[ «трудЫ семинара РЕЗУЛЬТАТЫ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА КОРОНАС-ФОТОН ПредложениЯ По Продолжению ПрограммЫ КОРОНАС: научнЫе Задачи и аППаратура РОССИЯ ТАРУСА 19–21 мая 2010 года Под редакЦией р. р. наЗирова и. в. чулкова в. ...»
ISSN 2075-6836
Ф е де ра л ь н о е го с уд а р с т в е н н о е б юд ж е т н о е у ч р е ж де н и е н ау к и
институт космических исследований российской академии наук (ики ран)
трудЫ семинара
РЕЗУЛЬТАТЫ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
КОРОНАС-ФОТОН
ПредложениЯ
По Продолжению ПрограммЫ КОРОНАС:
научнЫе Задачи и аППаратура
РОССИЯ
ТАРУСА
19–21 мая 2010 года Под редакЦией р. р. наЗирова и. в. чулкова в. н. юрова СЕРИЯМЕХАНИКА, УПРАВЛЕНИЕ И ИНФОРМАТИКА
Москва УДК 629.78 ISSN 2075- В данный сборник трудов включены материалы, представленные на семинаре по проекту КОРОНАС-ФОТОН. Семинар проводился Учреждением Российской академии наук Институтом космических исследований РАН (с 1 января 2012 г. — Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук) (ИКИ РАН) и Федеральным государственным бюджетным (с декабря 2010 г. — автономное) образовательным учреждением высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» Федерального агентства по образованию РФ (с декабря 2011 г. — Министерства образования и науки) (НИЯУ МИФИ) в Тарусе Калужской области 19–21 мая 2010 г.Приводятся научные и методические результаты, полученные при выполнении космического эксперимента на КА «КОРОНАС-Фотон».
Материалы представляют интерес для научных сотрудников, занимающихся исследованиями в области физики Солнца и солнечно-земных связей, студентов и аспирантов соответствующих специальностей.
Original topics have been presented on the CORONAS-PHOTON — mission seminar were included in this Proceedings. The seminar was conducted by Space research institute Russian Academy of Science and National research nuclear university MEPhI in Tarusa, Kaluga region 19–21.05.2010.
The scientific and methodological results received at carrying out of CORONAS-Photon space experiment are given.
This information is interesting for scientists have been engaged in Solar and Solar-terrestrial physics, and for post-graduate students of the similar specialities.
Редакционная коллегия:
И. В. Чулков, В. Н. Юров, В. Г. Тышкевич, Е. А. Антоненко Редактор:
В. С. Корниленко Компьютерная верстка:
Н. Ю. Комарова © Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН), Содержание Предисловие................................................ Юров В. Н., Тышкевич В. Г.
Комплекс научной аппаратуры космического аппарата «КОРОНАС-Фотон». Уроки эксплуатации..................... Рао А. Р., Малкар Д. П., Хингар М. К., Агравал В. К., Чакрабарти С. К., Нанди А., Дебнатх Д., Коточ Т. В., Саркар Р., Чидамбарам Т. Р., Винод П., Шрикумар С., Котов Ю. Д., Буслов А. С., Юров В. Н., Тышкевич В. Г., Архангельский А. И., Зятьков Р. А.
Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2 на борту космического аппарата «КОРОНАС-Фотон». Результаты эксперимента................. Кузин С. В., Житник И. А., Шестов С. В., Богачев С. А., Бугаенко О. И., Игнатьев А. П., Перцов А. А., Ульянов А. С., Рева А. А., Слемзин В. А., Суходрев Н. К., Иванов Ю. С., Гончаров Л. А., Митрофанов А. В., Попова С. Г., Шергина Т. А., Соловьев В. А., Опарин С. Н., Зыков М. С., Лучин В. И., Полковников В. Н., Салащенко Н. Н., Цыбин Н. Н.
Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»......................................... Кузин С. В., Шестов С. В., Богачев С. А., Перцов А. А., Ульянов А. С., Рева А. А.
Регистрация и обработка изображений в эксперименте ТЕСИС на спутнике «КОРОНАС-Фотон».............................. Котов Ю. Д., Умнова О. Н.
Поиск поляризации рентгеновского излучения во вспышке Гляненко А. С., Котов Ю. Д., Архангельский А. И., Буслов А. С., Юров В. Н., Дергачев В. А., Круглов Е. М., Лазутков В. П., Матвеев Г. А., Пятигорский А. Г., Савченко М. И., Скородумов Д. В.
Результаты регистрации солнечных вспышек прибором Дудник А. В.
Динамика электронов радиационных поясов Земли в мае 2009 г.
по наблюдениям с помощью аппаратуры СТЭП-Ф.............. Мягкова И. Н., Калегаев В. В., Баринова В. О., Панасюк М. И., Богомолов А. В., Парунакян Д. А., Старостин Л. И.
Вариации потоков электронов внешнего радиационного пояса Земли и положение его полярной границы в 2009 году по данным эксперимента с прибором «Электрон-М-Песка» на борту ИСЗ Лупарь Е. Э., Юров В. Н., Власик К. Ф.
Спектрометр высокоэнергичных излучений «Наталья-2М».
Функционирование на орбите в составе космического аппарата Трофимов Ю. А., Юров В. Н., Котов Ю. Д.
Регистрация быстрым рентгеновским монитором нестационарных Олейник Ф. П., Уланов М. В., Аптекарь Р. Л., Голенецкий С. В., Мазец Е. П., Свинкин Д. С., Фредерикс Д. Д., Котов Ю. Д., ЮровВ. Н.
Эксперимент КОНУС-РФ: основные научные результаты и предложения по продолжению эксперимента.................. Дергачев В. А., Лазутков В. П., Матвеев Г. А., Круглов Е. М., Савченко М. И., Скородумов Д. В., Пятигорский А. Г., Хилькевич В. М., Хмылко В. В., Котов Ю. Д., Гляненко А. С., Юров В. Н.
Перспективы продолжения экспериментов по измерению поляризации рентгеновского излучения солнечных вспышек, начатых на аппарате «КОРОНАС-Фотон»...................... Власик К. Ф., Дмитренко В. В., Грачев В. М., Жучкова Е. А., Котов Ю. Д., Кочемасов А. В., Лупарь Е. Э., Трофимов Ю. А., Улин С. Е., Утешев З. М., Юров В. Н.
Гамма-спектрометры на основе сцинтилляционного кристалла LaBr3(Ce) и сжатого ксенона для регистрации линейчатого гамма-излучения солнечных вспышек.......................... Космический эксперимент (КЭ) КОРОНАС-ФОТОН завершил Российскую программу исследований физики Солнца и солнечно-земных связей КОРОНАС (Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца). Космический аппарат (КА) с комплексом научной аппаратуры (КНА) «Фотон» был выведен на околоземную орбиту 30 января 2009 г.
и функционировал до 1 декабря 2009 г. Эксперимент был прекращен из-за выхода из строя системы энергообеспечения КА.
Основными задачами экспериментов с КНА «Фотон» являлись исследования процессов накопления энергии и её трансформации в энергию ускоренных частиц во время солнечных вспышек, изучение механизмов ускорения, распространения и взаимодействия энергичных частиц в атмосфере Солнца, исследование связей явлений в околоземном космическом пространстве с солнечной активностью.
В состав КНА входили приборы, предназначенные:
• для изучения временно`го поведения и энергетических спектров электромагнитного излучения от нескольких килоэлектронвольт до единиц гигаэлектронвольт («Наталья-2М», RT-2, «Конус-РФ», «Пингвин-М»);
• построения изображений в ультрафиолетовом и мягком рентгеновском диапазоне (ТЕСИС);
• измерения линейной поляризации жёсткого рентгеновского излучения («Пингвин-М»);
• мониторинга излучения в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах («Сокол», ФОКА, БРМ);
• регистрации солнечных нейтронов («Наталья-2М»);
• измерения потоков заряженных частиц на орбите КА (СТЭП-Ф, «Электрон-М-Песка»);
• обеспечения интерфейса КНА со служебными бортовыми системами КА по электропитанию, управлению, ориентации, сбору и передаче научных данных (БУС-ФМ, СМ-8М, ССРНИ).
В создании научной аппаратуры принимали участие специалисты российских и зарубежных организаций: Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»
(НИЯУ МИФИ) Федерального агентства по образованию РФ, Учреждения Российской академии наук Института космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН), Учреждения Российской академии наук Физического института им. П. Н. Лебедева РАН (ФИАН), Учреждения Российской академии наук Института земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н. В. Пушкова (ИЗМИРАН), Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д. В. Скобельцына Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова (НИИЯФ МГУ), Учреждения Российской академии наук физико-технического института им. А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ им. А. Ф. Иоффе), ФГУ НПП «Геологоразведка» (все – Россия), Харьковского национального университета им. В. Н. Каразина (Украина), Тата института фундаментальных исследований (TIFR) (Индия), Центра космических исследований Польской академии наук (ЦКИ ПАН) (Польша).
Комплекс научной аппаратуры «Фотон» штатно функционировал на орбите и выполнял запланированную программу научных экспериментов в течение всего срока существования КА. В этих экспериментах получены уникальные данные по проявлениям солнечной активности и состоянию магнитосферы Земли в период аномально глубокого солнечного минимума;
зарегистрированы космические транзиенты и гамма-всплески; исследовались радиационная обстановка и условия проведения экспериментов на орбите КА.
При определении времени начала эксперимента предполагалось, что 24-й солнечный 11-летний цикл начнётся в 2007 г. и КЭ КОРОНАСФОТОН должен частично захватить фазы роста и максимума солнечной активности (СА). Исследования высокоэнергичных излучений планировались вблизи максимума СА, так как в ранее проведённых измерениях на КА SMM, КОРОНАС-Ф, RHESSI излучения с Е > 300 кэВ и солнечные нейтроны наблюдались в событиях классов М и Х (по шкале КА GOES). Из-за длительной задержки начала 24-го цикла (примерно на два года) и преждевременного прекращения эксперимента СА в период наблюдений находилась в аномально глубоком минимуме. С 30 января 2009 г. по 30 ноября 2009 г. аппаратурой КА GOES было зарегистрировано всего около 15 солнечных событий класса С и ни одного события классов М и Х. По этим причинам практически не было получено данных о высокоэнергичных излучениях и наблюдательные возможности некоторых приборов остались нереализованными.
В данном сборнике представлены отдельные научные и методические результаты измерений, выполненных приборами КНА «Фотон» при проведении космического эксперимента на КА «КОРОНАС-Фотон».
УДК 520.6.05: 629. аППаратуры КоСмичеСКого аППарата «КоронаС-Фотон». уроКи эКСПлуатации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Федерального агентства по образованию РФ, Институт астрофизики (ИАФ), Москва Рассматриваются результаты функционирования космического аппарата (КА) «КОРОНАС-Фотон» на околоземной орбите с оценкой эффективности решений, принятых при создании комплекса научной аппаратуры и проведении космического эксперимента. Рассмотрены нештатные ситуации, возникавшие на борту КА в период его функционирования, и проведенные мероприятия по их устранению. Сделаны выводы о причинах преждевременного прекращения эксперимента КОРОНАС-ФОТОН.
Ключевые слова: «КОРОНАС-Фотон», космический аппарат, комплекс научной аппаратуры, космический эксперимент, управление, контроль и передача данных, условия функционирования, нештатные ситуации, мероприятия по устранению, выводы и рекомендации.
