CC BY
14УДК 523.985.3:520.86
исследование температурного эффекта резонансных оптических прерывателей в космической научной аппаратуре
© филиппов М.В.1, Махмутов В.С.1, Максумов О.С.1, Квашнин А.А.1, Калинин Е.В.1, Логачев В.и.1, Гайфутдинова А.Г.2, Криволапова О.Ю.2, Соков С.В.1, Мизин С.В.1, 2023
1Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук (ФИАН) Ленинский проспект, д. 53, ГСП-1, Москва, Российская Федерация, 119991,
e-mail: office@lebedev.ru
2Ракетно-космическая корпорация «Энергия» имени С.П. Королёва (РКК «Энергия») ул. Ленина, 4А, Королёв, Московская обл., Российская Федерация, 141070,
e-mail: post@rsce.ru
В работе кратко описаны цели и задачи планируемого космического эксперимента «Солнце-Терагерц» на борту Российского сегмента Международной космической станции. В частности, эксперимент направлен на изучение излучения Солнца в неисследованном терагерцевом диапазоне на частотах 1012...1013 Гц, получение новых данных о терагерцевом излучении Солнца, солнечных активных областях и солнечных вспышках.
Представлены краткие описания тестовых стендов и методик проведения испытаний оптического тракта научной аппаратуры «Солнце-Терагерц». Также проведена оценка влияния внешних температурных условий на работу аппаратуры и стабильность получаемых результатов.
Ключевые слова: Солнце, солнечные вспышки, терагерцевое излучение, оптическая система.
EDN: WZAMJN
A study of thermal effect
OF RESONANT OPTICAL SHuTTERS IN SPACE SCIENTIFIC EQuIPMENT Philippov M.V.1, Makhmutov V.S.1, Maksumov O.S.1, Kvashnin A.A.1, Kalinin E.V.1, Logachev V.I.1, Gayfutdinova A.G.2, Krivolapova O.Yu.2,
Sokov S.V.1, Mizin S.V.1
1P.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of Sciences (LPI) 53 Leninsky prospect, Moscow, Russian Federation, 119991, e-mail: office@lebedev.ru
2S.P. Korolev Rocket and Space Corporation Energia (RSC Energia) 4A Lenin st, Korolev, Moscow region, 141070, Russian Federation, e-mail: post@rsce.ru
The paper provides a brief description of objectives and tasks of the upcoming space experiment Sun-Terahertz onboard the Russian Segment of the International
Space Station. In particular, the experiment aims to study the solar radiation in the unexplored terahertz range at frequencies of 1012...1013 Hz, obtaining new data on solar terahertz radiation, solar active regions and solar flares.
It provides brief descriptions of test facilities and procedures for conducting tests on the optical system of the Sun-Terahertz scientific equipment. It also gives an estimate of the effects of the external thermal environment on the equipment performance and stability of the obtained results.
Key words: Sun, solar flares, terahertz radiation, optical system.
ФИЛИППОВ Максим Валентинович — кандидат физико-математических наук, научный сотрудник ФИАН, e-mail: mfilippov@frtk.ru
PHILIPPOV Maksim Valentinovich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Research scientist at LPI, e-mail: mfilippov@frtk.ru
МАХМУТОВ Владимир Салимгереевич — доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией физики Солнца и космических лучей ФИАН, e-mail: makhmutv@sci.lebedev.ru
MAKHMUTOV Vladimir Salimgereevich — Doctor of Science (Physics and Mathematics), Chief of laboratory of solar physics and cosmic rays at LPI, e-mail: makhmutv@sci.lebedev.ru
МАКСУМОВ Осман Сары оглы — инженер ФИАН, e-mail: omaks10@yandex.ru MAKSUMOV Osman — Engineer at LPI, e-mail: omaks10@yandex.ru
КВАШНИН Александр Александрович — инженер 1-й категории ФИАН, e-mail: kwalex@yandex.ru
KVASHNIN Aleksandr Aleksandrovich — 1st category Engineer at LPI, e-mail: kwalex@yandex.ru
КАЛИНИН Евгений Владимирович — младший научный сотрудник ФИАН, e-mail: evgieniy@bk.ru
KALININ Evgeny Vladimirovich — Junior research scientist at LPI, e-mail: evgieniy@bk.ru
ЛОГАЧЕВ Валерий Иванович — кандидат физико-математических наук, главный специалист ФИАН, e-mail: logachevvi@lebedev.ru
LOGACHEV Valery Ivanovich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), Chief specialist at LPI, e-mail: logachevvi@lebedev.ru
ГАЙФУТДИНОВА Анастасия Григорьевна — инженер 1-й категории РКК «Энергия», e-mail: anastasiya.gayfutdinova@rsce.ru
