ИАФ НИЯУ МИФИ
Новости Института
Об Институте
Проекты
Коллектив института
 "КОРОНАС-ФОТОН" 
Приборы комплекса научной аппаратуры "ФОТОН"
Многоканальный монитор ультрафиолетового излучения ФОКА
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ), Россия
Мониторинг вакуумного ультрафиолетового излучения Солнца и верхних слоев атмосферы Земли
Научный руководитель: Ю.Д. Котов.
Разработчики: А.В. Кочемасов, А.С. Гляненко, В.Н. Юров, А.И. Архангельский.
Научные задачи эксперимента:
- изучение маханизмов возникновения и развития солнечных вспышек и вариаций солнечного излучения;
- изучения состояния верхних слоёв атмосферы Земли.
Цели эксперимента:
- мониторинг жёсткого ультрафиолетового (EUV) и мягкого рентгеновского (XUV) излучения Солнца в диапазонах длин волн (0,5–11) нм, (0,5–7) нм, (27–37) нм и в эмиссионной линии атома водорода Ly-α 121,6 нм;
- определение корреляции между потоками излучения в XUV/EUV диапазоне и потоками излученимя в других эгнергетических диапазонах;
- оккультационные измерения поглощения регистрируемого прибором излучения Солнца в слоях атмосферы Земли с высотами от 100 до 500 км.
Основные характеристики и состав прибора
Диапазон жесткого ультрафиолетового (EUV от англ. Extreme UltraViolet) и мягкого рентгеновского (XUV от англ. X-ray - UltraViolet) излучения Солнца является очень интересным и одновременно чрезвычайно сложным для изучения. Несмотря на то, что доля энергии, излучаемая нашим светилом в этих диапазонах, составляет всего порядка 0,001%, это излучение несет в себе ценнейшую информацию о солнечной хромосфере и короне и о процессах, происходящих во время солнечных вспышек. Кроме того, это излучение полностью поглощается атмосферной Земли на высотах выше 100 км при этом происходит нагрев и ионизация входящих в ее состав газов. Солнечное EUV/XUV излучение во многом определяет параметры верхней атмосферы (ионосферы) Земли: температуру, плотность и др. Повышение интенсивности данного коротковолнового излучения Солнца, которое может достигать сотен раз, возмущает ионосферу, что приводит к повышению торможения низкоорбитальных космических аппаратов, может вызывать проблемы с радиосвязью и спутниковой навигацией. С учетом вышесказанного постоянный мониторинг данного излучения необходим для служб, отслеживающих ситуацию в околоземном пространстве, т.н. космическую погоду. Полное поглощение солнечного жесткого ультрафиолетового и рентгеновского излучения в земной атмосфере позволяет проводить измерения только с борта космического аппарата.
В 90-х годах 20-го века произошел прорыв в области технологий для работы с излучением в данной области. Новые высокочувствительные радиационностойкие детекторы и рентгеновская оптика нашли применение во множестве спутниковых экспериментов направленных на изучение Солнца. Наряду со сложными солнечными спектрометрами и телескопами сегодня достаточно широко используются сравнительно простые приборы- фильтровые радиометры, в которых в качестве детекторов используются чувствительные к излучению элементы (как правило фотодиоды) с расположенными перед ними фильтрами. Хотя они не способны строить ни детальные спектры, ни изображения Солнца, ряд особенностей позволяет им оставаться востребованными. Помимо относительной простоты и дешевизны аппаратуры к этим особенностям относятся высокое временное разрешение (менее 1 с), возможность работы в сложном для спектрометров диапазоне около 1-10 нм, абсолютная предполётная калибровка детекторов. Кроме того, для задач физики верхней атмосферы Земли, на которую сильно воздействует EUV/XUV излучение, построение изображения Солнца не требуется, необходимо знать только плотность потока излучения.
Прибор ФОКА представляет собой типичный фильтровый радиометр EUV/XUV диапазона, откалиброванный на Земле в абсолютных единицах. ФОКА имеет семь каналов регистрации, которые разбиты на две группы. Каналы основной группы постоянно открыты, в то время как идентичные им калибровочные каналы открываются приблизительно один раз в две недели для проведения полётной калибровки. Полученные прибором данные предназначены как для изучения процессов на Солнце, так и для изучения верхней атмосферы Земли.
Прибор ФОКА состоит из блока детекторов ФОКА-ДМ, который располагается на ориентированной на Солнце платформе научной аппаратуры спутника, и двух модулей электроники в составе блока электроники, располагающегося в гермоотсеке. Блок детекторов имеет 7 каналов регистрации излучения. В качестве детекторов в приборе ФОКА используются кремниевые фотодиоды серии AXUV, специально разработанные для работы в EUV/XUV диапазоне. Они имеют высокую чувствительность в рабочем диапазоне и достаточно высокую радиационную стойкость, благодаря чему нашли широкое применение на синхротронных источниках, в метрологии и в космических экспериментах. Фотодиоды работают в паре с фильтрами, которые формируют спектральный диапазон чувствительности и обеспечивают подавление интенсивного видимого света Солнца на 7-8 порядков.