Космический аппарат «КОРОНАС-Фотон» реализован на базе космического аппарата (КА) «Метеор-3М» разработки ФГУП «Научно-исследовательский институт электромеханики» (НИИЭМ), Истра Московской области (с 11.2009 г. — Открытое акционерное общество «Научно-исследовательский институт электромеханики»
(ОАО «НИИЭМ»)). Головной организацией по созданию комплекса научной аппаратуры (КНА) «Фотон» являлся Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ).
Соисполнителями были организации Российской академии наук, Министерства образования и науки РФ и зарубежные участники из Индии, Украины и Польши.
Юров Виталий николаевич — заместитель директора, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
тышкевич Владимир георгиевич — доцент, e-mail: [email protected].
8 В. Н. Юров, В. Г. Тышкевич Основной задачей Программы научных исследований и экспериментов в космическом пространстве с КНА «Фотон» в составе КА «КОРОНАС-Фотон» было комплексное исследование проявлений активности в атмосфере Солнца в широком диапазоне электромагнитного излучения методами спектрометрии и изображающей техники.
Эксперимент должен был охватить весь период роста солнечной активности от минимума в 2009 г. до прогнозируемого максимума в 2013–2014 гг.
Выбор орбиты осуществлялся в условиях ограничений, накладываемых возможностями ракеты-носителя «Циклон-3» и космодрома Плесецк. В результате проведенного анализа был выбран следующий вариант: круговая орбита с высотой 550…500 км и наклонением 82,5°.
Космический аппарат «КОРОНАС-Фотон» был запущен 30 января 2009 г. и выведен на орбиту с заданными параметрами.
До 25 февраля все научные приборы были включены и начали выполнять запланированную программу измерений. Функционирование КНА «Фотон» было прекращено 1 декабря 2009 г. из-за отказа служебных бортовых систем КА.
При создании КА «КОРОНАС-Фотон» было принято несколько нетривиальных решений по организации взаимодействия КНА со служебными системами и передаче данных:
• передавать в реальном масштабе времени информацию о состоянии контрольно-служебных параметров научных приборов, поступающую в бортовую аппаратуру телесигнализации (БАТС), в систему сбора и регистрации научной информации (ССРНИ) для последующей передачи на наземный пункт приёма вместе с научными данными;
• использовать для включения, отключения и приведения в исходное состояние приборов исключительно разовые команды;
• использовать при передаче данных на наземные приёмные комплексы (ПК-7 и ПК-2) помехоустойчивое кодирование и осуществлять одновременный приём на двух комплексах;
• ввести экспериментальный режим в системе ориентации и стабилизации (СОС) для стабилизации и ориентации поперечных осей КА по показаниям оптического (звёздного) датчика прибора ТЕСИС.
Все принятые решения положительно зарекомендовали себя во время проведения космического эксперимента. Вывод контрольнослужебных параметров вместе с научной информацией позволил:
Комплекс научной аппаратуры КА «КОРОНАС-Фотон». Уроки эксплуатации • вести постоянный и непрерывный контроль температурных режимов приборов на орбите, устанавливать корреляции между изменениями параметров аппаратуры и колебаниями температуры и вносить необходимые изменения в режимы работы;
• проверять соответствие реакции приборов на поданные команды в реальном времени;
• по результатам сравнения с экспериментальными данными корректировать координаты зон повышенной радиации и правильность расчетов времени подачи команд при заходе и выходе КА из тени.
Возможность переключения режимов ВКЛ / ОТКЛ / ИСХ. СОСТ с помощью импульсных разовых команд позволила оперативно управлять работой аппаратуры при возникновении и ликвидации нескольких нештатных ситуаций, связанных со сбоями в функционировании бортовой управляющей машины.
При практическом выборе режима передачи данных по радиоканалу на наземные приемные пункты (во время проведения эксперимента были задействованы два приёмных комплекса — ПК- и ПК-2) в результате анализа было установлено, что в режиме «Без помехоустойчивого кодирования» ни ПК-7, ни ПК-2 Научного центра оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) не удовлетворяют требованиям по уровню сбоев. В режиме передачи «С помехоустойчивым кодированием» ситуация значительно лучше и при нормальной работе аппаратных средств приёмных комплексов уровень сбоев составляет около 1·10–5.
Информация о качестве приёма данных представлена в табл. 1.
Характеристики качества приёма данных с Кна «Фотон»
комплекс Видно, что при приёме данных двумя комплексами и совместной обработке существенно (на 2,4 %) увеличивается число сеансов с минимальным количеством ошибок. Кроме того, на 2,5 % увеличивается объем принятых данных и уменьшается количество сбоев.
10 В. Н. Юров, В. Г. Тышкевич Так как получаемая научная информация уникальна, то улучшения в её количестве и качестве очень важны.
К сожалению, из-за досрочного прекращения измерений не удалось проверить эффективность работы СОС в экспериментальном режиме ориентации, который должен был обеспечить определенную ориентацию передающих антенн КА относительно приёмного комплекса при передаче данных.
Во время эксплуатации КНА «Фотон» на орбите был зарегистрирован ряд нештатных ситуаций в функционировании научных приборов и служебной бортовой аппаратуры. Далее приводятся их описание, установленные или вероятные причины и мероприятия по устранению. Весь период эксплуатации разбит на два этапа.
30.01.09–12.02.09. Невключение бортовой управляющей машины (БУМ), вероятно, из-за замыкания соседних контактов в разъме блока коммутационных автоматов (БКА) или в состыкованном с ним разъёме кабеля. Попытки включить БУМ командой результата не дали. На наземных стендах отработано нештатное включение при пониженных температуре и напряжении питания. Включение БУМ выполнено 12.02.09 при Т ~ 7 °С и U = 26 В.
20.02.09–22.02.09. Нарушено функционирование БУМ, прекращено выполнение циклограмм программного управления работой бортовой аппаратуры. Наиболее вероятной причиной отказа является единичный случайный сбой. Работоспособность БУМ восстановлена 22.02.09 перезагрузкой (отключением и последующим включением).
18.03.09. Отказ в бортовой аппаратуре командно-измерительной системы (БА КИС) «Компарус». Потеря сеансов связи на двух витках. Причиной отказа явился выход из строя первого полукомплекта вторичного источника питания.
Изменена конфигурация включённых узлов БА КИС «Компарус». Включён второй полукомплект вторичного источника питания.
Комплекс научной аппаратуры КА «КОРОНАС-Фотон». Уроки эксплуатации 12.02.09–01.12.09. Не выполнялся автоматический режим сверки и корректировки бортового времени.
Разработана и реализована методика режима сверки времени с точностью лучше 1,0 мс в сеансах управления. Разработчикам приборов выдавались данные о расхождении наземной (НШВ) и бортовой (БШВ) шкалы времени. Бортовая шкала времени корректируется с помощью командно-программной информации (КПИ) при Т > 0,5 с.
нештатные ситуации в функционировании 25.02.09–10.03.09. Нарушение функционирования спектрометрических модулей прибора «Наталья-2М» из-за высоких загрузок при прохождении центральной зоны Южно-Атлантической аномалии (ЮАА), что приводило к выходу коэффициентов усиления фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) за пределы допустимого диапазона измерений и срыву работы системы стабилизации.
Проведена наземная отработка и полётная реализация командной циклограммы, восстанавливающей работоспособность системы стабилизации после прохождения ЮАА.
25.02.09–12.03.09. Несовпадение направлений оптических осей измерительных каналов прибора ТЕСИС с осью КА, ориентируемой на Солнце, из-за некорректно проведённой юстировки блока детекторов.
Проведена центровка направлений оптических осей трех телескопов аппаратуры ТЕСИС: 132, 171 и 304. Остались ограниченно работоспособные каналы коронографа и спектрогелиометра.
25.02.09–01.12.09. Не регистрировались сигналы в оптических каналах 265, 340, 500, 650 и 850 нм прибора СОКОЛ (нормально функционировали каналы 1100 и 1550 нм) по причине неточной ориентации оптических осей каналов на центр диска Солнца или из-за завышения пороговых уровней сигналов. Корректировка направлений оптических каналов и изменение порогов в приборе «Сокол» не были предусмотрены.
25.02.09–01.12.09. Не реализовывался длительный режим измерений с временем накопления 1 мс в каналах интенсиметров в приборе БРМ. Продолжительность непрерывной работы прибора в этом режиме, ограничиваемая объёмом буферной памяти и скоростью передачи данных в ССРНИ, не превышает 30 с.
Работа прибора в основной моде осуществлялась с временем накопления данных 10 мс. Продолжительность измерений в режиме «1 мс» ограничивалась по времени.
12 В. Н. Юров, В. Г. Тышкевич 15.03.09–17.03.09. Сбои в научной информации, переданной ССРНИ, из-за нарушений в узле формирования выходных кадров первого полукомплекта. Включен и до 01.12.09 бесперебойно работал второй полукомплект ССРНИ.
02.04.09–22.04.09. Температура блока СТЭП-ФД превысила 54 °С при выходе КА на бестеневые орбиты из-за увеличенного энергопотребления по сравнению с величиной, использовавшейся при выработке рекомендаций по применению средств обеспечения тепловых режимов.
По решению разработчиков питание прибора отключалось в периоды бестеневых орбит КА.
22.05.09–24.05.09. Сбой в структуре привода механики измерительного канала 171/304 прибора ТЕСИС. Причина сбоя — длительная работа в режиме сверхкоротких экспозиций 0,1 с (вместо планировавшихся 1…10 с) и значительная выработка ресурса.
Канал переведён в режим штатных экспозиций, обновлено программное обеспечение.
Для улучшения условий функционирования приборов на этом этапе был выполнен ряд организационно-технических мероприятий:
• В результате анализа работы приемных комплексов ПК-7 и ПК-2 в феврале-марте было установлено, что средняя суммарная продолжительность сбросов данных на двух соседних витках составляет примерно 15 мин и позволяет передавать за это время около 740 МБ кодированной целевой информации с незначительным количеством сбоев. На основании этого было принято решение об очистке памяти ССРНИ и перераспределении информационных квот приборов после каждых двух сбросов два раза в сутки. В результате увеличился допустимый объём передаваемых данных приблизительно в 1,4 раза до 1,4…1,5 ГБ/сут, и это позволило удовлетворить информационные запросы всех разработчиков приборов.
• Оптимизацией параметров СОС разработчикам КА удалось уменьшить время восстановления ориентации оси КА на Солнце после его выхода из тени с 8…10 до 1,5…2 мин и снизить мгновенные угловые скорости вращения КА относительно его осей с 5 до 1…1,5 угл. с/с. Эти величины позволяли реализовать возможности приборов ТЕСИС и RT-2 при построении изображений.
• Для улучшения работоспособности каналов коронографа и спектрогелиометра прибора ТЕСИС корректировалось положение оси Z КА относительно направления на центр диска Солнца. В результате отклонение оптической оси канала коронографа от направления на центр диска Солнца уменьшилось с 20,7 до 3,5 угл. мин, но при этом работоспособность каналов не улучшилась. В процесКомплекс научной аппаратуры КА «КОРОНАС-Фотон». Уроки эксплуатации се дальнейшей эксплуатации выяснилось, что несовпадение оси Z КА с направлением его ориентации увеличивает интервал времен восстановления положения после выхода из тени с 1,5…2 до 1,5…10 мин, и коррекция была отменена.
По результатам проведённых работ на данном этапе сделано заключение о том, что к 1 июля 2009 г. КА «КОРОНАС-Фотон» был готов выполнять запланированную программу научных исследований.
этаП ВыПолнения «Программы научныХ иССледоВаний и эКСПериментоВ В КоСмичеСКом ПроСтранСтВе».