GAYFUTDINOVA Anastasia Grigoryevna — 1st category Engineer at RSC Energia, e-mail: anastasiya.gayfutdinova@rsce.ru
КРИВОЛАПОВА Ольга Юрьевна — кандидат технических наук, главный специалист РКК «Энергия», e-mail: olga.krivolapova@rsce.ru KRIVOLAPOVA Olga Yurievna — Candidate of Science (Engineering), Chief specialist at RSC Energia, e-mail: olga.krivolapova@rsce.ru
СОКОВ Сергей Витальевич — кандидат педагогических наук, доцент, инженер 1-й категории ФИАН, e-mail: sergey1988@list.ru
SOKOV Sergey Vitalievich — Candidate of Science (Education), Assistant professor, 1st сategory Engineer at LPI, e-mail: sergey1988@list.ru
МИЗИН Сергей Витальевич — кандидат физико-математических наук, программист 1-й категории ФИАН, e-mail: mizinsv@lebedev.ru MIZIN Sergey Vitalievich — Candidate of Science (Physics and Mathematics), 1st category Programmer at LPI, e-mail: mizinsv@lebedev.ru
Введение
Солнце является источником электромагнитного излучения широкого диапазона частот и энергий. В настоящее время проводятся наземные и внеатмосферные наблюдения излучения практически по всему солнечному спектру [1-4] за исключением излучения терагер-цевого диапазона, которое почти полностью поглощается земной атмосферой. Космический эксперимент «Солнце-Терагерц» на борту Российского сегмента Международной космической станции (МКС) направлен на изучение излучения Солнца в неисследованном терагерцевом диапазоне на частотах 1012...1013 Гц [5]. Главная цель эксперимента — получение новых данных о терагерцевом излучении Солнца, солнечных активных областях и солнечных вспышках [6-14]. Эти данные необходимы для выяснения природы солнечной активности, определения физического механизма ускорения заряженных частиц на Солнце и других астрофизических объектах во время солнечных вспышек.
Разрабатываемый спектрометр представляет собой совокупность восьми детектирующих модулей, чувствительных к излучению различной частоты (0,4; 0,7; 1,0; 3,0; 5,0; 7,0; 10,0 и 12,0 ТГц).
В состав каждого модуля входят:
• оптический телескоп [15], концентрирующий излучение на оптоакус-тическом преобразователе (ОАП) через систему фильтров и оптический прерыватель;
• система последовательных фильтров, пропускающая излучение в заданном частотном диапазоне для каждого детектирующего модуля, таким образом обеспечивая селективность;
• оптический прерыватель, модулирующий излучение на входном окне приёмника;
• ОАП, являющийся приёмником излучения.
Старт космического эксперимента «Солнце-Терагерц» запланирован на 2024-2025 гг. Научная аппаратура (НА)
будет установлена на внешней поверхности служебного модуля МКС на двухосной платформе наведения, которая позволит ориентировать прибор на Солнце с точностью до 12 угловых минут.
В работе представлены краткие описания тестовых стендов и методик проведения испытаний оптического тракта НА «Солнце-Терагерц». Также проведена оценка температурного эффекта оптического прерывателя и его влияние на чувствительность ОАП.
Оптические прерыватели
При использовании ОАП «Ячейка Голея» [16] необходимо модулировать входное излучение, чтобы избежать вхождения прибора в режим насыщения. Для прерывания потока излучения выбраны резонансные оптические прерыватели (resonant fork chopper) С^10 [17], состоящие из двух подвижных лопаток, приводимых в движение переменным магнитным полем.
Оптические прерыватели представляют собой камертон, на концах ножек которого прикреплены лопатки из свето-поглощающего материала. К основанию оптического прерывателя прикреплены катушки индуктивности, а напротив них расположены постоянные магниты (рис. 1). Вследствие возникновения переменного магнитного поля в одной из катушек начинает колебаться противопоставленная ей лопатка, которая, в свою очередь, вызывает колебания второй лопатки, чья катушка индуктивности является обратной связью.
Паспортные значения основных параметров оптических прерывателей CH-10: апертура (регулируется) < 10 мм;
отклонение частоты < 0,005%;
отклонение амплитуды < 0,01%;
рабочая температура -40...+65 °C.
Преимущество данной конструкции заключается в низком энергопотреблении, отсутствии вращающихся механических элементов и высокой стабильности. Однако, вследствие теплового расширения, существует температурная зависимость частоты колебания оптического прерывателя.