Канал прибора Фильтр/номинальная толщина, нм Диапазон чувствительности, нм Комментарий
Основные каналы
1 (Optic) Нет <1100 Технологический
оптический канал
3 (Ly-α) Интерференционные фильтры 116-125 Регистрирует излучение
в линии Ly-α водорода
6 (Cr/Al) Cr/Al_100/200 (0,5-7) & (27-37) Напылённый фильтр
на фотодиод
7 (Ti/Pd) Ti/Pd_200/100 0,5-11 -//-
Калибровочные каналы
2 (Ly-α cal.) Интерференционные
фильтры
116-125 Регистрирует излучение
в линии Ly-α водорода
5 (Cr/Al cal.) Cr/Al_100/200 (0,5-7)&(27-37) Напылённый фильтр
на фотодиод
4 (Ti/Pd cal.) Ti/Pd_200/100 0,5-11 -//-
Оптический канал 1 является вспомогательным, он не калиброван и у него отсутствует дублёр в калибровочной группе. Канал 6 (и соответственно идентичный ему 5) имеет две области чувствительности: (0,5-7) нм и (27-37) нм, которые дают приблизительно равный вклад в сигнал. Для каналов 6, 7, 5 и 4 фильтры представляют собой напылённые на поверхность фотодиодов тонкие металлические слои толщиной ~300 нм. В каналах Лайман-альфа перед фотодиодами последовательно установлены два интеренференционных фильтра. Каналы прибора снабжены коллиматорами, ограничивающими поле зрения до 3°.
Детекторы прибора ФОКА были откалиброваны перед полётом на синхротронных источниках во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений (ВНИИОФИ) и в национальном метрологическом институте Германии (PTB). Погрешность проведённой калибровки не хуже 10%.
Электроника каналов прибора имеет большой запас по динамическому диапазону, которого должно хватить для работы во время самых больших солнечных вспышек класса X без достижения порога насыщения. Время набора данных составляет 0,4 с, но при необходимости может быть уменьшено по команде с Земли до 0,1 с.
Одна из главных проблем фильтровых радиометров связана с фоновыми засветками. Интенсивное длинноволновое излучение Солнца (прежде всего видимый свет, а также ближний УФ, и ближний ИК) создает фоновую засветку каналов, вклад которой сопоставим по величине с полезным сигналом. Для учета уровня фоновой засветки прибор ФОКА оснащен вращающимся колесом с фильтрами из плавленого кварцевого стекла, пропускающего порядка 93% длинноволнового излучения и полностью поглощающего излучение EUV/XUV диапазона. В положении колеса с надвинутыми стеклами прибор измеряет уровень фоновой засветки. Учитывая высокую стабильность потока солнечного излучения в длинноволновой области спектра, фоновый сигнал не зависит от активности Солнца и остается практически неизменным. Также колесо позволяет открывать и закрывать основные и калибровочные каналы по командам с Земли для определения стабильности основных детекторов прибора. Вращение колеса осуществляется шаговым двигателем.
Для защиты оптических поврехностей от загрязнений на Земле и в первые дни после вывода на орбиту блок детекторов снабжен защитной крышкой однократного срабатывания.
Основные элементы блока ФОКА-ДМ Общий вид блока ФОКА-ДМ
Масса блока детекторов  3,4 кг. Габаритные размеры блока детекторов с открытой крышкой: 318x323x191 мм. Полная потребляемая прибором мощность <18 Вт.
Управление колесом кварцевых фильтров, сбор данных прибора, их упаковку и пересылку в систему ССРНИ осуществляет контроллер КС-МПМ, располагающийся в блоке детекторов в гермоотсеке космического аппарата. Контроллер данного типа используется также в других приборах спутника "КОРОНАС-ФОТОН": "Наталья-2МЙ", БРМ, "ПИНГВИН-М".
Историческая справка
Изначально эксперимент ФОКА задумывался как совместный российско-немецкий проект. Со стороны Германии участвовали Астрофизический институт Потсдама (AIP) и Физико-технический институт им. Фраунгофера (IPM), со стороны России - Московский инженерно-физический институт (МИФИ). Предполагалось, что поставку фотодиодов, детекторной электроники, а также калибровку фотодиодов возьмет на себя немецкая сторона. Изготовление всей механики, а также блока электроники, осуществляющего взаимодействие прибора со спутником, окончательная сборка и испытания прибора возлагались на российскую сторону. К сожалению, из-за неопределенности по срокам запуска в 1997 г. работа в Германии по данному проекту была свернута, а в России из-за хронического недофинансирования практически остановлена. С 2001 г. создание прибора активизировалось в России собственными силами с учётом имеющегося к тому времени мирового опыта по созданию и эксплуатации похожих космических приборов (XPS/SNOE, SXP/TIMED, SXP/SORCE и др.). При этом прибор был значительно модернизирован. В конструкцию блока детекторов прибора был добавлен механизм поворотного колеса с кварцевыми фильтрами, применён новый контроллер прибора КС-МПМ (универсальный для всех приборов МИФИ) и произведён ряд других менее значимых доработок. В соответствии с принятой в России системой создания космической аппаратуры было создано 4 образца прибора: технологический образец (ТО), образец для конструкторско-доводочных испытаний (КДИ), лётный (ЛО) и запасной (ЗИП) образец. Технологический образец был создан по документации, разработанной до модернизации прибора, и поэтому отличается от лётного.
Научная программа и задачи проекта "КОРОНАС-ФОТОН"
Основные характеристики КА "КОРОНАС-ФОТОН"
Приборы комплекса научной аппаратуры "ФОТОН"
Результаты измерений, выполненных приборами КА "КОРОНАС-ФОТОН"
© ИАФ НИЯУ МИФИ
2002-2011 г.
© Оформление - de Vladi