нештатные ситуации в функционировании 23.07.09–24.07.09. Потеря ориентации оси Z КА на Солнце из-за сбоя в работе точного датчика Солнца СОС КА.
Ориентация восстановилась без постороннего вмешательства через полтора часа после сбоя.
24.07.09–25.07.09. Отключение автомата питания группы приборов научной аппаратуры в момент подачи питания на прибор СТЭП-Ф после завершения периода бестеневых орбит. Возможная причина — превышение максимально допустимого тока нагрузки.
В дальнейшем использовался порядок последовательного включения приборов в соответствии с потребляемой ими мощностью, начиная с максимальной. Операции по включению приборов проводились при нахождении КА на освещенной части орбиты.
26.07.09–30.07.09. Не выполнен сброс целевой научной и телеметрической информации из-за прекращения выдачи в бортовую аппаратуру из БУМ команд по циклограммам управления в автоматическом режиме. По данным телеметрической информации установлено, что наиболее вероятной причиной неработоспособности БУМ явилось отсутствие необходимых синхросигналов, выдаваемых блоком синхронизации времени и частоты (БСВЧ). Нештатное функционирование БСВЧ началось в результате сбоя под действием ионизирующего излучения конфигурационной памяти не менее чем в двух ПЛИС ХС 4010Е. Сбой был устранен перезапуском БСВЧ — снятием и последующей подачей питания. Принято решение о периодическом проведении операций по отключению и включению питания.
14 В. Н. Юров, В. Г. Тышкевич 13.08.09–18.08.09. Отключение питания на шинах системы терморегулирования (СТР) и научной аппаратуры (НА). Причиной явился разряд основной батареи и неготовность резервной батареи принять нагрузку из-за недозарядки. Ток нагрузки на неосвещённой части витка при включённых электронагревателях СТР (потребление 15 А) составлял около 40 А, а в моменты работы передатчиков доходил до 45 А.
Внесены изменения в циклограмму работы СТР, разрешающие включение электронагревателей только на освещённой части орбиты.
07.09.09–07.09.09. Потеря ориентации оси Z КА на Солнце изза нарушения в работе точного датчика Солнца (ТДС) СОС КА. Выполнен переход на работу со вторым комплектом ТДС.
11.10.09–15.10.09. Не установлена связь с БКУ КА из-за отключения питания первого комплекта БУМ (БУМ1), работающей в двухканальном режиме. Наиболее вероятная причина неработоспособности БУМ1 — отказ вторичного источника питания (ВИП) одного из каналов.
Выполнен переход на работу с БУМ2, которая также функционирует в двухканальном режиме и не выполняет процедуру сверки времени.
12.10.09–16.10.09. Отключение питания на шинах СТР и НА изза срабатывания датчика рассогласования основной батареи и неготовности резервной батареи принять нагрузку из-за недозаряда.
КНА включён после дозарядки резервной батареи.
02.11.09–12.11.09. Отключение питания на шинах СТР и НА по тем же признакам. Срабатывание датчика рассогласования при напряжении питания выше 26 В указывает на заметный процесс деградации химических батарей.
Для уменьшения нагрузки на батареи принято решение об отказе от дальнейшего применения электронагревателей СТР и осуществлении регулировки теплового режима с использованием энерговыделения приборов в гермоотсеке и контура охлаждения СТР.
Комплекс научной аппаратуры включён после дозарядки резервной батареи. В период 13.11–19.11.09 был подобран оптимальный режим работы вентиляторов контура охлаждения: 10 витков — включены, 5 витков — отключены. В этом режиме максимальная потребляемая мощность от СЭС снизилась на 600 Вт, но увеличился диапазон изменения температуры блоков научных приборов в гермоконтейнере до 10…12 °С.
01.12.09. Отключение питания на шинах СТР и НА по тем же признакам в результате дальнейшей деградации химических батарей. В период с 01.12.09 по 10.12.09 проводились работы по восстаКомплекс научной аппаратуры КА «КОРОНАС-Фотон». Уроки эксплуатации новлению работоспособности КА при отключенном КНА. В результате очередного отказа в СЭС связь с КА была потеряна.
После многочисленных неудачных попыток восстановить управление КА 30 июня 2010 г. Государственной комиссией было принято решение о прекращении лётных испытаний космического комплекса «КОРОНАС-Фотон».
нештатные ситуации в функционировании 30.09.09–28.10.09. Детекторный блок прибора СТЭП-Ф нагрелся до температуры 54 °С и затем охладился до 36 °С из-за уменьшения его энергопотребления вследствие выхода из строя источника вторичного питания одной из двух независимых систем регистрации, работавших параллельно.
Подано питание на работоспособную систему и проведена подстройка ее параметров. Прибор функционировал в рабочем режиме с уменьшенной светосилой.
В период с 1 июля по 1 декабря 2009 г. несколько раз корректировались информационные квоты приборов по результатам анализа их заполнения и из-за особенностей функционирования ПК- и ПК-2.
Так как антеннами ПК-2 и ПК-7 невозможно организовать слежение за местоположением КА при его нахождении в интервале зенитных углов 85…90°, возникают разрывы в приёме данных. По этой причине на орбитах, проходящих под такими зенитными углами, сеансы передачи данных не проводились, а осуществлялись на двух боковых витках. При этом уменьшалась их продолжительность и, соответственно, на 200…300 МБ сократился объём передаваемых с КА данных. Память ССРНИ высвобождалась не полностью и 21 сентября 2009 г. высокоинформативные приборы «НатальяМ», БРМ, ТЕСИС исчерпали свои обязательные квоты, и прием данных с них был заблокирован. В результате проведенного анализа было подготовлено и реализовано решение о перераспределении максимальных и обязательных частей квот по цифровым источникам. В дальнейшем блокировок приема данных с приборов не было.
1. Комплекс научной аппаратуры «Фотон» функционировал в штатном режиме в течение всего срока проведения космического эксперимента и выполнял запланированные задачи.
16 В. Н. Юров, В. Г. Тышкевич 2. Единичные сбои и отказы на работоспособность комплекса не повлияли.
3. Принятые на этапе проектирования и создания аппаратуры технические решения по передаче контрольно-служебной телеметрической информации, управлению приборами и сбросу научных данных на наземные пункты приёма сыграли положительную роль при функционировании КА «КОРОНАС-Фотон» на орбите.
4. В процессе эксплуатации КНА «Фотон» на орбите выявились допущенные при проектировании научной аппаратуры просчёты:
• не было предусмотрено проведение сеансов сброса научных данных с помощью разовых команд без задействования БУМ, поэтому полностью работоспособный комплекс не мог выполнять свои задачи на начальном этапе в феврале 2009 г.;
• в измерительных каналах прибора СОКОЛ и части каналов прибора ТЕСИС, требующих особо точного наведения на Солнце, не была предусмотрена возможность полётной корректировки направления оптической оси;
• при проектировании ряда приборов были заложены недостаточные меры по их адаптации к условиям эксплуатации на орбите, а именно:
– в приборе «Наталья-2М» был узкий диапазон понижения чувствительности детекторов при прохождении радиационных поясов;
– в приборе СОКОЛ отсутствовала возможность регулировки порогов в измерительных каналах;
– в приборе СТЭП-Ф отсутствовали отдельные команды на отключение любой из независимых систем регистрации.
5. В большинстве бортовых служебных систем КА: БУМ, БСВЧ, БА КИС «Компарус», СОС — в результате отказов был осуществлён переход на вторые комплекты отдельных узлов в течение первых шести месяцев эксплуатации. Это свидетельствует о снижении контроля качества серийной продукции, выпускаемой предприятиями-изготовителями.
6. При проектировании и эксплуатации системы электроснабжения КА были допущены серьёзные просчёты:
• энергетический баланс работы СЭС не позволял гарантировать штатное функционирование комплекса научной аппаратуры в течение трёх лет эксплуатации по следующим причинам:
1) при одновременном включении на освещённой части орбиты системы терморегулирования (СТР) для поддержания температуры газа (потребляемая мощность 750 Вт), нагревателей системы регулирования температуры (СРТ) отдельных Комплекс научной аппаратуры КА «КОРОНАС-Фотон». Уроки эксплуатации блоков (350 Вт), комплекса научной аппаратуры (350 Вт), бортовой служебной аппаратуры (300 Вт), системы ориентации и стабилизации (3500,2 Вт) и передатчиков радиоканала (2400,2 Вт) потребляемая КА мощность будет составлять 1868 Вт, превышая мощность, вырабатываемую солнечными батареями, — 1650 Вт; даже при неполном включении обслуживающих систем (СТР, СРТ) химические батареи будут заряжаться в течение нескольких витков;
2) при работе бортовой аппаратуры на теневой части орбиты с максимальным энергопотреблением разряд батареи может превысить её ёмкость, которая будет уменьшаться со временем, и батарея будет отключена;
3) ввиду недозаряда резервной батареи переход на работу с ней будет невозможен и КА будет регулярно переводиться в режим с минимальным энергопотреблением;
• при включении аппаратуры на орбите по невыясненным причинам энергоотдача солнечных батарей оказалась меньше расчётной, что привело к дополнительному ухудшению энергобаланса;
• при проектировании не была предусмотрена возможность регулирования мощности нагревателя СТР и в конструкции выбранных химических батарей отсутствовала возможность шунтирования элементов, значительно изменивших свои параметры;
• при эксплуатации КА со значительным опозданием уже после устранения возникавших нештатных ситуаций принимались меры по снижению нагрузки на элементы СЭС (сначала запрет на включение нагревателей СТР на неосвёщенной части витка, затем полный отказ от их использования).
По результатам эксплуатации комплекса научной аппаратуры КА «КОРОНАС-Фотон» можно сделать следующие рекомендации для разработчиков научной аппаратуры:
• в научной аппаратуре в максимальной степени должны быть предусмотрены элементы подстройки параметров измерительных каналов;
• на этапе подготовки эксперимента следует подробно рассмотреть проект системы энергоснабжения КА, а именно:
– расчёты энергетического баланса на всех стадиях и во всех условиях проведения экспериментов;
– качество и сертификацию комплектующих элементов;
• система сбора и регистрации научной информации должна иметь узел управления и интерфейсы, обеспечивающие гибкость 18 В. Н. Юров, В. Г. Тышкевич в приёме научных данных с приборов для удовлетворения их информационных потребностей и максимально возможного заполнения памяти при любых режимах эксплуатации и реализующие доступную пропускную способность радиоканала и наземного приёмного комплекса;
• на начальном этапе космического эксперимента следует проводить совместный анализ эксплуатационных режимов функционирования научной аппаратуры и служебных бортовых систем с целью принятия решений и проведения организационных и технических действий для облегчения условий их работы.
In article results of maintenance of the satellite CORONAS-Photon in a nearearth orbit with a efficiently estimation of the decisions accepted at working out of a complex of scientific equipment and carrying out of space experiment are considered. Examine nonordinary situations arising onboard satellite in its functioning, and the carried out actions for their elimination. Conclusions are drawn on the reasons of stop before the appointed time CORONAS-Photon experiment.
Keywords: CORONAS-Photon, satellite, complex of scientific equipment, space experiment, management, control and data transmission, operating conditions, nonordinary situations, actions for elimination, conclusions and recommendations.
Yurov Vitaly nikolaevich — deputy director, PhD, e-mail: [email protected].
Tyshkevich Vladimir georgievich — senior lecturer, e-mail: [email protected].