Стенд для испытания оптических прерывателей
Для проверки стабильности частоты оптических прерывателей на Долгопрудненской научной станции ФИАН (ДНС) был разработан специальный стенд (рис. 2), который позволяет проводить измерения частоты оптических прерывателей (импульс/мин) с помощью оптического датчика, в чувствительной области которого колеблются лопатки прерывателя. Кроме того, измеряются температура окружающего воздуха (°С), атмосферное давление (кПа) и питающее напряжение (В). Запись данных осуществляется на ББ-карту памяти.
Стенд, разработанный ДНС ФИАН, представляет собой материнскую плату, на которой закрепляется испытуемый оптический прерыватель, а также вспомогательные компоненты: драйвер оптического прерывателя, оптический датчик и плата записи.
В качестве драйвера оптических прерывателей используются готовые изделия (печатные платы): ЛСС [18] для оптических прерывателей с резонансной частотой 20 Гц и ВБ-Ы [19] для оптических прерывателей с резонансной частотой 10 Гц.
Для измерения частоты оптических прерывателей используется щелевой датчик ВиР-ЗОБ, работающий на длине волны 940 нм.
Плата записи предназначена для регистрации на ББ-карте памяти измеряемых параметров
со скважностью одна запись в минуту. Для измерения температуры и атмосферного давления используются датчики ББ18В20 и ВЫР085 соответственно.
Рис. 1. Внешний вид оптического прерывателя CH-10:
индуктивности; 2 — постоянные магниты; 3 — камертон; 4 — лопатки
катушки
Рис. 2. Фотография стенда для испытания оптических прерывателей: 1 — оптический датчик; 2 — драйвер прерывателя; 3 — плата записи, в состав которой входят датчики температуры и давления, аналого-цифровой преобразователь для контроля напряжения питания, ББ-карта памяти для записи данных; 4 — оптический прерыватель
Данные сохраняются в текстовых файлах на Ж-карте памяти. Каждое сообщение является последовательностью ЛБСП-символов (строкой), отправляемой раз в минуту.
одноканальный макет
Одноканальный макет (рис. 3) — устройство для испытания детектирующих модулей НА. В состав каждого модуля входят: телескоп, система фильтров, оптический прерыватель и ОАП.
Для контроля температуры на внутреннем корпусе ОАП устанавливается термодатчик. В одноканальном макете для этой цели выбран терморезистор В57861-Б103-Т40 на 10 кОм, включённый по схеме резистивного делителя (во втором плече установлен резистор на 2 кОм).
Таким образом, на выходе однока-нального макета имеются два аналоговых сигнала: значения напряжения с ОАП и терморезистора, которые поступают на входы ШВ-осциллографа АКИП-72204А для оцифровки и дальнейшей обработки.
Рис. 3. Одноканальный макет со снятой верхней крышкой: 1 — оптический прерыватель; 2 — телескоп; 3 — оптоакустический преобразователь; 4 — драйверы AGS иED-M
имитатор чёрного тела
Имитатор чёрного тела (ИЧТ) предназначен для проверки работоспособности НА «Солнце-Терагерц» при наземной экспериментальной отработке, а именно: для проведения проверок, юстировок и калибровок детектирующих модулей. Имитатор чёрного тела состоит из двух блоков: излучатель ИЧТ, блок управления и питания.
ИЧТ обеспечивает решение следующих задач научного эксперимента:
• формирование потока излучения в терагерцевом диапазоне волн, подобного излучению абсолютно чёрного тела в широком диапазоне радиояркостных температур;
• проверку работоспособности НА в широком диапазоне температур излучателя ИЧТ;
• оценку чувствительности оптических трактов НА.
Принцип действия ИЧТ заключается в формировании потока энергии в тера-герцевом дипазоне волн с помощью нагреваемого керамического излучателя и внеосевого параболического зеркала.
Основные характеристики ИЧТ: диапазон воспроизводимой температуры 300...1 000 К;
дискретность цифровой индикации температуры 1,0 К;
нестабильность поддержания температуры излучателя ±0,2 К.
Излучающим элементом служит шайба, изготовленная из алюмонит-ридной керамики AlN-230 с теплопроводностью 230 Вт/(м-К) и степенью черноты в терагерцевом диапазоне волн не менее 0,88. Измерение температуры излучающего элемента осуществляется с помощью термопары хромель-алюмель.
Направленный поток энергии тера-герцевого диапазона волн формируется внеосевым параболическим зеркалом с фокусным расстоянием 100 мм, в фокусе которого помещён излучающий элемент. Зеркало изготовлено из алюминиевого сплава с полировкой поверхности.
