сферическими.

Рис. 2.

Схематичное изображение оптического тракта детектора.

Отрезающий фильтр (LPF), служит для пропускания терагерцового излучения и блокирования коротких волн, так как полосовые фильтры (BPF) [15, 18] являются прозрачными в оптическом диапазоне излучения.

Далее располагается оптический прерыватель (чоппер), который служит для модуляции сигнала, поступающего на входное окно ОАП (оптоакустического преобразователя “Ячейка Голея”). В научной аппаратуре “Солнце-Терагерц” предполагается использование ОАП GC-1D (http:// www.tydexoptics.com/; [20]). Аналогичные преобразователи использовались в научной аппаратуре “SOLAR-T”.

Вышеописанная конфигурация зеркал позволяет сфокусировать на входном окне ОАП диаметром 6 мм пятно от излучающего объекта с угловым диаметром 0.5°.

Набор 8-ми частот в дипазоне ~0.4–15 ТГц позволит получить детальную информацию об особенностях частотного солнечного излучения, локализовать критическую частоту, на которой происходит изменение наклона (изгиба) этого спектра, т.е. установить частоту перехода спектра от известного гиросинхротронного, например, к тепловому.

Наличие непрерывных солнечных измерений SST на частотах 0.2 и 0.4 ТГц позволит проводить взаимные калибровки научной аппаратуры “Солнце-Терагерц” на борту МКС и наземного телескопа. Предполагается, что один из восьми детектирующих каналов научной аппаратуры будут регистрировать солнечное излучение на частоте 0.4 ТГц.

РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕСТИРОВАНИЯ ОДИНОЧНОГО КАНАЛА ДЕТЕКТИРОВАНИЯ

Для проведения испытаний аппаратуры на этапах, предшествующих изготовлению опытных образцов, был изготовлен макет одиночного канала детектирования (в соответствие с [5, 20]). Он включает в себя детектор терагерцового излучения (рис. 2) и минимально необходимый комплект электроники. Макет обеспечивает замену полосовых фильтров в оптическом тракте, что позволяет моделировать работу детектора в различных частотных диапазонах.

На макете были проверены некоторые схемотехнические решения для опытного образца научной аппаратуры. В частности, был разработан и проверен предусилитель, в основе которой лежит преобразователь ток-напряжение [21] на базе операционного усилителя AD 820. После предусилителя в оптическом тракте сигнал поступает на усилитель (первый каскад) и, далее, на фильтр низких частот Баттерворта [22].

На рис. 3 представлены графики выходного напряжения детектора после усиления и фильтрации. Запись произведена с помощью цифрового осциллографа АКИП-72204А (https://prist. ru/manufacturers/akip/). На верхней панели рис. 3 представлен данные, полученные за несколько часов наблюдений. Отчетливо видна огибающая сигнала, полученная в измерениях без использования полосовых фильтров. Ее тенденция к расширению связана с влиянием температурного эффекта на величину выходного сигнала ОАП. Также на данном графике показаны временные интервалы, на которых макет одиночного канала работает с установленными полосовыми фильтрами (интервалы а, в, с на верхней панели рис. 3). Рассмотрим более подробно переходные процессы, происходящие при установке фильтров (рис. 3, нижняя панель). С 15.09.09 до 15.09.10 установка работает без полосового фильтра на фоновом излучении. Начиная с 15.09.10 до 15.09.11 производится установка полосового фильтра BPF-0.4. Далее, примерно в течении 2 с аппаратура приходит в термостабильное состояние. Переменная составляющая выходного напряжения ОАП является искомым полезным сигналом. Данные вариации (100 ± 10 мс) с амплитудой 200 ± 20 мВ обусловлены модуляцией потока излучения вращающимся прерывателем входного сигнала (чоппера).

Рис. 3.

Осциллограмма сигнала детектора в течение нескольких часов (верхняя панель). На временные интервалах а, в, с установка функционирует с установленными полосовыми BPF-фильтрами. Внизу – осциллограмма переходного процесса, зафиксированного детектором при установке полосового фильтра в корпус одиночного канала детектирования. Резкий спад сигнала соответствует моменту установки металлической заслонки с фильтром. Далее, спустя ~3 с, установка приходит в тепловое равновесие.

Временная стабильность и чувствительность детектора была проверена с помощью калибровки детекторов Голея GC-CS специальной аппаратурой (излучатель, работающий в диапазоне температур 0–100°C, http://www.tydexoptics.com/).

Также было проведены измерения температурных зависимостей отклика ОАП на разных частотах. Измерения проводились в течение 190 ч. Использовался датчик температуры с точностью измерения температуры 0.1°C. Были проведены фоновые измерения и измерения, с использованием излучателя в диапазоне температур 60–100°C с шагом в 10°C. Каждое измерение проводилось при трех характерных частотах, модулирующих излучение: 10 и 15 Гц.

Интенсивность принимаемого излучения считается постоянной, таким образом уровень выходного сигнала ОАП зависит только от температуры. В качестве значения выходного сигнала был взят модуль разности близлежащих точек максимума и минимума квазисуносоидального сигнала ОАП.

Температурная зависимость выходного сигнала ОАП аналитически может быть определена уравнением (1):

(1)
$U\left( T \right) = U({{T}_{0}}) + k\Delta T,$
где $U\left( T \right)$ – величина выходного сигнала ОАП при температуре $T$, В; $U({{T}_{0}})$ – величина выходного сигнала ОАП при температуре ${{T}_{0}}$, В; $k$ – температурный коэффициент, В/°C; $\Delta T - ~$ разность температур $~~\left( {T - {{T}_{0}}} \right)$, °C.