УДК: 523.626.983.3: 629. ФунКционироВание телеСКоПаСПеКтрометра низКоэнергичного КоСмичеСКого аППарата «КоронаСФотон». результаты эКСПеримента а. р. рао 1, д. П. малкар 1, м. К. Хингар 1, В. К. агравал 1, т. В. Коточ 3, р. Саркар 3, т. р. чидамбарам 4, П. Винод 4, В. н. Юров 5, В. г. тышкевич 5, а. и. архангельский 5, Тата институт фундаментальных исследований Национальный центр фундаментальной физики им. С. Р. Бозе, Индийский центр космической физики, Калькутта, Индия Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Федерального агентства по образованию РФ, Институт астрофизики Эксперимент с прибором RТ-2 на борту космического аппарата (КА) «КОРОНАС-Фотон» проводился с целью изучения спектральных, временных и пространственных характеристик солнечных вспышек в жёстком рентгеновском диапазоне 15…150 кэВ. В энергетическом диапазоне от 150 до 1000 кэВ прибор действует как всенаправленный детектор гамма-излучений и используется для изучения гамма-всплесков (GRB), ярких солнечных вспышек и рентгеновских пульсаров.
рао арикалла рагурама — профессор, e-mail: [email protected].
малкар джайвант Пандуранг — инженер.
Хингар махендра Кумар — менеджер, e-mail: [email protected].
агравал Вивек Кумар — доктор философии по физике.
чакрабарти Сандип Кумар — профессор.
нанди ануш — доктор философии по физике, e-mail: [email protected].
дебнатх дипак — доктор философии по физике.
Коточ тилак б. — аспирант.
Саркар ритабрата — доктор философии по физике.
чидамбарам тирунавуккакасу р. — заместитель директора космического центра им. Викрам Шарабхаи.
20 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
Композиция детекторов жёсткого рентгеновского излучения с различными полями зрения и кодирующими апертурами позволяет исследовать спектры космического диффузного рентгеновского фона. В статье описано функционирование детекторов прибора в период с февраля по ноябрь 2009 г. Кратко обсуждаются результаты наблюдения нескольких гаммавсплесков и солнечных вспышек.
Ключевые слова: космический эксперимент, «КОРОНАСФотон», солнечные вспышки, гамма-всплески, рентгеновский и гамма-спектрометр, CZT-детектор, фосвич-детектор, кодирующая апертурная маска, зональная пластина Френеля, CMOS-детектор.
Прибор RT-2 входит в состав комплекса научной аппаратуры проекта КОРОНАС-ФОТОН для исследования солнечной активности.
Основная цель проекта [Kotov et al., 2008] — изучение Солнца в широком диапазоне спектра электромагнитного излучения — от ультрафиолета до высокоэнергичного гамма-излучения. Спектрометр рентгеновского и низкоэнергичного гамма-излучения RT-2 работает в диапазоне энергий от 15 кэВ до 1 MэВ. Прибор RT-2 [Nandi et al., 2009] состоит из трёх детекторных блоков — RT-2/S, RT-2/G [Debnath et al., 2011], RT-2/CZT [Kotoch et al., 2011] — и блока электроники RT-2/E [Sreekumar et al., 2011]. В блоках RT-2/S и RT-2/G регистрация осуществляется сцинтилляторами NaI(Tl) и CsI(Na).
В блоке RT-2/CZT установлены три Cadmium Zinc Telluride (CZT)-детектора и один Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) детектор. Блок окружен пассивной защитой и имеет угол зрения в диапазоне от 6 угл. мин до 6° [Nandi, et al., 2011].
Винод Падманабха — начальник отдела космического центра им. Викрам Шарабхаи.
Шрикумар Санкараттил — доктор философии по физике.
Котов Юрий дмитриевич — директор, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
буслов антон Сергеевич — инженер, e-mail: [email protected].
Юров Виталий николаевич — заместитель директора, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
тышкевич Владимир георгиевич — доцент, e-mail: [email protected].
архангельский андрей игоревич — научный сотрудник, e-mail: angel1996@ list.in.
зятьков роман александрович — инженер, e-mail: [email protected].
Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2… Прибор RT-2 с временны`м разрешением ~100 мс может выполнять быстрые спектральные исследования солнечных рентгеновских вспышек и получать изображения вспышек в жёстком рентгеновском диапазоне. Все три блока детекторов размещены вне гермоотсека спутника соосно направлению оси спутника, ориентируемой на Солнце. К отличительным особенностям прибора следует отнести: метод получения изображений в жёстком рентгене с использованием зональной пластины Френеля (FZP); новое поколение детекторов рентгеновского излучения, таких как CZT и CMOS с лучшей позиционной чувствительностью для получения изображений в жёстком рентгеновском диапазоне (пикселы детектора CMOS имеют размер 5050 мкм); процессор, реализованный в программируемой логической интегральной схеме (ПЛИС); бортовое программное обеспечение, которое может быть изменено командами с Земли; использование методики сжатия данных без потерь и т. д.
Детектор RT-2/S способен регистрировать до 20 000 событий/с, что дает возможность изучения солнечных вспышек до М-класса в энергетическом диапазоне 15…150 кэВ. Детектор RT-2/G имеет алюминиевый фильтр для блокировки низкоэнергичного рентгеновского излучения и, таким образом, при скорости счёта 20 000 событий/с способен регистрировать солнечные вспышки до класса X. Три детектора CZT имеют диапазон счёта до 100 000 событий/с. Характеристики детекторов RT-2 даны в [Котов и др., 2010].
CMOS-детектор с разрешением несколько угловых минут способен строить изображения мощных вспышек (с потоками более 103 фотон·см–2с–1кэВ–1 при энергии более 20 кэВ), происходящих примерно один раз в полгода во время солнечного максимума. Описаны элементы прибора, его функционирование на орбите и некоторые результаты, полученные в течение первых 10 мес наблюдений.
Функциональные характеристики обоих детекторов во многом идентичны. Основные различия заключаются в конструкции коллиматоров, обеспечивающих различные поля зрения (44° для RT-2/S и 66° для RT-2/G), а также в том, что детекторы работают с различными энергетическими порогами (RT-2/G работает в диапазоне выше 25 кэВ, тогда как RT-2/S — выше 15 кэВ). Это обеспечивается алюминиевым фильтром толщиной 2 мм над коллиматором RT-2/G.
22 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
Сцинтилляционные фосвич-детекторы хорошо подходят для спектроскопических исследований высокоэнергичного рентгеновского излучения от астрофизических объектов. В приборе RT-2 блоки RT-2/S и RT-2/G с такими детекторами состоят из сцинтилляторов NaI(Tl) и CsI(Na), собранных по схеме «фосвич», в герметичной упаковке с входным окном толщиной 0,2 мм Al для поглощения рентгеновского излучения с энергией ниже 15 кэВ.
Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) диаметром 76,2 мм соединён с кристаллом CsI(Na) через световод толщиной 10 мм. Кристаллы NaI(Tl) и CsI(Na) имеют одинаковый диметр (116 мм) и толщину 3 и 25 мм, соответственно. Блоки изготовлены голландской фирмой M/S Scionix Holland BV. В данной сборке кристалл NaI(Tl) предназначен для детектирования жёсткого рентгеновского излучения с энергией до 150 кэВ, тогда как кристалл CsI(Na) более удобен для регистрации жёсткого рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне 30…1000 кэВ, а также фоновых заряженных частиц. Различные времена высвечивания в кристаллах NaI(Tl) ( нс) и CsI(Na) (650 нс) позволяют отбирать события в кристалле NaI(Tl). Для калибровки в полёте используется радиоактивный источник 57Co (122 кэВ) активностью 100 нКи. Активационная линия I (58,5 кэВ) в кристалле NaI [Nandi et al., 2009] и линия эмиссии 122 кэВ в кристалле CsI используются для калибровки в полёте NaI и CsI, соответственно. Источник встроен в одну из пластин коллиматора. При наземной калибровке получено, что энергетическое разрешение для обоих детекторов приблизительно равно 18 % для 60 кэВ [Debnath et al., 2011].
Световые вспышки (после взаимодействия рентгеновского излучения с веществом кристаллов) попадают на ФЭУ и преобразуются в электрические импульсы, которые обрабатываются узлами электроники каждого детектора. Узлы фронтальной электроники детекторов идентичны и содержат схемы (аналоговые и цифровые) для усиления электрических импульсов, измерения формы и амплитуды импульса. Реализованная на ПЛИС система сжатия и обработки данных используется для представления в цифровом виде импульсных сигналов с детекторов и служебной информации.
Детальное описание системы электроники дано в [Debnath et al., 2011].
Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2… Каждый блок детекторов может взаимодействовать с системой сбора и регистрации научной информации (ССРНИ) через блок электроники [Sreekumar et al., 2011]. Блок RT-2/E управляет детекторами при получении команд от служебных систем спутника. Этот блок собирает также данные с детекторов, хранит их в памяти для дальнейшей обработки и передачи в ССРНИ и затем на наземный пункт приёма.
Автономное функционирование детекторов RT-2 полностью управляется командами. От блока управления и соединений (БУС-ФМ) прибор получает питание 27+7 B, которое поступает на низковольтные конверторы (MDI DC-DC) RT-2/S и RT-2/G через блок электроники RT-2/E. Конверторы MDI DC-DC преобразуют это напряжение в напряжения ±15 и +5 B для питания электронных компонент каждого детектора. Напряжение +15 В на высоковольтном DC-DC-конверторе преобразуется в регулируемое напряжение (HV) в диапазоне 400…900 B для питания ФЭУ. Уровень высокого напряжения, необходимый для подстройки коэффициента усиления сигнала, устанавливается с помощью управляющих кодовых слов (УКС) с точностью до 4,5 B.
Сигналы от кристаллов NaI и CsI разделяются по форме импульсов (PSD). Напряжения порогов дискриминаторов нижнего (LLD) и высокого (ULD) уровня используются в предусилителях G1 и G для задания диапазона энергий от 15 до 1000 кэВ (15…100 кэВ для G1-NaI; 30…210 кэВ для G1-CsI; 210 кэВ – 1 МэВ для G2) и изменяются посредством УКС. Управляемый генератор (VCO) применяется в схемах контроля служебных параметров прибора, таких как величина напряжения на выходе источника питания +5 В, температура, HV и LLD [Debnath et al., 2011].
Блок RT-2/CZT — изображающий инструмент в жёстком рентгеновском диапазоне — состоит из двух типов различных изображающих детекторов, а именно, детекторов CZT и CMOS. Три детектора CZT и один детектор CMOS размещены в виде матрицы 22. Используются два различных типа кодирующих коллиматоров: кодирующая апертурная маска (CAM) и зональная пластина Френеля (FZP) для создания тени от объекта наблюдений на небе в плоскости детектора. Блок RT-2/CZT позволяет исследовать источники жёсткого 24 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
рентгеновского излучения (например, область солнечных вспышек) с различными пространственными разрешающими способностями.
Подробное описание блока (в различных комбинациях детекторов и кодирующих коллиматоров) и результатов моделирования дано в работе [Nandi et al., 2011].
Модуль CZT(Cadmium Zinc Telluride) является примесным полупроводниковым детектором рентгеновского излучения, имеющим широкую запрещённую зону (1,5…2,0 эВ), а также большой атомный номер (Z-50). Эти присущие CZT свойства позволяют работать при температуре, близкой к комнатной, в режиме регистрации жёсткого рентгеновского излучения. Этот детектор нового поколения имеет высокую эффективность детектирования (100 %) в диапазоне энергий 10…100 кэВ, а также хорошую разрешающую энергетическую способность (8 % для 60 кэВ) для жёсткого рентгеновского и гаммаизлучения по сравнению с пропорциональным счетчиком и сцинтилляционными детекторами.