Задание и поддержание температуры нагревателя излучающего элемента осуществляется путем пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования напряжения, подаваемого на нагреватель. Контроль температуры нагревателя осуществляется с помощью термопары хромель-алюмель.
Проверка стабильности оптических прерывателей
Оптические прерыватели должны функционировать стабильно с заданной частотой на протяжении всего времени эксперимента, а также минимально зависеть от внешних факторов.
С помощью одноканального макета проведены испытания некоторых имеющихся в наличии оптических прерывателей СН-10. Испытания каждого оптического прерывателя проходили непрерывно в течение одной недели. В табл. 1 приведены их результаты.
В первом столбце указан внутренний номер каждого оптического прерывателя, присвоенный во время эксперимента. Второй столбец — заявленная паспортная резонансная частота (Гц). Столбцы с третьего по пятый — максимальная, минимальная и средняя измеренные скорости счёта щелевого оптического датчика за время эксперимента соответственно (имп./мин). Шестой столбец — среднеквадратичное отклонение скорости счёта (имп./мин). Столбцы с седьмого по девятый — максимальная, минимальная и средняя температура во время проведения эксперимента соответственно (°С). Десятый столбец — среднеквадратичное отклонение температуры (°С). Одиннадцатый столбец — температурный коэффициент изменения частоты оптического прерывателя [имп./(мин-° С)]. Двенадцатый столбец — коэффициент детерминации.
Столбцы с третьего по пятый фактически несут информацию о реальной
результаты испытания оптических прерывателей
резонансной частоте оптических прерывателей, а также её вариации в течение эксперимента. Оптические прерыватели с заявленной частотой 20 Гц (№ 1-4) генерируют несколько заниженную реальную частоту, а оптические прерыватели с заявленной частотой 10 Гц, наоборот, завышенную. Данный факт не является критичным, так как для эксперимента важна исключительно относительная стабильность частоты.
Вариации резонансной частоты являются следствием конструктивных особенностей прерывателя и немного отличаются от экземпляра к экземпляру, однако существенный вклад в них вносит температура оптического прерывателя. Вследствие теплового расширения и изменения геометрических размеров оптического прерывателя, вероятно, изменяется его резонансная частота. На рис. 4 приведены графики вариаций скорости счёта и температуры окружающего пространства в течение эксперимента для оптического прерывателя № 3, который несколько раз подвергался кратковременному принудительному нагреву. При этом скорость счёта (частота оптического прерывателя) снижалась. Как видно из графиков, существует обратная зависимость между температурой и частотой.
Таблица 1
№ Д Гц мтш, имп./мин имп./мин имп./мин имп./мин Т\, °С Т/С а, имп./(мин-°С) Я2
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1 20 1 204 1 192 1 198,11 0,64 34,9 16,9 26,4 1,1 -0,26 0,21
2 20 1 185 1 173 1 178,95 0,82 37,1 18,0 25,7 2,2 -0,27 0,54
3 20 1 204 1 192 1 198,28 1,40 38,1 10,6 21,0 4,8 -0,26 0,86
4 20 1 194 1 182 1 188,24 1,40 42,2 16,6 26,4 3,9 -0,33 0,83
5 10 640 630 631,80 0,72 34,6 17,4 24,4 2,6 -0,13 0,23
6 10 637 632 634,30 0,56 34,1 18,9 26,9 2,2 -0,16 0,40
7 10 647 642 644,28 0,54 35,6 19,7 27,2 2,0 -0,15 0,29
8 10 635 631 632,23 0,47 38,2 26,8 28,7 1,3 -0,13 0,12
9 10 637 631 633,45 0,53 26,1 18,1 23,1 1,3 -0,15 0,14
10 10 645 639 641,8 0,46 24,6 17,6 21,1 1,3 -0,14 0,14
11 10 643 627 629,0 0,47 24,9 19,1 22,3 1,2 -0,12 0,11
12 10 640 627 636,7 0,56 31,4 21,2 24,5 1,3 -0,15 0,14
13 10 639 633 635,4 0,51 31,2 22,4 24,2 1,1 -0,12 0,07
Рассмотрим зависимость отклонения скорости счёта от температуры. На рис. 5 приведена зависимость отклонения измеряемой скорости счёта оптического датчика Л^ от изменения температуры ЛТ, где Л^ = N - N0; ЛТ = Т - Т0, здесь N — текущая измеряемая скорость счёта (имп./мин), регистрируемая оптическим датчиком; Т — текущая температура (°С); N средняя скорость счёта (имп./мин), зарегистрированная оптическим датчиком за время эксперимента; Т0 — средняя температура (°С), зарегистрированная за время эксперимента.
