Ученые из Новосибирска и Москвы впервые измерили эффект просветления оптики вуф-диапазона

Специалисты центра коллективного пользования "Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения" Института ядерной физики имени Г. И. Будкера СО РАН совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН провели тестирование приемника электромагнитного излучения, который, как ожидается, будет использован при разработке регистрирующих элементов будущих космических обсерваторий. В эксперименте ученым впервые удалось напрямую наблюдать работу просветляющего покрытия для аппаратуры, работающей в диапазоне вакуумного ультрафиолета. Данная технология увеличивает чувствительность матрицы приемника электромагнитного излучения почти в полтора раза.

Основная задача современных обсерваторий космического базирования - проведение астрофизические исследований с помощью космических телескопов, работающих в коротковолновой области ультрафиолетового спектра, недоступной для наземных инструментов.

Ультрафиолетовая астрономия изучает различные космические объекты, наблюдая их в диапазоне длин волн, который находится между видимым и рентгеновским (от 10 до 310 нанометров).

В этом участке электромагнитного спектра космический шум минимален, а количество физической информации о звездах и межзвездном веществе максимально. С помощью УФ космических телескопов появляется возможность исследовать атмосферу уже открытых экзопланет и, возможно, в недалеком будущем, удастся даже зарегистрировать признаки существования жизни на них. Также одной из научных перспектив ультрафиолетовой астрономии является поиск скрытого барионного вещества – массы газа и пыли, излучение от которых невозможно наблюдать даже при помощи самых современных телескопов, работающих в видимом диапазоне.

"Без калибровки приемника электромагнитного излучения научные данные, полученные в результате астрофизических наблюдений, не имеют смысла, - рассказывает старший научный сотрудник Института ядерной физики СО РАН, кандидат физико-математических наук Антон Николенко . - Необходимо связать показания этих приемников с реальным потоком фотонов, падающим на прибор. Точная калибровка – это своеобразный "билет на спутник" для этого приемника. Мы, как правило, делаем калибровку с погрешностью от двух до десяти процентов".

Приемник излучения, который тестировался на станции "Космос" центра коллективного пользования "Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения" в рамках научного сотрудничества между Институтом ядерной физики СО РАН и Физическим институтом РАН, представляет собой ПЗС-матрицу, проверенную в Великобритании, и чувствительную в области вакуумного ультрафиолета. Излучение этого диапазона очень сильно поглощается веществом и не способно проходить не только сквозь атмосферный воздух, но и сквозь тонкие (доли микрона) пленки вещества. Обычные матрицы, например, в фотоаппаратах, имеют в этой области нулевую чувствительность из-за защитных слоев и стеклянных окон, установленных перед их чувствительной поверхностью.

"Технология изготовления матрицы вакуумного ультрафиолет-диапазона очень сложна, и прибор имеет высокую стоимость, - поясняет Антон Николенко. - К тому же, для снижения темнового шума, матрица должна быть охлаждена почти до криогенных температур и может эксплуатироваться только в условиях высокого вакуума. Помимо сложных условий эксплуатации тестирование прибора осложняется трудностью в генерации излучения с нужной длиной волны и высокой интенсивностью этого излучения, недоступной для лабораторных источников излучения".

Станция "Космос" работает на источнике синхротронного излучения - коллайдере ВЭПП-4, который генерирует мощный поток фотонов в широком спектральном диапазоне?- от видимого излучения до жесткого рентгеновского.

"Для калибровки космического оборудования необходимо выделить из этого широкого спектрального потока фотоны определенной энергии. В данном случае это фотоны с энергией около 10 эВ, - добавляет Антон Николенко. - Для этого на станции установлен монохроматор на основе дифракционной решетки. Точное значение потока определяется при помощи эталонного детектора, изготовленного в Физико-техническом институте имени А. Ф. Иоффе РАН и прокалиброванного в Физико-техническом институте Германии (Physicalisch-Technische Bundesanstalt, PTB). Зная точное значение интенсивности потока фотонов, мы можем калибровать всевозможные приемники, которые помещаются в вакуумную камеру нашей станции".

Синхротронное излучение и находится в вакуумной камере, давление в которой поддерживается на уровне 10-4 Паскаля, что соответствует одной миллиардной доли от атмосферного давления. По словам специалиста, для достижения условий, при которых будет эксплуатироваться калибруемый приемник, он охлаждается жидким азотом до температуры -100.

Тестируемая матрица является экспериментальной, и поэтому имеет еще одну существенную особенность. На ее поверхность была нанесена ультратонкая пленка циркония, которая, по замыслу изготовителя, должна была сработать как антибликовое покрытие. Этот прием известен давно и широко применяется в высококачественных приборах с просветленной оптикой для видимого диапазона. Подобные пленки используются в объективах фотоаппаратов или биноклей.

"Меняя рабочую энергию монохроматора и измеряя отклик приемника, мы измеряем его чувствительность в каждой точке электромагнитного спектра. В нашем недавнем эксперименте нам удалось напрямую наблюдать работу просветляющего покрытия. Такое покрытие для вакуумного ультрафиолета диапазона - это новая технология, и ранее эффективность его работы в этом диапазоне никто напрямую не измерял. Мы обнаружили, что оно увеличило чувствительность матрицы почти в полтора раза", - рассказал Антон Николенко.

Ожидается, что в случае успешного прохождения всех тестов матрица будет установлена в качестве основного регистрирующего элемента на космическом телескопе "Спектр-УФ" - это амбициозный российский проект, развиваемый с участием ряда других стран и превосходящий по ряду параметров знаменитый телескоп "Хаббл".

Центр коллективного пользования "Сибирский центр синхротронного и терагерцового излучения" специализируется на фундаментальных и прикладных работах, связанных с использованием пучков синхротронного и терагерцового излучения, на разработке и создании экспериментальной аппаратуры и оборудования для таких работ, на разработке и создании специализированных источников синхротронного и терагерцового излучения. Ежегодно ЦКП предоставляет услуги по профилю своей деятельности десяткам российских и зарубежных организаций.