В блоке RT-2/CZT детекторные CZT-модули (OMS40G256) производства фирмы Orbotech Medical Solutions Ltd., Израиль, используются в качестве детекторов жёсткого рентгеновского излучения.
Каждый такой модуль (размер 4,04,0 см) содержит 256 отдельных детекторов (размер пикселов 2,52,5 мм). Типичный CZT-модуль с толщиной кристалла 5 мм показан на рис. 1. Встроенная электроника модуля снабжена температурным датчиком, чтобы контролировать тепловыделение, и цифровым интерфейсом для уменьшения помех.
Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2… рис. 2. Внешний вид Rad-Eye1 CMOS-детекторной системы Электрические и механические испытания модулей детектора CZT были проведены в лаборатории для проверки их работоспособности в различных условиях окружающей среды. Детальное описание процедуры испытаний и их результаты даны в [Kotoch et al., 2011]. В полётных образцах детекторов RT-2/CZT установлен нижний порог 20 кэВ (но этот порог может изменяться при помощи УКС).
Детектор CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) является позиционно-чувствительным датчиком нового поколения, который используется для построения изображений в жёстком рентгеновском диапазоне 20…150 кэВ. Он обладает высоким координатным разрешением, и эта уникальная характеристика основана на использовании встроенных фотодиодных сенсоров с пикселами размером 4848 мкм.
Высокоэнергичное рентгеновское излучение преобразуется в световые фотоны с помощью сцинтиллятора Gd2O2S, который находится в оптическом контакте с входным окном фотодиода.
Rad-Eye1 CMOS-детектор размером 2550 мм изготовлен американской фирмой Radicon Imaging Corp. (рис. 2).
Блок формирования изображений Rad-Eye1 CMOS-детектора выдает полностью дифференциальный высокоскоростной видеосигнал, который оцифровывается и преобразуется для передачи на процессорное электронное устройство для дальнейшей обработки.
CMOS работает в температурном диапазоне 0…50 °C с теневым шумовым током 4000 электронов/с при комнатной температуре.
Функционирование электронных узлов блока RT-2/cZT Импульсы напряжения, возникающие в CZT после взаимодействия рентгеновского излучения с кристаллами, подаются на предусилитель 26 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
и усилитель-формирователь. Усиленный сигнал оцифровывается 12-разрядным АЦП. Вся электроника реализована на специализированных ПЛИС, расположенных в модуле детектора. Неуправляемый источник используется для получения напряжения –600 В, необходимого для питания модулей CZT. Все три модуля CZT подключены к шине SPI, которая взаимодействует с ПЛИС. Видеосигнал на выходе CMOS оцифрован и поступает на ПЛИС для соответствующей обработки и построения изображения для каждого пиксела с разрешением по амплитуде в 1 бит. Детали электроники блока RT-2/CZT описаны в [Kotoch et al., 2011].
Так же, как и фосвич-детекторы (RT-2/S и RT-2/G), блок RT-2/CZT получает от блока управления аппаратурой (БУС-ФМ) питание 27+7 B. Это напряжение на низковольтном MDI DC-DCконверторе преобразуется до величин ±15 и +5 B, используемых для питания модулей детектора и электронных компонент. Питание +5 В для CMOS-детектора получается от вывода +15 B MDI. Полная потребляемая мощность блока RT-2/CZT ограничена 7,5±0,5 Вт.
Аналогово-цифровой преобразователь используется для измерения контролируемых служебных параметров, таких как величина напряжения на выходе источника питания +5 В, температура, наличие/ отсутствие высокого напряжения и напряжения питания ПЛИС и CMOS. Управление работой блока RT-2/CZT осуществляется блоком электроники RT-2/E, который посылает команды и получает данные от RT-2/CZT для дальнейшей обработки и передаёт их в ССРНИ.
Характеристики детекторов изображения в диапазоне Кодирующая апертурная маска (САМ) является одинарным коллиматором, который представляет собой массив непрозрачных и прозрачных элементов заданной конфигурации, расположенных в одной плоскости. Маска создает тень от любого источника на небе, и эта тень проецируется на плоскость детектора, который регистрирует некоторую кодированную информацию об источнике.
Различные методики восстановления использовались для выделения источника из проекции тени на плоскость детектора. В блоке RT-2/CZT использовались конфигурации элементов маски с максимально возможной прозрачностью 50 % для двух модулей CZTдетектора. Конфигурация маски для одного из модулей показана на Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2… рис. 3. Конфигурация маски САМ, используемой в модуле CZT.
Методика генерации шаблона обсуждается в [Nandi et al., 2011] рис. 4. Моделированное расположение интерференционных полос Муара рис. 3. Разрешающая способность комбинации CAM-CZT составляет около 21 угл. мин [Kotoch et al., 2011].
Зональная пластина Френеля (FZP) — это система концентрических круговых прозрачных и непрозрачных колец. В методике восстановления по тени используется сдвоенный плоский кодер с двумя зональными пластинами, разнесенными на определенное расстояние.
Для двойных зональных пластин функция передачи, в основном, подобна части преобразования Фурье [Mertz, 1965] из источника в плоскость детектора. Рентгеновские кванты, проходя через кодер FZP, производят тень в плоскости датчика в форме системы полос, известных как система полос Муара. Расстояние между двумя смежными 28 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
полосами в изображении является мерой ориентации лучей, а, следовательно, положения источника на небесной сфере [Desai et al., 1998]. Система полос Муара для некоторого положения источника показана на рис. 4. Используя обратное фурье-преобразование фигуры тени, которая была создана в плоскости детектора, можно перейти к плоскости источника и, измеряя расстояние между полосами в изображении, локализовать его положение на небе. Моделирование всех комбинаций положения источника и его реконструкции САМ и FZP обсуждаются в [Chakrabarti et al., 2009; Nandi et al., 2011].
Разрешающая способность комбинации FZP-CMOS может достигать нескольких угловых секунд для интенсивных источников.
Блок электроники RT-2/E работает в нескольких модах, определяемых как научными задачами, так и возможностями использования бортовой памяти. Программное обеспечение RT-2 позволяет решать такие задачи как обработка данных для различных режимов и форматов, обнаружение вспышек, сжатие данных и т. д. [Sreekumar et al., 2011].
Неблагоприятные условия — ВШИР. В этом режиме высоковольтное напряжение на всех детекторах понижается, для того чтобы предохранить детекторы от перегрузки в областях повышенной радиации (Южно-Атлантическая аномалия, Южная полярная шапка и Северная полярная шапка). В этом режиме каждые 100 с передаются только кадры с заголовком и статусом прибора.
Тестирование. В тестовой моде детектор передает данные только о событиях (солнечные вспышки, гамма-всплески) вместе со служебной информацией каждую секунду. Данные передаются через RT-2/E в ССРНИ без какого-либо сжатия.
Отладка. В этом режиме научная информация (спектральные и временны`е данные) от детектора передается в ССРНИ по мере поступления в RT-2/E. Каждый кадр обрабатывается одну секунду.
Наблюдение спокойного Солнца — SQM. SQM — первичный режим накопления научных данных от детекторов. В этом режиме спектральные данные получаются один раз в 100 с, данные по временно`му поведению — один раз в 1 с для фосвич-детекторов и детекторов CZT. Изображения с CZT и CMOS-детекторов получаются один раз в 100 с.
Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2… Регистрация солнечных вспышек — SFM. Режим используется для получения данных с высоким временны`м и спектральным разрешением о солнечных вспышках, гамма-всплесках и т. п. В этом режиме спектральные данные с фосвич-детекторов накапливаются за 10 с, временно`е поведение интенсивности — за 0,1 с, тогда как накопление данных в CZT и CMOS-детекторах выполняется аналогично режиму SQM.
Работа в тени Земли — «Тень». Этот режим включается, когда спутник находится в тени Земли и Солнце не попадает в поле зрения детекторов. Данные со всех детекторов передаются каждые 100 с.
По запросам от RT-2/E все детекторы каждую секунду отправляют данные в RT-2/E для дальнейшей обработки и упаковки.
Фосвич-детекторы обычно работают в режиме SQM, когда спектральные и временны`е данные накапливаются отдельно и каждую секунду передаются в блок RT-2/E. В этом режиме (первичный рабочий режим детекторов) в общей сложности 3248 слов из пространства памяти в блоке RT-2/E выделяются для данных с детекторов RT-2/S (RT-2/G): спектр NaI — 1024 слова; спектр CsI — 1024 слова; спектр G2 — 256 слов; спектр PSD — 128 слов; синхронизация — 800 слов; счетчик — 16 слов.
Кроме данных с детектора, служебная информация (HK) [Debnath et al., 2011] с детекторов также передается RT-2/E и кодируется с использованием управляемого генератора напряжения (VCO).
Структура данных с CZT и CMOS-детекторов CZT-детекторы также работают в режиме SQM, в котором спектральные, временные данные и изображения накапливаются отдельно и каждую секунду передаются в блок RT-2/E. В этом режиме в общей сложности 5832 слова памяти в RT-2/E выделены для трех модулей CZT-детекторов: изображение — 3072 слова; спектр — 1536 слов; синхронизация — 1200 слов; счетчик — 24 слова.
В CMOS-детекторе все 5121024 пикселов периодически считываются и центральные 512512 пикселов используются для построения конечного изображения. Растровое изображение получается суммированием значений четырех смежных пикселов (22), так что 30 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
конечное изображение имеет размер 256256 пикселов. Отдельно вычисляется сумма всех вертикальных (Vsum) и горизонтальных (Hsum) пикселов. Структура данных с CMOS-детектора следующая:
изображение — 4096 слов; сумма (512 слов): Vsum (256 слов) + Hsum (256 слов).
Восемь специальных слов используются для передачи через служебную телеметрическую систему номера считанной строки CMOS, идентификационного слова, результата калибровки, а также данных о температуре, посланных командах, исполненных командах, номере события. Эта информация записывается в заголовке кадра.
Служебные данные с детекторов также передаются в блок RTE с кодированием информации через аналого-цифровой преобразователь. Методы калибровки индивидуальных пикселов в CZT и в CMOS-детекторах обсуждаются в [Sreekumar et al., 2011].
Данные с детекторов упаковываются в RT-2/E в блоки по 64 слова в зависимости от режима обработки. Перед передачей на Землю данные сжимаются и передаются в ССРНИ в пакетах по 60 слов (59 слов научная информация и одно слово — заголовок пакета).
В SQM-режиме кадр данных с детекторов RT-2/S (RT-2/G) состоит из 57 пакетов. Первый из них — заголовок кадра, который содержит информацию о статусе, режимах работы, об идентификаторе детектора и т. д. В остальных 56 пакетах хранится научная информация со структурой, описанной выше.
Данные с детектора RT-2/CZT состоят из 218 пакетов, первый из которых — заголовок кадра — содержит информацию о статусе, режимах работы и т. д. Остальные 217 пакетов содержат научную информацию с детекторов CMOS и CZT.
Прибор RT-2 на борту КА «КОРОНАС-Фотон» был включён 19 февраля 2009 г. Начиная с этого момента прибор зарегистрировал несколько солнечных вспышек и гамма-всплесков. Ниже будут представлены результаты этих наблюдений и анализ функционирования детекторов.
Все три блока детекторов проектировались таким образом, чтобы предотвратить искажение данных от наблюдаемых процессов фоновым космическим излучением. Это излучение всенаправленное и может вызвать увеличение шумов в детекторах. Авторами было проведено моделирование методом Монте-Карло для оценки как фоновых шумов, так и эффективности защиты детекторов тонкими экранами [Sarkar et al., 2011].
Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2… Для проведения анализа спектров использовались матрицы откликов детекторов RT-2/S и RT-2/G. Спектральные линии ~58,0 кэВ (в кристалле NaI(Tl) из-за распада 121I) и 122 кэВ (в кристалле CsI(Nа) от выносного источника 57Co) используются для калибровки энергетической шкалы.
При работе в указанных режимах (кроме режимов ВШИР и SFM) спектры накапливались каждые 100 с и скорости счёта в восьми каналах (для каждого датчика) набирались каждую секунду. Во вспышечном режиме SFM в фосвич-детекторах данные накапливались в течение 10 с (для спектров) и за 0,1 с (для временны`х данных). Для спектрального анализа генерировались соответствующие матрицы отклика детекторов RT-2/S и RT-2/G.
Полётная настройка обоих фосвич-детекторов была сделана в течение первых двух месяцев после включения прибора. Были подобраны напряжения питания ФЭУ и пороги дискриминаторов нижнего уровня LLD с помощью программных команд. В результате первоначальной настройки установлены энергетические диапазоны спектра NaI (Tl) (RT-2/S) в интервале от 15 до ~100 кэВ (нижний порог в RT-2/G — 25 кэВ) и спектра CsI (Nа) в интервале от 30 до ~1000 кэВ.
Пульсации жёсткого рентгеновского излучения Детекторы RT-2/S и RT-2/G зарегистрировали солнечную вспышку класса C2.7, которая по данным спутниковой системы NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) имеет номер 11024, произошла вблизи центра диска (S27W12) и имела максимум интенсивности в 07:12 UT 5 июля 2009 г. На основании поведения интенсивности излучения в рентгеновском диапазоне было сделано заключение, что это компактная импульсная вспышка. Кривая светимости в рентгеновском диапазоне этой вспышки показана на рис. 5.
Подробный анализ временного профиля показал явное присутствие квазипериодических пульсаций (с периодами 12 и 15 с) и очень высокую достоверность последних на фазе роста [Rao et al., 2010]. Монте-Карло-модель применялась для расчётов эффективной площади и затем, с использованием функции отклика и фонового спектра, измеренного в отсутствие вспышки, были получены спектральные параметры вспышки. Спектр имеет степенной вид и хорошо 32 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
аппроксимируется моделью тормозного излучения с температурой 3,43±0,30 кэВ [Rao et al., 2010]. Установлено, что этот спектр хорошо согласуется со спектром, полученным американским аппаратом RHESSI (Reuven Ramaty High Energy Solar Spectroscopic Imager) для этой вспышки.
Серия солнечных вспышек была зафиксирована прибором RT- в период активности, который имел место на Солнце с 22 октября по 2 ноября 2009 г. Большинство вспышек наблюдалось в области мягкого рентгеновского диапазона (ниже 25 кэВ). Очень слабая вспышка класса B1.0 была зарегистрирована детекторами RT-2 26 октября 2009 г. в 07:52 UT (Tp — время максимума). Вспышка была настолько слаба, что проявилась только в канале 1 детектора RT-2/S, который соответствует энергии измерения менее 20 кэВ. Кривая светимости вспышки с разрешением в 1 с показана на рис. 6.
Более мощная вспышка класса C1.3 также была зарегистрирована 26 октября 2009 г. в 22.48 UT (Tp ) фосвич-детектором. Вспышка наблюдалась только в низкоэнергичном канале RT-2/S. Кривая светимости вспышки в канале с энергией ниже 20 кэВ с разрешением в 1 с показана на рис. 7.
Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2… рис. 6. Кривая светимости солнечной вспышки класса B1. рис. 7. Кривая светимости солнечной вспышки класса C1. Прибор RT-2 как всенаправленный детектор Было проведено расширенное моделирование методом МонтеКарло для определения взаимодействия высокоэнергичного фонового излучения с элементами защиты детектора. Детальный анализ показал, что оба фосвич-детектора (RT-2/S и RT-2/G) могут быть 34 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
использованы как всенаправленные гамма-детекторы с порогом выше 100 кэВ [Sarkar et al., 2011]. В течение 10 мес работы прибор RT- зарегистрировал по крайней мере четыре гамма-всплеска (в энергетическом диапазоне от 15 до ~1000 кэВ), излучение от которых падало на детекторы, в основном, под большим углом (от 45 до 80°) к оси ориентации на Солнце. Результаты приведены в [Рао и др., 2011].
При включении на CZT-модули подается высоковольтное напряжение смещения -600 B. Так как энергетический порог CZT может изменяться командами, то для этапа первоначальной настройки было установлено его значение 30 кэВ.
Полётная калибровка CZT-детекторов была проведена с использованием калибровочного источника 57Co. После анализа переданных данных со всех трёх модулей CZT было установлено, что пик калибровочного источника стабилен для всех точек орбиты спутника.
Пик от 57Co (122 кэВ) хорошо выделяется в фоновых спектрах всех модулей и на рис. 8 показан типичный спектр для детектора CZT- (время набора спектра 100 с).
Полученное при калибровке энергетическое разрешение детектора CZT-2 составляет примерно 5,6 % при 122 кэВ. Были также вычислены разрешения двух других CZT-модулей и получены следующие результаты — 7,32 % для CZT-1 и 5,97 % для CZT-3. Из-за малой площади и более высокого энергетического порога слабые солнечные вспышки не регистрировались RT-2/CZT, и, вследствие хорошей конструкционной защиты, гамма-всплески, находящиеся вне поля зрения детекторов, также не регистрировались. Изменения фонового счета CZT-детекторов в режимах «Свет» и «Тень» показаны на рис. 9. Можно заметить, что в условиях СРШИР детекторы функционировали стабильно. В отличие от фосвич-детекторов в CZT не применялись активные методы защиты и вследствие этого продолжительность СРШИР-области для них значительно меньше по сравнению с фосвич-детекторами.
Тщательные полётные калибровки CMOS были проведены для определения фонового порога. Этот порог оценивался в режиме Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2… рис. 9. Изменения фонового счета в детекторах CZT «Тень» и его величина была установлена для CMOS до начала физических измерений. Первоначальная проверка функционирования CMOS была выполнена с различными фоновыми порогами, которые устанавливались по команде.
36 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
Было подсчитано полное количество событий, записанных CMOS-пикселами. Получено, что при минимальном пороге во всех пикселах изображения присутствуют отсчёты. Для более высоких пороговых значений количество записанных пикселов уменьшается с полного числа до 154. Эти величины являются функцией местоположения спутника, коррелируют с фоновым потоком заряженных частиц и дают возможность калибровать порог CMOS-детектора.
Конечные фоновые CMOS-изображения при различных порогах показаны на рис. 10–12. Горизонтальная линия на рис. 11, 12 является собственной линией CMOS и проходит на уровне 112 и 113 пикселов.
рис. 10. Конечное фоновое CMOS-изображение (низкий порог) Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2… рис. 12. Конечное фоновое CMOS-изображение Все детекторы RT-2 функционировали нормально. Из-за минимума солнечной активности было зарегистрировано только 10 солнечных вспышек, и они оказались слишком слабыми, чтобы их смог зарегистрировать детектор RT-2/CZT (из-за малой площади и более высокого порога). Однако проводятся дополнительные методические исследования, чтобы получить данные по микровспышкам. Фосвичдетекторы, функционировавшие также как всенаправленные детекторы гамма-излучения, зарегистрировали четыре гамма-всплеска.
Хорошее знание спектральной функции отклика детекторов позволило измерить рентгеновские/гамма-спектры излучения одной солнечной вспышки и нескольких гамма-всплесков.
Данная работа была частично профинансирована грантом Индийской организации космических исследований (ISRO). Авторы выражают искреннюю благодарность за поддержку Г. Мэдхэвэну Нэйру (G. Madhavan Nair), исполнительному директору ISRO, одному из инициаторов проекта. Авторы также признательны ряду организаций, внесших существенный вклад в реализацию прибора.
Создание КА, его отработка и проведение экспериментов, включая прием и передачу информации в головные организации по отдельным экспериментам, финансировались Роскосмосом в соответствии с Федеральной космической программой РФ.
38 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
[Котов и др., 2010] Котов Ю. Д., Рао А. Р., Чакрабарти С. К. и др. Функционирование гамма-спектрометра RT-2 комплекса научной аппаратуры космического аппарата «КОРОНАС-ФОТОН» на первых этапах лётных испытаний // Первые этапы лётных испытаний и выполнение программы научных исследований по проекту КОРОНАС-ФОТОН: Тр. рабочего совещания. Россия, Таруса. 22–24 апр. 2009. М.: ИКИ РАН, 2010.
С. 183–195 (Сер. «Механика, управление и информатика»).
[Рао и др., 2011] Рао А. Р., Малкар Д. П., Хингар М. К., Агравал В. К. и др. Эксперимент с прибором RT-2 на борту КА «КОРОНАС-Фотон» // Астрон.
вест. 2011.Т. 45. № 2. С. 128–138.
[Chakrabarti et al., 2009] Chakrabarti S. K., Palit S., Debnath D., Nandi A. et al.
Fresnel Zone Plate Telescope for X-Ray Imaging I: Experiments with a QuasiParallel Beam // Experimental Astronomy. 2009. V. 24. Iss. 1–3. P. 109–126.
[Debnath et al., 2011] Debnath D., Nandi A., Rao A.P, Malkar J. P. et al. Instruments of RT-2 Experiments Onboard CORONAS-Photon and their Test and Evaluation I: RT-2/S and RT-2/G Payloads // Experimental Astronomy. 2011.
V. 29. Iss. 1–2. P. 1–25.
[Desai et al., 1998] Desai U., Orwig L. E., Piquet L., Gaither C. C. X-ray Telescope for Small Satellites // Proc. SPIE. 1998. V. 3442. Р. 94. Missions to the Sun II / Ed. Clarence M. Korendyke.
[Kotoch et al., 2011] Kotoch T., Nandi A., Rao A. P, Malkar J. P. et al. Instruments of RT-2 Experiments Onboard CORONAS-Photon and their Test and Evaluation II:
RT-2/CZT Payloads // Experimental Astronomy. 2011. V. 29. Iss. 1–2. P. 27–54.
[Kotov et al., 2008] Kotov Y., Kochemasov A., Kuzin S., Kuznetsov V. et al. Set of Instruments for Solar EUV and Soft X-Ray Monitoring Onboard Satellite CORONAS-Photon // Proc. of the 37th COSPAR Scientific Assembly. 2008.
Montral, Canada. Р. 1596.
[Mertz, 1965] Mertz L. Transformation in Optics. N. Y.: Wiley, 1965. 116 p.
[Nandi et al., 2009] Nandi A., Rao A. R., Chakrabarti S. K., Malkar J. P. et al. Indian Payloads (RT-2 Experiment) Onboard CORONAS-Photon Mission // Proc. Intern. Conf. on Space Technology. Greece / Eds. G. Lampropoulos, M. Petrou. 2009. P. 4.
[Nandi et al., 2011] Nandi A., Palit S., Debnath D., Chakrabarti S. et al. Instruments of RT-2 Experiments Onboard CORONAS-Photon and their Test and Evaluation III: Coded Aperture Mask and Fresnel Zone Plates in RT-2/CZT Payloads // Experimental Astronomy. 2011. V. 29. Iss. 1–2. P. 55–84.