Красная прямая линия — линейная аппроксимация данных, полученная методом наименьших квадратов, угловой коэффициент [а, имп./(мин-°С)] которой
Рис. 4. Вариации скорости счёта (верхняя панель) и температуры окружающего пространства (нижняя панель) для оптического прерывателя № 3
Рис. 5. Зависимость отклонения скорости счёта изменения температуры ЛT: чёрные точки — аппроксимация, полученная методом наименьших квадратов
является искомым температурным коэффициентом. Коэффициент детерминации Я2 = 0,86. В свою очередь, эксперименты, проведённые при относительно постоянных комнатных температурах для оптических прерывателей № 8-13, отличаются слабой температурной зависимостью.
Возвращаясь к исходному назначению оптических прерывателей (модулирование входного потока в ОАП), необходимо удостовериться, что вариации сигнала ОАП вследствие вариации резонансной частоты прерывателя не будут значимыми на фоне полезного сигнала. В обратном случае требуется разработка методики учёта температурных поправок на оптических прерывателях.
Рассмотрим случай вариаций температуры на отрезке 0.40 °С, близкий к расчётному температурному режиму внутри корпуса НА при работе на МКС. Из определения температурного коэффициента а следует:
ЩТ) = N0 + аЛТ,
где N(7) — расчётная скорость счёта (имп./мин) оптического датчика при температуре Т (°С).
Согласно данным табл. 1, для оптического прерывателя № 3: N0 = 1 198,28 имп./мин; Т0 = 21,0 °С;
а = -0,26 имп./(мин-°С).
Следовательно, при граничных значениях температуры: N(0 °С) = 1 203,74 имп./мин; N(40 °С) = 1 193,34 имп./мин; Б (0 °С) = 20,06 Гц; Б(40 °С) = 19,89 Гц, где N (0 °С) и N(40 °С) -значения скорости счёта оптического датчика при температурах 0 и 40 °С соответственно; Б (0 °С) и Б (40 °С) — измеренные значения частоты оптического прерывателя при температурах 0 и 40 °С соответственно.
оптического датчика ЛN от
измеренные значения;
Относительное изменение резонансной частоты оптического прерывателя при нагревании от 0 до 40 °С:
AF F (40 °C)
•100%—0,86%,
где ДР = Р (40 °С) - Р (0 °С).
Оценить влияние данного эффекта на оптический тракт и, в частности, на чувствительность ОАП можно по данным одноканального макета, внутрь которого была помещена ОАП совместно с телескопом и набором фильтров (отрезающий фильтр ЬРГ23.1 [20] и полосовой фильтр БРР1.0 [21] с центральной частотой 1 ТГц).
В качестве источника излучения использован ИЧТ при температуре излучателя 500 °С. Излучатель помещается непосредственно во входное окно телескопа (рис. 6).
Температура излучателя выбрана так, чтобы более чем на порядок превышать температуру ОАП (измеренную на корпусе) и свести к минимуму влияние её флуктуации.
При указанных условиях были выполнены измерения с использованием оптических прерывателей с частотой 10 и 20 Гц. На рис. 7 показаны графики сигналов
Синяя линия — график сигнала ОАП, полученный при использовании оптического прерывателя на 10 Гц, красная линия — на 20 Гц.
Так как ОАП является источником переменного квазисинусоидального двуполярного сигнала, в дальнейшем анализе удобно пользоваться размахом сигнала, т. е. разницей между текущим максимумом и следующим за ним минимумом:
U = V.
V.
где U — размах сигнала (мВ); Vi max и V — текущие локальные максимум
г min ^ ^ ^
и минимум сигнала соответственно (мВ); г — номер измерения.
Результаты измерений приведены в табл. 2. В первом столбце указана частота оптического прерывателя (Гц).
