Akustooptichesky_spektrometr_SPIKAM_6 (1239100)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

УДК 523.43:520.84

PACS: 96.30 Gc

Исследования Марса в эксперименте СПИКАМ-ИК на борту КА Марс-Экспресс. 1. Акустооптический спектрометр СПИКАМ-ИК.

О.И. Кораблев¹, Ж.Л. Берто², Ю.К. Калинников³, А.А. Федорова¹, В.И. Мороз¹, А.В. Киселев¹, А.В. Степанов¹, А.В. Григорьев¹, В.С. Жегулев¹, А.В. Родин¹, Э. Димареллис², Ж.П. Дюбуа², А. Реберак², Э. Ван Рансбеек⁴, Б. Гонде⁵

¹ Институт космических исследований РАН, г. Москва.

² Служба Аэрономии национального центра научных исследований, Верьер-ле-Буиссон, Франция

³ ЗАО Научно-производственное предприятие АФАР, Зеленоград, г.Москва.

⁴ Бельгийский Институт космической аэрономии, Брюссель, Бельгия

⁵ Институт космической астрофизики национального центра научных исследований, Орсей, Франция

mailto: korab@iki.rssi.ru, fedorova@spectrum.iki.rssi.ru

Поступила в редакцию 05.12.2005 г.

Аннотация

Акустооптический спектрометр ближнего инфракрасного диапазона, входящий в состав спектрометра СПИКАМ на борту КА Марс-Экспресс, начал работу на орбите Марса в январе 2004 года. В эксперименте СПИКАМ спектрометр на основе акустооптического фильтра был впервые использован для исследования других планет. За полтора года работы ИК канал СПИКАМ получил более полумиллиона спектров в диапазоне 1-1.7 мкм с разрешающей силой более 1500 в различных режимах наблюдения: лимб, надир, солнечные затмения. Основной задачей эксперимента является исследование содержания водяного пара в атмосфере Марса по спектру поглощения в полосе 1.38 мкм. Характеристики прибора (высокое спектральное разрешение и отношение сигнал-шум) позволяют решать ряд дополнительных научных задач, включая исследование распределения озона по эмиссии синглетного кислорода (O₂¹_g), детектирования водяного и углекислотного льдов, а также исследования вертикального распределения и оптических характеристик аэрозоля в атмосфере Марса. В статье приводится описание прибора, результаты его наземных и полетных калибровок и краткий обзор основных научных результатов, полученных спектрометром СПИКАМ за полтора года работы.

1. Введение

Марс-Экспресс – первая экспедиция европейского космического агентства к Марсу, организованная для выполнения части научных задач российского КА Марс-96, погибшего при выходе на межпланетную траекторию. Космический аппарат представляет собой искусственный спутник Марса с приборами для исследований атмосферы, поверхности, а также окружающего Марс пространства. Он был выведен на межпланетную траекторию при помощи российской РН «Союз» с разгонным блоком «Фрегат» с космодрома Байконур 3.VI.2003г., вышел на орбиту Марса 25.XII.2003г, и начал выполнение научной программы с января 2004г. В проекте принимают участие ученые Франции, Великобритании, Италии, Германии, Швеции, России, США и других стран [1]. Пять из научных приборов спутника были первоначально изготовлены для КА Марс-96. Российские ученые принимают участие в большинстве экспериментов проекта как соисследователи, а для трех приборов (картирующий спектрометр ОМЕГА, Фурье-спектрометр ПФС и универсальный спектрометр СПИКАМ) Россия поставила важные элементы.

Аппаратура эксперимента СПИКАМ состоит из двух независимых спектральных каналов, ультрафиолетового (118-320 нм, разрешение ~ 0.51 нм) и инфракрасного (1000-1700 нм, разрешение лучше 1 нм), объединенных в единый оптический блок и блока электроники. Основной вклад в изготовление прибора внесли три организации: Служба Аэрономии, Национального центра научных исследований Франции (ответственный за выпуск прибора, УФ спектрометр, основная электроника, испытания), ИКИ РАН (законченный ИК-спектрометр) и Бельгийский институт космической аэрономии (механические узлы). В создании УФ спектрометра также принимали участие ученые США. Общему описанию эксперимента СПИКАМ посвящены статьи [2,3].

УФ спектрометр (рис.1) предназначен для измерений в надир, получения вертикальных разрезов атмосферы в режиме звездного и солнечного просвечивания, и наблюдения свечений атмосферы на лимбе. В надирной ориентации прибор используется главным образом для измерения полного содержания озона в атмосфере [4]. Наблюдения на лимбе посвящены свечению атмосферы Марса и ионосферным исследованиям [5,6]. В режиме просвечивания измеряется плотность атмосферы в большом диапазоне высот, профили озона и молекулярного кислорода [7-10].

Основной задачей ИК-спектрометра СПИКАМ является измерение содержание водяного пара в атмосфере Марса в отраженном солнечном свете по полосе поглощения ближнего ИК-диапазона 1.38 мкм. Такой же метод использовался в ранних советских миссиях к Марсу [11,12], и в эксперименте MAWD (Mars atmospheric water detector) [13] на орбитальных аппаратах Викинг. В эксперименте MAWD было впервые картировано содержание водяного пара в атмосфере Марса и исследован его сезонный цикл [14,15]. В основе ИК канала СПИКАМ лежит акустооптический перестраиваемый фильтр (АОПФ) высокого спектрального разрешения, позволивший существенно снизить массу аппаратуры: масса спектрометра менее одного килограмма. [16,17]. Статья посвящена описанию ИК-спектрометра СПИКАМ, предложенного и реализованного ИКИ РАН, и его калибровкам. Приводится обзор основных научных результатов, полученных в эксперименте ИК-спектрометр СПИКАМ за первые полтора года работы на орбите Марса. Эти сведения могут быть полезны для желающих использовать данные прибора СПИКАМ, имеющиеся в открытом доступе [http://www.rssd.esa.int/].