[Sarkar et al., 2011] Sarkar R., Mandal S., Debnath D., Kotoch T. et al. Instruments of RT-2 Experiments Onboard CORONAS-Photon and their Test and Evaluation IV: Background Simulations using GEANT-4 Toolkit // Experimental Astronomy. 2011. V. 29. Iss. 1–2. P. 85–107.
[Sreekumar et al., 2011] Sreekumar S., Vinod P., Samuel E., Malkar J. P. et al. Instruments of RT-2 Experiments Onboard CORONAS-Photon and their Test Функционирование телескопа-спектрометра низкоэнергичного гамма-излучения RT-2… and Evaluation V: Onboard Software, Data Structure, Telemetry and Telecommand // Experimental Astronomy. 2011. V. 29. Iss. 1–2. P. 109–133.
[Rao et al., 2010] Rao A. R., Malkar J. P., Hingar M. K., Agrawal V. K. et al. RT- Detection of Quasi-Periodic Pulsations in the 2009 July 5 Solar Hard X-ray Flare // Astrophysical J. 2010. V. 714. N. 2. P. 1142–1148.
RT-2 peRfoRmance onboaRd The coRonaSphoTon SaTelliTe. ReSulTS of expeRimenT S. K. chakrabarti 2, a. nandi 3, d. debnath 3, T. b. Kotoch 3, R. Sarkar 3, T. R. chidambaram 4, p. Vinod 4, S. Sreekumar 4, Yu. d. Kotov 5, a. S. buslov 5, V. n. Yurov 5, V. g. Tyshkevich 5, Tata Institute of Fundamental Research (TIFR), Mumbai, India S. N. Bose National Centre for Basic Sciences, Kolkata, India Vikram Sarabhai Space Center, Thiruvananthapuram, India The RT-2 Experiment onboard the CORONASPhoton satellite is designed to study the spectral, temporal, and spatial details of solar hard X-ray flares in the 15…150 keV range. Above this energy (and up to 1000 keV), it also acts as an omni-directional gamma-ray detector with a capability to study gamma-ray bursts (GRB), bright solar flares, and X-ray pulsars. With an ensemble of hard X-ray detectors with different fields of view and coding devices, it also has the capability to investigate the spectrum of Cosmic Diffuse X-ray Background. The performance of the detectors from 2009 February to November is described in this paper. Results obtained on a few GRBs and solar flares are also briefly discussed.
Keywords: space experiment, CORONAS-Photon, solar flares, X-ray and gamma-ray bursts, gamma-ray spectrometer, CZT-detector, phoswich detector, coded aperture mask, Fresnel zone plate, CMOS-detector.
Rao arikkala Raghurama — professor, e-mail: [email protected].
malkar Jaywant pandurang — project engineer.
hingar mahendra Kumar — manager, e-mail: [email protected].
agrawal Vivek Kumar — PhD in physics.
chakrabarti Sandip Kumar — professor.
nandi anuj — PhD in physics, e-mail: [email protected]/in.
debnath dipak — PhD in physics.
40 А. Р. Рао, Д. П. Малкар, М. К. Хингар, В. К. Агравал, С. К. Чакрабарти, А. Нанди, Д. Дебнатх и др.
Kotoch Tilak b. — PhD student.
Sarkar Ritabrata — PhD in physics.
chidambaram Thirunavukkarasu R. — deputy director.
Vinod padmanabha — division head.
Sreekumar Sankarattil — PhD in physics.
Kotov Yury dmitrievich — director, PhD in physics, e-mail: [email protected].
buslov anton Sergeevich — engineer, e-mail: [email protected].
Yurov Vitaly nikolaevich — deputy director, PhD in physics, e-mail: VNYurov@ mephi.ru.
Tyshkevich Vladimir georgievich — senior lecturer, e-mail: [email protected].
arkhangelskiy andrey igorevich — scientist, e-mail: [email protected].
Zyatkov Roman aleksandrovich — engineer, e-mail: [email protected].
УДК 520.6.05, 523.9-739, 523.9- эКСПеримент теСиС КоСмичеСКого л. а. гончаров 1, а. В. митрофанов 1, С. г. Попова 1, Учреждение Российской академии наук Физический институт Государственный астрономический институт Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур РАН (ИФМ РАН), Нижний Новгород В январе 2009 г. произведен успешный запуск спутника «КОРОНАС-Фотон». В состав научной аппаратуры спутника входил комплекс телескопов и спектрогелиографов ТЕСИС.
Аппаратура ТЕСИС предназначена для получения изображений короны Солнца в мягкой рентгеновской и вакуумной ультрафиолетовой областях спектра с высоким пространственным, спектральным и временным разрешением на высотах от переходного слоя до трех солнечных радиусов. Приводится описание основных характеристик аппаратуры, даются основные результаты наблюдений.
Кузин Сергей Вадимович — заведующий лабораторией, доктор физико-математических наук, e-mail: [email protected].
житник игорь александрович — главный научный сотрудник, доктор физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Шестов Сергей Викторович — младший научный сотрудник, e-mail: sshestov@ dgap.mipt.ru.
богачев Сергей александрович — ведущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук, e-mail: [email protected].
бугаенко олег илларионович — ведущий конструктор, e-mail: bugaenko@sci.
lebedev.ru.
игнатьев александр Петрович — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Перцов андрей александрович — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
ульянов артем Сергеевич — студент, e-mail: [email protected].
рева антон александрович — студент, e-mail: [email protected].
42 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.
Работа выполнена при частичной поддержке РФФИ (проекты № 08-02-01301-а и 08-02-13633-офи_ц), Программы фундаментальных исследований Президиума РАН (№ 16, часть 3), Программы фундаментальных исследований Отделения физических наук РАН «Плазменные процессы в Солнечной системе», гранта № 218816 (проект SOTERIA, www.
soteria.eu) седьмой рамочной программы Европейского Союза (FP07/2007-2013).
Ключевые слова: корона Солнца, вакуумный ультрафиолет, мягкий рентген, коротковолновое излучение солнечной короны, космические телескопы.
Исследование солнечной короны является актуальной задачей физики Солнца и астрофизики в целом. Многие фундаментальные вопросы, такие как механизм солнечных вспышек, физика нагрева короны, происхождение корональных выбросов массы, до сих пор остаются без ответа. Регистрируемые в короне проявления солнечной активности влияют на состояние межпланетной среды, на внешнюю ионосферу и магнитосферу Земли, т. е. обуславливают космическую погоду. Поэтому исследования солнечной короны и проявлений солнечной активности имеют не только фундаментальное, но и прикладное значение.
Слемзин Владимир алексеевич — главный научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Суходрев нина Кузьминична — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
иванов Юрий Сергеевич — ведущий конструктор, e-mail: [email protected].
гончаров александр леонидович — инженер первой категории.
митрофанов александр Викторович — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Попова Светлана геннадиевна — инженер второй категории, e-mail: pgss@ mail.ru.
Шергина татьяна алексеевна — техник первой категории.
Соловьев Владимир алексеевич — ведущий электроник.
опарин Сергей николаевич — научный сотрудник, e-mail: [email protected].
зыков михаил Сергеевич — аспирант, e-mail: [email protected].
лучин Валерий иванович — старший научный сотрудник, кандидат физикоматематических наук.
Полковников Владимир николаевич — младший научный сотрудник, e-mail:
Салащенко николай николаевич — заведующий отделом, доктор физико-математических наук, член — корреспондент РАН, e-mail: [email protected].
цыбин николай николаевич — младший научный сотрудник, e-mail: tsybinl@ mail.ru.
Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»
В начале 1990-х гг. в России была начата программа солнечных исследований КОРОНАС (Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца). В ходе этой программы планировалось вывести на орбиту три спутника, предназначенных для проведения исследований солнечной активности, регистрации излучения в различных спектральных диапазонах, ускоренных вспышечных частиц, проведения мониторинга межпланетной среды.
Спутник «КОРОНАС-И» [Собельман и др., 1996], первый спутник этой программы, был запущен летом 1994 г. и проработал на орбите несколько месяцев. Второй спутник, «КОРОНАС-Ф», был запущен летом 2001 г. [Ораевский, Собельман, 2002] и успешно работал до конца 2005 г.
Третий спутник программы КОРОНАС — «КОРОНАС-Фотон» — был выведен на орбиту Земли 30 января 2009 г. [Kotov, 2004].
На борту космического аппарата находились 12 приборов, предназначенных для исследования различных проявлений активности Солнца в широком спектральном и энергетическом диапазоне. Научное руководство проектом КОРОНАС-ФОТОН осуществлялось Институтом астрофизики (ИАФ) «Национального исследовательского ядерного университета «МИФИ» (НИЯУ МИФИ).
Для спутника «КОРОНАС-Фотон» в ФИАН был разработан новый комплекс космических телескопов и спектрометров ТЕСИС. Основная цель эксперимента ТЕСИС — исследование короны Солнца в широком диапазоне высот и температур. В аппаратуре реализовывался апробированный ранее на предыдущих спутниках серии «КОРОНАС» метод изображающей спектроскопии Солнца. Этот метод заключается в регистрации изображений полного диска с высоким пространственным, спектральным и временны`м разрешением в коротковолновой области спектра — мягком рентгеновском (МР) и вакуумном ультрафиолетовом (ВУФ) диапазонах длин волн.
Принципиальным в методе изображающей спектроскопии является регистрация изображений в узких спектральных интервалах, в идеале — отдельных монохроматических линиях, что позволяет определять параметры плазмы (температуру, плотность, обилия элементов и др.) солнечной короны с высокой точностью, характерной для спектральных методов исследования.
Среди задач эксперимента ТЕСИС — исследование механизмов накопления и высвобождения энергии в атмосфере Солнца, изучение активных солнечных процессов (вспышек и выбросов массы), 44 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.
диагностика физических условий в корональной и вспышечной плазме. Комплекс приборов ТЕСИС имел высокое пространственное (до 1,7 угл. с) и временно`е (до 1 с) разрешение, позволял проводить наблюдения как в нижней атмосфере Солнца, так и на больших расстояниях от его поверхности (до трех радиусов), а также исследовать плазму в широком спектральном диапазоне с высоким разрешением (до 0,01 ).
Научная аппаратура ТЕСИС включала шесть независимых каналов регистрации — телескопы ВУФ-диапазона, спектрогелиографы МР- и ВУФ-диапазонов и спектрометр-фотометр «Сфинкс» рентгеновского диапазона [Sylwester et al., 2008]. Основные характеристики каналов регистрации ТЕСИС приведены в таблице.
Конструктивно аппаратура ТЕСИС состояла из трех блоков:
блока датчиков (БД), блока электроники (БЭ) и блока оптических датчиков (ОД). Блок датчиков (рис. 1) являлся основным блоком, содержащим научную аппаратуру для регистрации солнечных изображений и спектров.
Канал ции/длина «Сфинкс» Твердотельный Si-спектрометр, 0,5…15 кэВ 46 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.
Блок электроники содержал центральный процессор, оперативную память и электронные интерфейсы для подключения БД и ОД, а также связи со служебными системами спутника. Блок оптических датчиков представлял собой два соосных противонаправленных телескопа с осью визирования, перпендикулярной оси на Солнце, и служил для определения текущей ориентации аппаратуры ТЕСИС и спутника «КОРОНАС-Фотон».
Регистрация изображений солнечной короны в коротковолновой области спектра требовала, с одной стороны, применения высокоэффективной питающей оптики и чувствительных детекторов изображений, с другой — высокую степень блокировки мощного солнечного излучения видимого диапазона. В качестве фокусирующих элементов в аппаратуре ТЕСИС использовались многослойные зеркала нормального падения (на диапазоны вблизи 132, 171 и 304 ) и кристаллическое фокусирующее зеркало нормального падения (на диапазон 8,42 ). Детекторы изображений аппаратуры ТЕСИС выполнены на основе backside ПЗС-матриц, форматом 20482048 пикселов. Блокировка излучения видимого диапазона осуществлялась двойной системой фильтрации на основе многослойных тонкопленочных фильтров.
Многослойные зеркала ВУФ-диапазона были изготовлены методом магнетронного напыления в Институте физики микроструктур РАН (ИФМ РАН) (Нижний Новгород). Для этого были разработаны технологии многослойных покрытий, обеспечивающих требуемые характеристики по пиковому коэффициенту отражения и спектральной селективности. Покрытие для диапазона вблизи было выполнено на основе многослойной Mo/Si-структуры, измерение характеристик которой дало следующие результаты: R 64 %, / 26. Покрытие для диапазона вблизи 171 представляло собой многослойную Al/Zr-структуру, пиковый коэффициент отражения и спектральная селективность которой составили R 56 % и / 28, соответственно.
Для диапазона вблизи 304 изготовлены как широкополосные зеркала на основе Mo/Si-структур ( / 10), так и узкополосные зеркала на основе структуры Si/Cr/Mg/B4C, для которой измеренные характеристики пикового коэффициента отражения и спектральной селективности составили R 30 % и / 30, соответственно.
Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»
Точные спектральные характеристики полученных покрытий необходимы для проведения спектроскопической диагностики плазмы солнечной короны по наблюдениям телескопов. Измерение этих параметров было проведено в ФИАН [Вишняков и др., 2009]. Измеренные спектральные характеристики зеркал приведены на рис. 2.
В двух телескопических каналах ТЕСИС многослойная структура использовалась для придания зеркалам асферической формы.
Для этого на поверхность подложки зеркала методом магнетронного напыления нанесено многослойное покрытие Cr/Sc с заданным распределением толщины по апертуре [Зуев и др., 2008б].
Для формирования изображений на длине волны = 8,42 в аппаратуре ТЕСИС использовалось кристаллическое фокусирующее зеркало прямоугольной формы 80100 мм, представляющее собой тонкую (толщиной 0,4 мм) пластину из кристаллического кварца, закрепленную методом оптического контакта на сферической подложке с радиусом кривизны 2700 мм. Пластина кристаллического кварца изготовлена таким образом, что ее рабочая кристаллографическая плоскость [10.0] с 2d = 8,501 параллельна геометрической поверхности кристалла с высокой точностью (локальное расхождение ~5 угл.с). Подложка зеркала и рабочий кристалл были изготовлены в ФИАН, нанесение кристалла на подложку выполнено в Институте физики микроструктур РАН (ИФМ РАН).
Эффективность отражения зеркала на рабочей длине волны была измерена на синхротронном источнике в Пекине (Китай) [Кузин и др., 2009]. Пиковый коэффициент отражения составил 10 %, эффективная площадь зеркала — 2,5 см2.
Детекторы изображений аппаратуры ТЕСИС изготовлены на основе backside ПЗС-матриц форматом 20482048 пикселов. Использовались ПЗС-матрицы CCD42-40 производства фирмы e2v (Англия). Размер одного пиксела ПЗС-матриц составляет 13,5 мкм, размер рабочей поверхности 27,527,5 мм. Детекторы, оснащенные 14-битным АЦП, работали в малокадровом режиме. Время накопления изображения (задавалось с Земли) варьировалось от 0,1 до 600 с.
Время считывания изображений определялось скоростью считывания первого пиксела (~2 мкс) и размером считываемого изображения (для «полных» изображений форматом 20482048 пикселов оно составляет ~8 с). Предусматривался режим считывания только части кадра, при котором время считывания уменьшалось пропорционально используемой площади ПЗС.
Детекторы изображений аппаратуры ТЕСИС оснащены однокаскадными пельтье-холодильниками. Отвод тепла от детекторов осуществлялся на радиаторы, практически не освещаемые Солнцем.
рис. 2. Спектральные характеристики зеркал телескопов аппаратуры ТЕСИС вблизи рабочих длин волн. Указаны наиболее сильные спектральные линии диапазонов Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»
Измерения абсолютной чувствительности детекторов на рабочих длинах волн были необходимы для точной физической интерпретации регистрируемых изображений и спектров. Такие измерения для длины волны = 8,42 были проведены на синхротронном источнике в Пекине (Китай) [Кузин и др., 2009] и для ВУФ-диапазона 132…304 — на синхротронном источнике в Хэфэйе (Китай) [Кузин и др., 2008]. Чувствительность для длины волны = 8, составила 31 ед.АЦП/фотон, для ВУФ-диапазона — от 0,01 до 0,1 ед. АЦП/фотон.
В аппаратуре ТЕСИС блокировка мощного видимого света осуществлялась системой входных фильтров и фильтров детекторов. Входные фильтры представляли собой многослойные структуры (Al для диапазонов вблизи 171 и 304 и Zr/Si для 132, соответственно), нанесенные на поддерживающие сетки. Фильтры детекторов были нанесены непосредственно на рабочие поверхности ПЗС-матриц. Все многослойные фильтры были изготовлены в ИФМ РАН [Зуев и др., 2008а].
Входной фильтр канала на длину волны 8,42, представляющий собой алюминированный лавсан толщиной 3,8 мкм, был изготовлен в ФИАН.
Измерение спектральных характеристик фильтров в рабочих диапазонах длин волн проводилось на синхротронном источнике в Хэфэйе (Китай) и в ИФМ РАН [Кузин и др., 2009]. Степень блокировки видимого света, измеренная в ФИАН, составила ~106.
назначение и уСтройСтВо аППаратуры теСиС Телескопы высокого разрешения были предназначены для регистрации изображений солнечной короны в отдельных интервалах ВУФ-диапазона спектра. Спектральные диапазоны подобраны специально для наблюдения структур солнечной атмосферы в широком интервале температур: от переходного слоя (50 тыс. K, линия He II 304 ) до «спокойной» короны (~1 млн K, линия Fe IX 171 ) и горячей вспышечной плазмы (10…20 млн K, линии Fe XX, XXI, XXIII 132 ).
В аппаратуре ТЕСИС использовались два независимых канала:
первый на длины волн 132 и 171, второй — 171 и 304. В первом канале изображение формировалось одновременно в двух участках спектра, во втором канале выбор спектрального участка осуществлялся поворотом дополнительной диафрагмы.
Оба телескопа построены по оптической схеме Гершеля, с внеосевыми асферическими зеркалами большой апертуры. Асферизация 50 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.
зеркал выполнена нанесением на сферические подложки многослойного покрытия с заданным профилем. Сверху на асферизующие покрытия нанесены многослойные покрытия, селективно отражающие падающее на них излучение в отдельных интервалах ВУФ-диапазона. Принципиальная схема телескопических каналов аппаратуры ТЕСИС приведена на рис. 3.
Первый канал телескопа с диапазонами 132 и 171 был предназначен, в основном, для изучения мелкомасштабной структуры и динамики горячей вспышечной плазмы (10…20 млн K) по изображениям в линиях железа Fe XX, XXI, XXIII вблизи 132.
Поскольку такая плазма присутствует не на всем диске Солнца, а только в отдельных компактных областях [Zhitnik et al., 2003], то для определения ее положения на солнечном диске использовалось изображение «спокойной» короны, полученное в линиях холодного железа Fe IX вблизи 171.
Второй канал телескопа был предназначен для наблюдения мелкомасштабной структуры и динамики «спокойной» короны (линия Fe IX 171 ) и переходного слоя (линия He II 304 ).
Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»
рис. 4. Оптическая схема телескопа-коронографа В телескопах использовались зеркала нормального падения с апертурой D = 100 мм, внеосевой вынос зеркал составлял h = 110 мм, фокусное расстояние телескопов — F = 1630 мм. Угловой размер одного пиксела составлял ~1,707 угл. с.
Телескоп-коронограф широкого поля зрения был предназначен для наблюдения дальней короны Солнца в ВУФ-диапазоне. Телескоп построен по оптической схеме Ричи – Кретьена (рис. 4), с двумя асферческими многослойными зеркалами и детектором изображений на основе backside ПЗС-матрицы. Телескоп имеет поле зрения 2°, первичное зеркало диаметром DP = 80/20 мм (внешний/внутренний диаметр), вторичное зеркало диаметром DS = 40 мм, расстояние между вершинами зеркал l = 225 мм, рабочий отрезок = 30 мм (вынос плоскости детектора от первичного зеркала). При такой оптической схеме эффективное фокусное расстояние составляет F = 600 мм, угловой размер одного пиксела равняется 4,6 угл. с.
Рабочий спектральный диапазон телескопа вблизи 304 определялся используемыми многослойными зеркалами с покрытием на основе Mo/Si-структуры. В отличие от телескопов высокого разрешения аппаратуры ТЕСИС, в этом канале асферизация зеркал обеспечивалась формой подложки. На ПЗС-матрицу после Al-фильтра был нанесен дополнительно Sc-фильтр для блокировки относительно мощного излучения солнечного диска в линии He II 304.
Спектрогелиограф mg xii был предназначен для регистрации монохроматических изображений солнечной короны в спектральной линии водородоподобного иона Mg XII = 8,42. Излучение этой линии происходит в достаточно горячей (даже по солнечным меркам) плазме с T > 5 млн K. Таким образом, монохроматические 52 С. В. Кузин, И. А. Житник, С. В. Шестов, С. А. Богачев, О. И. Бугаенко, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов и др.
изображения позволяют напрямую наблюдать морфологию и динамику горячей плазмы, без введения каких-либо дополнительных предположений об ее локализации и структуре.
Спектрогелиограф Mg XII аппаратуры ТЕСИС является улучшенным аналогом рентгеновского спектрогелиографа спутника «КОРОНАС-Ф», данные которого успешно использовались для исследования вспышечных процессов [Zhitnik et al., 2003; Урнов и др., 2007; Шестов и др., 2010].
Принципиальная оптическая схема спектрогелиографа Mg XII приведена на рис. 5. Входящее излучение проходит предфильтр и попадает на сферически изогнутое кристаллическое зеркало. Падающее излучение дифрагирует на зеркале по закону Брега – Вульфа и фокусируется на детекторе. Детектором изображений служит ПЗС-матрица с обратной засветкой. Радиус кривизны зеркала составляет Rз = 2710 мм, рабочая длина волны = 8,42, удвоенное межплоскостное расстояние кристаллического зеркала, 2d, равно 8,501. Угол падения в такой схеме составляет 8,2°, при этом угловой размер одного пиксела составляет 2,1 угл. с.
По условию дифракции Брега – Вульфа, отражение параллельного пучка происходит не на всей поверхности зеркала, а на отдельной полосе, положение и размер которой определяются углом падения пучка и его спектральным составом. Сферическая аберрация, присущая такой схеме, приводит к тому, что фокусировка линий дублета Mg XII = 8,419 и = 8,426 происходит в разных точках, что дает возможность разрешать дублет и измерять характеристики отдельных его компонент.
Эксперимент ТЕСИС космического аппарата «КОРОНАС-Фотон»
Спектрогелиограф ВУФ-диапазона был предназначен для регистрации серии монохроматических изображений Солнца в спектральных линиях диапазона 280…330. Особенностью этого спектрогелиографа является сочетание в одном приборе спектроскопических и изображающих свойств, что позволило проводить высокоточную диагностику плазмы отдельных компактных структур солнечной короны.
«