Рис. 6. Сборка стенда из одноканального макета и имитатора чёрного тела (ИЧТ): 1 — блок управления и питания ИЧТ; 2 — излучатель ИЧТ; 3 — блоки
ОАП за время t ~ 0,3 с. питания; 4 — аналого-цифровой преобразователь; 5 — одноканальный макет
Рис. 7. Осцилограммы сигналов оптикоакустического преобразователя (V, мВ, после усиления) при частотах
оптического прерывателя 10 Гц (-) и 20 Гц (-): локальные экстремумы для красной кривой показаны квадратами,
треугольниками — экстремумы для синей кривой; £ — время, с. Зелёный цвет соответствует максимумам, фиолетовый цвет — минимумам. Излучатель имитатора чёрного тела нагрет до температуры 500 ° С
Второй столбец — количество измерений, полученных за время проведения эксперимента, примерно по 10 мин на каждую частоту. Столбцы с третьего по пятый — максимальный, минимальный и средний размах сигнала за время эксперимента соответственно (мВ). Шестой столбец — среднеквадратичное отклонение размаха сигнала (мВ). Столбцы с седьмого по девятый — максимальная, минимальная и средняя температура во время проведения эксперимента соответственно (°С). Десятый столбец — среднеквадратичное отклонение температуры (°С).
Аппроксимируя зависимость размаха сигнала от частоты линейной функцией, можно записать:
Р =
Ди
где р — угловой коэффициент зависимости размаха сигнала от частоты, мВ/Гц; Аи — изменение размаха сигнала ОАП, мВ; А^ — изменение частоты оптического прерывателя, Гц.
При Аи = и(10 Гц) -
- и(20 Гц) = 1 256,22 мВ
и А^ = -10 Гц; р = -125,62 мВ/Гц.
Возвращаясь к начальному условию вариаций температуры в диапазоне 0.40 °С:
А^ = ^ (40 °С) -
- ^(0 °С) = -0,17 Гц;
Аи = и (40 °С) -
-и(0 °С) = РА^ = -21,35 мВ,
что составляет ~0,2% от величины размаха сигнала.
Таким образом, оценка вариации сигнала, вследствие вариации частоты оптического прерывателя, обусловленной тепловым расширением механических элементов, составляет менее 1% (~0,2%). На рис. 8 приведена зависимость размаха сигнала ОАП от температуры излучателя
ИЧТ при установленном оптическом прерывателе на 10 Гц и конфигурации фильтров, использованной ранее. Красная прямая линия — аппроксимация, полученная методом наименьших квадратов, коэффициент наклона которой равен 22,47 мВ/°С. То есть при изменении температуры излучателя ИЧТ на 1 °С размах сигнала ОАП изменится на 22,47 мВ, что немного больше оценки температурного эффекта, создаваемого оптическим прерывателем во всём диапазоне рабочих температур от 0 до 40 °С. С учётом ранее полученных в баллонном эксперименте Бо\ат-Т [22] результатов, ожидаемые величины сигналов ОАП во время вспышечной активности будут в несколько раз превосходить сигналы при спокойном Солнце (фоновом солнечном излучении). Таким образом, температурные вариации частоты оптического прерывателя являются пренебрежимо малой величиной в рамках данного эксперимента.
В дальнейшем анализе также необходимо выполнить расчёт влияния вариаций температуры на чувствительность ОАП и разработать методики учёта данного эффекта.
Таблица 2
результаты измерений размаха сигнала при температуре излучателя имитатора чёрного тела 500 ^ для частот оптического прерывателя 10 и 20 Гц
Гц Количество измерений, ед. ишх, мВ ишш, мВ° и0. мВ мВ °С тшш, °С Т °С ат , °С
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
10 9 945 9 256,72 8 617,54 9 008,11 83,54 33,24 32,00 32,52 0,20
20 14 676 8 000,50 7 581,57 7 773,86 77,82 32,84 31,57 32,20 0,18
Рис. 8. Зависимость размаха сигнала оптикоакустического преобразователя (U, мВ) от температуры излучателя имитатора чёрного тела (Т, °С): чёрным цветом
показаны измеренные значения сигналов; - — аппроксимация, полученная методом
наименьших квадратов
заключение
В данной работе приведено краткое описание научной аппаратуры эксперимента «Солнце-Терагерц», запланированного к проведению на борту Российского сегмента МКС. Основной задачей эксперимента является исследование Солнца в терагерцевом диапазоне излучения.
Для определения чувствительности и точностных характеристик оптического тракта научной аппаратуры были разработаны следующие устройства: стенд для испытания оптических прерывателей, одноканальный макет и имитатор чёрного тела, с помощью которых выполнена оценка температурного эффекта оптического прерывателя и его влияния на чувствительность ОАП. Показано, что в рамках поставленной задачи температурными вариациями резонансной частоты оптического прерывателя можно пренебречь.
Список литературы
1. Kinnison J., Vaughan R., Hill P., Raouafi N, Guo Y, Pinkine N. Parker Solar probe: a mission to touch the Sun // 2020 IEEE Aerospace Conference. Big Sky, MT, USA, 2020. P. 1-14. URL: https:// doi.org/10.1109/AERO47225.2020.9172703 (accessed 09.11.2022).
2. Howard R.A., Vourlidas A., Korendyke C.M., Plunkett S.P., Carter M.T., Wang D, Rich N., McMullin D.R., Lynch S, Thurn A., Clifford G., Socker D.G., Thernisien A.F., Chua D., Linton M.G., Keller D., Janesick J.R., Tower J., Grygon M, Hagood R., Bast W, Liewer P.C., DeJong E.M., Velli M.M.C., Mikic Z., Bothmer V., Rochus P., Halain J.-P., Lamy P.L. The solar and heliospheric imager (SoloHI) instrument for the solar orbiter mission // Proc. SPIE 8862, Solar Physics and Space Weather Instrumentation V, 88620H, 26 September 2013. URL: https://doi.org/10.1117/12.2027657 (accessed 09.11.2022).
3. Domingo V., Fleck B., Poland A.I. SOHO: the solar and heliospheric observatory // Space Science Reviews. 1995. V. 72. P. 81-84. URL: https://doi. org/10.1007/BF00768758 (accessed 09.11.2022).
4. Davila J.M., Rust D.M., Pizzo VJ, Liewer P.C. Solar terrestrial relations observatory (STEREO) // Proc. SPIE.
Vol. 2804. Missions to the Sun. 25 November 1996. URL: https://doi.org/10.1117/12.259724 (accessed 09.11.2022).
5. Калинин Е.В., Филиппов М.В., Махмутов В. С., Максумов О.С., Стожков Ю.И., Квашнин А.А., Измайлов Г.Н., Озолин В.В. Исследование характеристик детектора терагерцового излучения для научной аппаратуры «Солнце-Терагерц» // Космические исследования. 2021. Т. 59. № 1. С. 3-8.
6. Kaufmann P., Raulin J.-P., Gimenes de Castro C.G., Levato H, Gary D.E., Costa J.E.R., Marun A., Pereyra P., Silva A.V.R., Correia E. A new solar burst spectral component emitting only in the terahertz range // Astrophysical Journal. 2004. Vol. 603. P. L121-L124. URL: https://doi.org/10.1086/383186 (accessed 09.11.2022).
7. Kaufmann P., Correia E., Costa J.E.R., Zodi Vaz A.M., Dennis B.R. Solar burst with millimeter-wave emission at high frequency only // Nature. 1985. Vol. 313. P. 380-382.
8. Kaufmann P. Submillimeter / IR solar bursts from high energy electrons // AIP Conference Proceedings. New York. 1996. Vol. 374. P. 379-392. URL: https://doi. org/10.1063/1.50945 (accessed 09.11.2022).
9. Kaufmann P., Costa J.E.R., Gimenes de Castro C.G., Hadano Y.R., Kingsley J., Kingsley R.K., Levato H., Marun A., Raulin J.-P., Rovira M., Correia E., Silva A.V.R. The new submillimeter-wave solar telescope // Proceedings of the 2001 SBMO/IEEE MTT-S International Microwave and Optoelectronics Conference. IEEE. 2001. P. 439-442. URL: https://doi.org/ 10.1109/SBM0M0.2001.1008800 (accessed 09.11.2022).
10. Kaufmann P., Gimenes de Castro C.G., Makhmutov V.S., Raulin J.-P., Schwenn R, Levato H., Rovira M. Launch of solar coronal mass ejections and submillimeter pulse bursts // Journal of Geophysical Research. 2003. Vol. 108(A7). URL: https://doi.org/10.1029/2002JA009729 (accessed 09.11.2022).
11. Krucker S, Gimenes de Castro C.G., Hudson H.S., Trottet G., Bastian T.S., Hales A.S., Kasparovä J., Klein K.-L., Kretzschmar M., Lüthi T, Mackinnon A., Pohjolainen S, White S.M. Solar flares at submillimeter wavelengths // The Astronomy and Astrophysics Review. 2013. Vol. 21, 58. URL: https://doi.org/10.1007/s00159-013-0058-3 (accessed 09.11.2022).
12. Luthi T, Magun A., Miller M. First observation of a solar X-class flare in the submillimeter range with KOSMA // Astronomy and Astrophysics. 2004. Vol. 415. № 3. P. 1123-1132. URL: https://doi.org/ 10.1051/0004-6361:20034624 (accessed 09.11.2022).
13. Makhmutov V.S., Raulin J.-P., Gimenes de Castro C.G., Kaufmann P., Correia E. Wavelet decomposition of submillimeter solar radio bursts // Solar Physics. 2003. Vol. 218. P. 211-220. URL: https://doi.org/ 10.1023/b: sola.0000013047.26419.33 (accessed 09.11.2022).