К моменту написания статьи Марс-Экспресс успешно завершил первый марсианский год работы на орбите. Недавно Европейское космическое агентство приняло решение продлить проект еще на один марсианский год, т.е. до августа 2007г. Таким образом, объем исследований КА Марс-Экспресс будет существенно расширен.

2. Использование акустооптических перестраиваемых фильтров

АОПФ представляет собой электрически перестраиваемый фильтр, работающий на принципе объемной (брегговской) дифракции светового пучка на неоднородностях показателя преломления. Такие неоднородности возникают при возбуждении в двулучепреломляющих кристаллах ультразвуковой акустической волны. При анизотропной дифракции в одноосных кристаллах существует минимальная частота ультразвука, при которой углы падения и дифракции совпадают, и происходит так называемое коллинеарное акустооптическое взаимодействие. Анизотропное акустооптическое взаимодействие было впервые реализовано экспериментально на кристаллическом кварце, затем – в ниобате лития и молибдате кальция [18, 19]. Коллинеарные акустооптические фильтры на этих материалах обладают простой геометрией, однако выбор материалов, в которых возможно такое взаимодействие, относительно невелик, так как необходимо наличие специфических констант взаимодействия. Рассмотрев обобщенную задачу, Chang [20] показал, что возможны другие конфигурации акустооптических фильтров, в которых звук и свет распространяются под углом друг к другу, как в дефлекторах лазерного излучения (неколлинеарный акустооптический фильтр). При этом удалось сильно расширить класс используемых для фильтрации материалов.

Основным условием акустооптического фильтра с широкой угловой апертурой считается равенство нулю производной df/d=0, где f- частота ультразвука вблизи оптимального угла падения света при фиксированной длине волны падающего излучения. Физический смысл этого выражения – независимость параметров дифракции от угла в первом порядке малости. Надо отметить, что это условие выполняется и в коллинеарных фильтрах.

С точки зрения классической оптики широкоапертурный акустооптический фильтр представляет собой последовательность тонких (полуволновых) интерферометров Фабри-Перо. Такая последовательность обладает единственной полосой пропускания и большой допустимой угловой апертурой, так как в отличие от дифракционной решетки разность хода интерферирующих лучей зависит от угла падения только во втором порядке малости. В ИК канале использована конфигурация с еще более широкой угловой апертурой, в которой зависимость от угла появляется только в третьем порядке малости. Приведем подборку формул, по которым можно оценить основные параметры в любой конструкции АОПФ: коэффициент передачи на резонансной длине волны , полосу пропускания , и угловую апертуру :

(1)

(2)

(3)

где M, a, b- параметры материала, L- длина взаимодействия света и звука, P_ac- мощность акустического потока, S- площадь входного светового пучка,  длина волны света.

Акустическая волна в кристалле возбуждается при помощи пьезоэлектрического преобразователя, на который подается перестраиваемый сигнал высокой частоты (порядка 10-200 МГц, при мощности как правило, не превышающей нескольких ватт). Рабочие характеристики фильтров можно найти во многих литературных источниках, например, в работах [21-23]. Акустооптические фильтры применяются для анализа изображений и спектроскопии в научных исследованиях и системах промышленного контроля. Хотя производство широкоугольных фильтров сравнительно небольшое, их технологическая база очень развита, так как те же технологии используются при массовом производстве дефлекторов лазерного излучения и в узкоапертурных фильтрах для телекоммуникаций. В качестве материала фильтра часто используется кристаллическая двуокись теллура (парателлурит TeO₂). Это тетрагональный кристалл группы 422 белого цвета, прозрачный в диапазоне 0.35-5 мкм, отличается высокими акустооптическими характеристиками: рекордно низкой скоростью сдвиговой волны – 617 м/с, что дает очень высокий коэффициент оптического качества, в 600-800 раз больше, чем, например, у плавленого кварца. Это означает, что для 100% отклонения или модуляции падающего излучения достаточны мощности возбуждения, измеряемые милливаттами. Низкая скорость распространения ультразвука несколько уменьшает быстродействие акустооптических приборов на основе TeO₂, однако этот недостаток окупается высокой эффективностью материала.

Ряд акустооптических устройств для анализа изображений был разработан в годдардовском космическом центре НАСА для астрономических наблюдений [24]. Применение акустооптических фильтров для спектроскопии дает возможность создания малогабаритных высоконадежных устройств с большим временем жизни при относительно высоком спектральном разрешении и возможности фильтрации изображений. Поэтому применение таких устройств в космосе обещает большие преимущества по сравнению с классическими спектральными схемами. Работы по космическим применениям АОПФ велись и у нас в стране (в частности, изображающие акустооптические спектрометры применялись на спутниках серии Океан) и за рубежом, однако в литературных источниках сведений о результатах таких разработок мало [25]. О разработке спектрометров на основе акустооптических фильтров для НАСА сообщалось в работах [26-28] в JPL при разработке аэрокосмического фильтра для анализа поверхности успешно провели испытания АОПФ на радиационную стойкость. Спектрометр для КА Марс-Экспресс является первым опытом использования АОПФ в космических исследованиях других планет.

3. Оптическая схема ИК-спектрометра

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лабораторной работы