Методом регрессионного анализа экспериментальных данных были получены значения коэффициента k. Например, для фильтра на 3 ТГц, при частоте оптического прерывателя 10 Гц: k = = 0.179 В/°C, а при частоте 15 Гц: k = 0.195 В/°C.

В будущем запланировано проведениях калибровочных испытаний с излучателем, обеспечивающим диапазон температур от 100 до 1200°C.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено исследование характеристик ОАП (ячейки Голея) и детектирующего канала в сборе. Результаты измерений показали, что данный тип приемника электромагнитного излучения удовлетворяет требованиям планируемого терагерцового эксперимента.

Будущие экспериментальные наблюдения терагерцового излучения необходимы для изучения физической природы процессов ускорения заряженных частиц в солнечных активных областях и других астрофизических объектах. Следует отметить, что создаваемая научная аппаратура “Солнце-Терагерц” может быть полезной при разработке будущей экспериментальной базы “терагерцовых” исследований не только Солнца, но и планет Солнечной системы и других различных космических объектов (астероидов, комет и др.). Разрабатываемая научная аппаратура, при соответствующей модификации, будет полезна и для изучения активных процессов в земной атмосфере, на поверхности Земли и в ее недрах.

Список литературы

  1. Akabane K., Nakajima H., Ohki K. et al. A flare-associated thermal burst in the mm-wave region // Solar Physics. 1973. V. 33. P. 431–437.

  2. Duncan N., Saint-Hilaire P., Shih A.Y. et al. First flight of the Gamma-Ray Imager/Polarimeter for Solar flares (GRIPS) instrument // Proceedings of the SPIE. 2016. V. 9905. id. 99052Q 17.

  3. Kaufmann P., Raullin J.-P., de Castro C.G.G. et al. A new solar burst spectral component emitting only in the terahertz range // Astrophysical J. 2004. V. 603. P. L121–L124.

  4. Kaufmann P., Correia E., Costa J.E.R. et al. Solar burst with millimeter-wave emission at high frequency only // Nature. 1985. V. 313. P. 380–382.

  5. Kaufmann P., Marcon R., Abrantes A. et al. THz photometers for solar observations from space // Experimental Astronomy. 2014. V. 37. P. 579–598.

  6. Kaufmann P. Submillimeter/IR solar bursts from high energy electrons // AIP conference Proceedings. 1996. V. 374. P. 379–392.

  7. Kaufmann P., Costa J.E.R., Gimenez de Castro et al. The new submillimeter-wave solar telescope // Proceedings of the 2001 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference. IEEE. 2001. P. 439–442.

  8. Kaufmann P., Gimenez de Castro, Makhmutov V. et al. Launch of solar coronal mass ejections and submillimeter pulse bursts // J. Geophysical Research. 2003. V. 108(A7). P. 1280.

  9. Krucker S., Giménez de Castro C.G., Hudson H.S. et al. Solar flares at submillimeter wavelengths // Astron Astrophys Review. 2013. V. 21. P. 58.

  10. Luthi T., Magun A., Miller M. First observation of a solar X-class flare in the submillimeter range with KOSMA // Astronomy and Astrophysics. 2004. V. 415. P. 1123–1132.

  11. Luthi T., Ludi A., Magun A. Determination of the location and effective angular size of solar flares with a 210 GHz multibeam radiometer // Astronomy and Astrophysics. 2004. V. 420. P. 361–370.

  12. Makhmutov V., Raulin J.-P., Giménez de Castro C. et al. Wavelet Decomposition of Submillimeter Solar Radio Bursts // Solar Physics. 2003. V. 218. P. 211–220.

  13. Makhmutov V., Kurt V., Yushkov B.Y. et al. Spectral peculiarities of high energy X-ray radiation, gamma radiation, and Submillimeter radio emission in the impulsive phase of a solar flare // Bulletin of the Russian Academy of Science: Physics. 2011. V. 75. P. 747–750.

  14. Marcon R., Kaufmann P., Fernandes T. et al. Terahertz photometer to observe solar flares continuum // J. Infrared, Millimeter and Terahertz Waves. 2012. V. 33. P. 192–203.

  15. Melo A., Kornberg M., Kaufmann P. et al. Metal mesh resonant filters for terahertz frequencies // Applied Optics. 2008. V. 47. № 32.

  16. Melo A., Kaufmann P., Kudaka A.S. et al. A New Setup for Ground-based Measurements of Solar Activity at 10 mm // Publications of the Astronomical Society of the Pacific. 2006. V. 118. P. 1558–1563.

  17. Raulin J.-P., Pacini A. A., Solar radio emissions // Advances in Space Research. 2005. V. 35.

  18. Гомон Д.А, Соболева В.Ю., Демченко П.С. и др. Перестраиваемые терагерцовые фильтры на основе углеродных нанотрубок // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2019. Т. 19. № 5. С. 775–782.

  19. Краус Дж.Д. Радиоастрономия. М: Изд-во Сов. радио, 1973.

  20. Кропотов Г.И., Кауфманн П. Терагерцевые фотометры для наблюдений солнечных вспышек из космоса // Фотоника. 2013. № 5/41. С. 40–50.

  21. Фолкенберри Л. Применение операционных усилителей и линейных ИС. М.: Мир, 1985.

  22. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники в 2-х томах. М.: Мир, 1983.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска содержание выпуска

Космические исследования

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал