Проектирование спектральной аппаратуры космического телескопа «Спектр-УФ»

1. Юшкин М.В., Панчук В.Е., Якопов М.В. Специальная астрофизическая обсерватория РАН Сачков М.Е. Институт астрономии РАН Проектирование спектральной аппаратуры космического телескопа «Спектр-УФ»

2. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОЕКТА Космическая миссия «Спектр-УФ»(WSO/UV)

3. Телескоп Т-170М Диаметрглавногозеркала – 1.7 м Эквивалентное фокусное расстояние – 17 м Поле зрения 30 угл. мин.

4. Инструментальный отсек • Блок камер поля • Прямые изображения в диапазоне 150-280нм в поле 1'х1' с разрешением 0.03'' • Прямые изображения в диапазоне 115-190нм в поле 6'х6' с разрешением 0.2'' • Спектрограф низкого разрешения (R=2000) с длинной щелью LSS • Двойной эшелле-спектрограф высокого разрешения (R=55000) HIRDES • UVES (174-310нм) • VUVES (102-176нм)

5. Платформа «Навигатор»

6. Ракета-носитель Зенит-2СБи разгонный блок «Фрегат»

7. Орбита:высота 35860 км, наклонение 510.8 • Выбор геосинхронной орбиты был сделан исходя из следующих соображений: • Малое время нахождения в радиационных поясах Земли • Возможность наблюдений с длительными экспозициями (до 30 часов) • Минимальное время нахождения в тени Земли • Стабильность орбиты • Обеспечение скорости передачи данных не менее 2Мбит/с • Возможности ракеты-носителя

8. Международная кооперация • Россия (Т-170М, «Навигатор», «Фрегат», ракета-носитель, запуск) • Германия (HIRDES) • Италия, Испания (Блок камер поля) • Украина (Нанесение отражающих покрытий) • Китай (LSS) • Великобритания (Приемники излучения) • Индия • Израиль • Казахстан

9. Наше участие в проекте «Спектр-УФ» • с 2005 года – оптический расчет спектрографа высокого разрешения UVES • с 2006 года – оптический расчет спектрографа с длинной щелью LSS • с 2007 года – эскизный проект программы для ЭВМ «Спектр-СОНД» – «Обработка спектральной информации в СОНД».

10. Программа расчета оптических систем ZEMAX • Достоинства: • Расчет хода лучей в достаточно сложных оптических системах (в том числе и с сегментированной апертурой) • Расчет аберраций и аппаратной функции • Многопараметрическая оптимизация • Расчет допусков • Недостатки: • Нет возможности выполнить энергетический расчет оптической системы с эшелле-решетками • Нет возможности включить в расчет вогнутые дифракционные решетки с криволинейным штрихом и/или переменной плотностью штрихов

11. Расчет и оптимизация оптической схемы UVES

12. 3d-моделирование для создания габаритно-массового макета

13. Наши предложения по схеме UVES. I • Мы предложили концепцию контролируемого спектрографа, а именно, метод определения положения изображения звезды внутри входной щели спектрографа UVES. Свет видимого диапазона, отраженный от первой грани призмы, при помощи небольшого дополнительного вогнутого зеркала фокусируется на ПЗС-приемнике. Это позволяет контролировать как положение изображения звезды на входе в спектрограф, так и контролировать относительный сдвиг элементов спектрографа за счет тепловой нестабильности. Использование такого канала подсмотра “изнутри” спектрографа увеличивает эффективность метода в 1.5 раза при условии разработки соответствующего программного обеспечения.

14. Канал контроля положения звезды

15. Наши предложения по схеме UVES. II • Использование R2 эшелле для уменьшения астигматизма наклонных пучков и увеличения степени перекрытия спектральных порядков. • Оптимизированное расположение оптических элементов позволило уместить спектрограф в отведенный ему сектор инструментального отсека. • Наиболее эффективное использование формата светоприемника. • Расчет допусков на относительный сдвиг элементов позволил существенно уменьшить количество подвижных деталей спектрографа. • Концепция контролируемого спектрографа позволила значительно снизить требования по температурной стабилизации инструментального отсека.