14. Makhmutov V.S., Kurt V, Yushkov B.Yu., Grechnev V.V., Kaufmann P., Raulin J.-P., Bazilevskaya G., Stozhkov Yu.I. 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 Sciences: Physics. 2011. Vol. 75. № 6. P. 747- 750. URL: https://doi.org/10.3103/ S106287381106030X (accessed 09.11.2022).
15. Квашнин А.А., Логачев В.И., Филиппов М.В., Махмутов В.С., Максумов О.С., Стожков Ю.И., Калинин Е.В., Орлов А.А., Озолин В.В., Измайлов Г.Н., Гайфутдинова А.Г., Криволапова О.Ю. Оптическая система прибора для измерения солнечного терагерцового излучения // Космическая техника и технологии. 2021. № 4(35). С. 22-30. EDN: HGXXGN.
16. Детекторы Голея // TYDEX: сайт. Режим доступа: http://www.tydexoptics.com/ ru/products/thz_devices/golay_cell/ (дата обращения 09.11.2022).
17. Resonant optical modulator CH-10 // Electro-Optical Products Corp.: website. URL: http://www.eopc.com/CH-10% 20 Data%20Sheet.pdf (accessed 09.11.2022).
18. Automatic Gain Control Amplifier (AGC) Driver // Electro-Optical Products Corp.: website. URL: http://www.eopc.com/ driver_agc.html (accessed 16.08.22).
19. ED-M Driver // Electro-Optical Products Corp.: website. URL: http://www.eopc. com/driver_ed.html (accessed 09.11.2022).
20. Характеристики отрезающего фильтра LPF23.1 // TYDEX: сайт. Режим доступа http://www.tydexoptics.com/pdf/ ru/THz_Low_Pass_Filter.pdf (дата обращения 09.11.2022).
21. Характеристики отрезающего фильтра BPF1.0 // TYDEX: сайт. Режим доступа: http://www.tydexoptics.com/ru/ products/tgc-ustrojstva/thz_band_pass _filter/ (дата обращения 09.11.2022).
22. Kaufmann P., Abrantes A., Bortolucci E.C., Caspi A., Fernandes L.O.T., Kropotov G., Kudaka A.S., Laurent G, Machado N, Marcon R, Marun A., Nicolaev V., Hidalgo Ramirez R.F., Raulin J.-P., Saint-Hilaire P., Shih A., Silva C.M., Timofeevsky A. THz solar observations on board of a trans-Antarctic stratospheric balloon flight // Proceedings of the 41st International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz waves (IRMMW-THz). Copenhagen, Denmark, September 2016, 16502841. URL: https:// doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2016.7758395 (accessed 09.11.2022).
Статья поступила в редакцию 07.10.2022 г. Окончательный вариант — 11.11.2022 г.
References
5. Kalinin EV, Philippov MV, Makhmutov VS, Maksumov VS, Stozhkov YuI, Kvashnin AA, Izmailov GN, Ozolin VV. A study of the characteristic of a terahertz radiation detector for the Solntse-Terahertz scientific apparatus. Cosmic Research. 2021; 59(1): 3-8 (in Russian).
15. Kvashnin AA, Logachev VI, Philippov MV, Makhmutov VS, Maksumov OS, Stozhkov YuI, Kalinin EV, Orlov AA, Ozolin VV, Izmaylov GN, Krivolapova OYu, Gayfutdinova AG. Opticheskaya sistema pribora dlya izmereniya solnechnogo teragertsovogo izlucheniya [Optical system design of the detector for solar terahertz emission measurements]. Space Engineering and Technology. 2021; 4(35): 22-30. Available from: https://doi.org/10.33950/spacetech-2308-7625-2021-4-22-30 (accessed 09.11.2022) (in Russian).
16. Golay detectors. In: TYDEX: Web site. Available from: http://www.tydexoptics.com/ru/products/ thz_devices/golay_cell/ (accessed 09.11.2022) (in Russian).
20. Performance of cut-off filter LPF23.1. In: TYDEX: Web site. Available from: http://www.tydexoptics. com/pdf/ru/THz_Low_Pass_Filter.pdf (accessed 09.11.2022) (in Russian).
21. Performance of cut-off filter BPF1.0. In: TYDEX: Web site. Available from: http://www.tydexoptics. com/ru/products/tgc-ustrojstva/thz_band_pass_filter/ (accessed 09.11.2022) (in Russian).
