Оптика для астрофизиков



Специалисты центра коллективного пользования «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения (ЦКП «СЦСТИ) Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН) совместно с коллегами из Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН) провели тестирование приемника электромагнитного излучения, который, как ожидается, будет использован при разработке регистрирующих элементов будущих космических обсерваторий. В эксперименте ученым впервые удалось напрямую наблюдать работу просветляющего покрытия для аппаратуры, работающей в диапазоне вакуумного ультрафиолета. Данная технология увеличивает чувствительность матрицы приемника электромагнитного излучения почти в полтора раза.

Основная задача современных обсерваторий космического базирования – проведение астрофизические исследований с помощью космических телескопов, работающих в коротковолновой области ультрафиолетового спектра, недоступной для наземных инструментов. Ультрафиолетовая астрономия изучает различные космические объекты, наблюдая их в диапазоне длин волн, который находится между видимым и рентгеновским (от 10-ти до 310-ти нанометров).

В этом участке электромагнитного спектра космический шум минимален, а количество физической информации о звездах и межзвездном веществе максимально. С помощью УФ космических телескопов появляется возможность исследовать атмосферу уже открытых экзопланет и, возможно, в недалеком будущем, удастся даже зарегистрировать признаки существования жизни на них. Также одной из научных перспектив ультрафиолетовой астрономии является поиск скрытого барионного вещества – массы газа и пыли, излучение от которых невозможно наблюдать даже при помощи самых современных телескопов, работающих в видимом диапазоне.

«Без калибровки приемника электромагнитного излучения научные данные, полученные в результате астрофизических наблюдений, не имеют смысла, – рассказывает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Антон Николенко. – Необходимо связать показания этих приемников с реальным потоком фотонов, падающим на прибор. Точная калибровка – это своеобразный «билет на спутник» для этого приемника. Мы, как правило, делаем калибровку с погрешностью от двух до десяти процентов».

Приемник излучения, который тестировался на станции «Космос» ЦКП «СЦСТИ в рамках научного сотрудничества между ИЯФ СО РАН и ФИАН, представляет собой ПЗС-матрицу, произведенный в Великобритании, и чувствительную в области вакуумного ультрафиолета (ВУФ). Излучение этого диапазона очень сильно поглощается веществом и не способно проходить не только сквозь атмосферный воздух, но и сквозь тонкие (доли микрона) пленки вещества. Обычные матрицы, например, в фотоаппаратах, имеют в этой области нулевую чувствительность из-за защитных слоев и стеклянных окон, установленных перед их чувствительной поверхностью.

«Технология изготовления матрицы ВУФ диапазона очень сложна, и прибор имеет высокую стоимость, – поясняет Антон Николенко. – К тому же, для снижения фонового шума, матрица должна быть охлаждена почти до криогенных температур и может эксплуатироваться только в условиях высокого вакуума. Помимо сложных условий эксплуатации тестирование прибора осложняется трудностью в генерации излучения с нужной длиной волны и высокой интенсивностью этого излучения, недоступной для лабораторных источников излучения».

Станция «Космос» работает на источнике синхротронного излучения – коллайдере ВЭПП-4, который генерирует мощный поток фотонов в широком спектральном диапазоне – от видимого излучения до жесткого рентгеновского.

«Для калибровки космического оборудования необходимо выделить из этого широкого спектрального потока фотоны определенной энергии. В данном случае это фотоны с энергией около 10 эВ, – добавляет Антон Николенко. – Для этого на станции установлен монохроматор на основе дифракционной решетки. Точное значение потока определяется при помощи эталонного детектора, изготовленного в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ им. А. Ф. Иоффе) и прокалиброванного в Физико-техническом институте Германии (Physicalisch-Technische Bundesanstalt, PTB). Зная точное значение интенсивности потока фотонов, мы можем калибровать всевозможные приемники, которые помещаются в вакуумную камеру нашей станции».

По словам специалиста, для достижения условий, при которых будет эксплуатироваться калибруемый приемник, он охлаждается жидким азотом до температуры -100С и находится в вакуумной камере, давление в которой поддерживается на уровне 10-4 Паскаля, что соответствует одной миллиардной доли от атмосферного давления.

Тестируемая матрица является экспериментальной, и поэтому имеет еще одну существенную особенность. На ее поверхность была нанесена ультратонкая пленка циркония, которая, по замыслу изготовителя, должна была сработать как антибликовое покрытие. Этот прием известен давно и широко применяется в высококачественных приборах с просветленной оптикой для видимого диапазона. Подобные пленки используются в объективах фотоаппаратов или биноклей.

«Меняя рабочую энергию монохроматора и измеряя отклик приемника, мы измеряем его чувствительность в каждой точке электромагнитного спектра. В нашем недавнем эксперименте нам удалось напрямую наблюдать работу просветляющего покрытия. Такое покрытие для ВУФ диапазона – это новая технология, и ранее эффективность его работы в этом диапазоне никто напрямую не измерял. Мы обнаружили, что оно увеличило чувствительность матрицы почти в полтора раза», – рассказал Антон Николенко.

Ожидается, что в случае успешного прохождения всех тестов матрица может рассматриваться, как хороший кандидат на роль основного регистрирующего элемента на космическом телескопе «Спектр-УФ» - это амбициозный российский проект, развиваемый с участием ряда других стран и превосходящий по ряду параметров знаменитый телескоп «Хаббл».

ЦКП «Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения» специализируется на фундаментальных и прикладных работах, связанных с использованием пучков синхротронного и терагерцового излучения, на разработке и создании экспериментальной аппаратуры и оборудования для таких работ, на разработке и создании специализированных источников синхротронного и терагерцового излучения. Ежегодно ЦКП предоставляет услуги по профилю своей деятельности десяткам российских (СО РАН, РАН и пр.) и зарубежных организаций.