16. Спектрограф с длинной щелью.Схема Роуланда

17. Основные требования • Спектральное разрешение: не менее 2000 • Диапазон длин волн: от 1000 до 3000ÅÅ • Высота щели: не менее 1' • Угловое разрешение вдоль щели: 0.5'' • Высокое пропускание

18. Недостатки предлагаемой оптической схемы • Отсутствуют эффективные отражающие покрытия • Отсутствуют приемники излучения с высокой квантовой эффективностью • Необходим большой формат приемника излучения • Невозможно одновременно удовлетворить условиям высокого и пространственного, и спектрального разрешения в широком диапазоне длин волн • Большие габариты спектрографа, отдельные элементы выходят за рамки выделенного сектора в инструментальном отсеке • Дополнительный оптический элемент полностью лишит возможности работать в коротковолновой части диапазона

19. Проблема эффективности покрытий

20. Проблема эффективности фотокатода

21. Трехканальная схема LSS

22. Преимущества трехканальной схемы с сегментированной апертурой • Решение проблемы размещения приемника • Возможность уменьшения аберраций оптической схемы спектрографа • Возможность выбора высокоэффективных покрытий для более узкого спектрального диапазона • Выбор более эффективных фотокатодов • Исключение подвижных элементов • Часть апертуры может быть использована для спектроскопии, а часть для фотометрии или для системы точного сопровождения объекта (гидирования)

23. Проблема передачи данных • Недостаточная скорость бортового интерфейса • Для передачи на землю всей информации от одного приемника излучения необходима скорость не менее 20Мбит/с • Необходима сеть наземных станций для непрерывного получения данных • Недостаточная скорость передачи данных с геосинхронной орбиты • Для формирования изображения на борту необходим автоматический анализ данных с канала контроля положения звезды • Распределенная система обработки данных борт-наземный комплекс

24. Проблема обработки научных данных • Оптимальная экстракция эшелле-порядков • Построение полной модели эксперимента (телескоп+спектрограф) • Автоматическая система обработки • Отсутствие в России опыта обработки результатов наблюдений с высоким спектральным разрешением, полученных в ходе выполнения космических экспериментов • Опыт работы с наземными спектрами высокого разрешения есть только в САО

25. Выводы • Основная проблема всех космических экспериментов заключается в желании превзойти все предыдущие проекты при высокой степени универсализации инструментов • Использование концепции контролируемого спектрографа в сочетании с новыми системами обработки наблюдательных данных позволяют удовлетворить трем противоречивым условиям: высокая надежность, высокая степень универсализации, высокая эффективность.

26. Благодарности • Работа по развитию систем обработки наблюдательных данных, полученных на спектрографах высокого разрешения, поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований, • проект № 09-07-00492

27. Спасибо за внимание! • maks@sao.ru • panchuk@sao.ru • mike@sao.ru • msachkov@inasan.ru • http://sao.ru/hq/ssl/

28. Эффективная площадь телескопа

29. For example: • BEFS – Berkeley Extreme and Far-UV Spectrometer • But in case of the LSS aperture must be divided along the slit

30. Параметры эффективности различных экспериментов • SRNMlg(SRNM) • STIS5881000051251212.2 • LSS6602800394615012.0 • STIS995100051251211.4 • FUSE2520000200019.0 • GALEX402001009008.9 • TUES2100001075218.3 • BEFS65000200017.8 • HUT8040051217.2

31. UVES Optimization with T-170M non-axis aberrations

32. Канал 102-160нм

33. Канал 160-230нм

34. Канал 230-320нм

35. Преимущества трехканальной схемы с сегментированной апертурой • Решение проблемы размещения приемника • Возможность уменьшения аберраций оптической схемы спектрографа • Возможность выбора высокоэффективных покрытий для более узкого спектрального диапазона • Выбор более эффективных фотокатодов • Исключение подвижных элементов • Часть апертуры может быть использована для спектроскопии, а часть для фотометрии или для системы точного сопровождения объекта (гидирования)