Одним из главных принципов уникальной «системы Физтеха», заложенной в основу образования в МФТИ, является тщательный отбор одаренных и склонных к творческой работе представителей молодежи. Абитуриентами Физтеха становятся самые талантливые и высокообразованные выпускники школ всей России и десятков стран мира.

Студенческая жизнь в МФТИ насыщенна и разнообразна. Студенты активно совмещают учебную деятельность с занятиями спортом, участием в культурно-массовых мероприятиях, а также их организации. Администрация института всячески поддерживает инициативу и заботится о благополучии студентов. Так, ведется непрерывная работа по расширению студенческого городка и улучшению быта студентов.

Адрес e-mail:

Озонометр

Введение


Озон О3 образуется из кислорода О2 в верхних слоях атмосферы, где под действием ультрафиолетового (УФ) излучения Солнца формируется и поддерживается озоновый слой. Озоновый слой представляет собой часть стратосферы на высоте от 12 до 50км, в которой под воздействием солнечного УФ излучения кислород О2 ионизируется, приобретая третий атом кислорода, в результате чего получается озон О3. Этот слой озона с максимумом концентрации на высоте 20-25км предохраняет живые организмы на земной поверхности от вредного влияния жесткого УФ излучения Солнца.


Человеческая деятельность, направленная на развитие промышленности и транспорта (включая реактивную авиацию), а также интенсивное использование ракетно-космической техники ведет к всё более возрастающему загрязнению атмосферы и как следствие — к увеличению доли распада стратосферного озона. Производство и широкое применение в быту, а также в различных отраслях промышленности таких органических соединений, как хлорфторуглероды, вызывает повышение в атмосфере концентрации этих веществ, что способствует обеднению озонового слоя. Кроме того, та деятельность человека, которая приводит к истощению озонового слоя, влияет и на возникновение озоновых дыр в виде локальных падений концентрации озона в озоновом слое Земли. При этом наиболее известными из таких образований являются сезонные для областей северного и южного полушарий озоновые дыры, формируемые в зимние периоды в каждом из полушарий — в северных широтах (над Арктикой) и в южных широтах (над Антарктикой).


Любое ослабление озонового слоя усиливает прохождение сквозь него жесткой солнечной УФ радиации, направленной на земную поверхность. Это часто приводит к серьезному ослаблению иммунной системы человека и вызывает у людей раковые образования кожи, заболевания глаз и нежелательные генетические изменения. Также от повышенного уровня вредного УФ излучения Солнца страдают животные и растения. Кроме того, в последние годы всё больше фактов подтверждают наличие сложных связей между процессами разрушения озонового слоя и изменением климата Земли. Поэтому контроль состояния атмосферы и особенно её озонового слоя, осуществляемый в масштабах от регионального до планетарного, является необходимой предпосылкой для прогнозирования климатических изменений и решения проблем экологической безопасности населения отдельных регионов и человечества в целом.


Детальную информацию о составе и концентрации газовых составляющих атмосферы (и конкретно — озона) в настоящее время можно получить, только объединяя информационные возможности различных технологий атмосферного контроля [1-3]. Среди таких технологий особое место отведено для дистанционных спутниковых систем и приборов. Исследовательским базисом для этих приборов служит метод, основанный на интерпретации измерений отраженного и рассеянного солнечного излучения в УФ и видимой спектральных областях. Получение практически глобальной информации о концентрации озона в атмосфере Земли делают такие измерения чрезвычайно важными в изучении разнообразных аспектов динамики озона, его связей с различными параметрами атмосферы и изменениями солнечной активности. Решению указанных исследовательских задач посвящена предлагаемая разработка полихроматора, предназначенного для мониторинга общего содержания озона в атмосфере и получившего название «озонометр».


Схемное решение озонометра и его отличительные особенности


Наиболее близким по схемному решению к разработанному озонометру служит полихроматор, построенный по схеме Пашена-Рунге, где входная щель, вогнутая дифракционная решетка и фотоприемное устройство располагаются на круге Роуланда. При этом отличительной особенностью оптической схемы озонометра является то, что его вогнутая дифракционная решетка выполнена голограммной. Такие решетки получаются посредством фотографии (а точнее — фотолитографии) интерференционных полос, создаваемых двумя когерентными пучками монохроматических лучей, и после операций проявления и фиксирования, полученную поверхность изображения с формируемыми на ней штрихами синусоидального профиля обычно покрывают вакуумным способом тонким слоем алюминия.


Голограммная решетка позволяет исследовать широкую спектральную область с достаточно высоким качеством изображения, что обусловлено нанесением на её поверхность неэквидистантных и непараллельных штрихов с заранее заданными свойствами, обеспечивающими эффективную компенсацию аберрационных искажений. Вместе с тем, данная решетка в меньшей степени подвержена переналожению порядков дифракционного спектра. Кроме того, обладая свойствами как диспергирующего элемента, так и устройства, фокусирующего исследуемый спектр, эта решетка служит единственной оптической деталью, образующей спектральную часть озонометра. С её применением отпадает нужда в коллиматорном и камерном объективах, что повышает пропускание спектрального прибора данного класса. Это особенно важно при работе прибора в ультрафиолетовой области спектра, где коэффициенты отражения металлических покрытий недостаточно высоки, а прозрачных материалов мало.


Базовая оптическая схема озонометра представлена на рис.1, где показаны её оптические компоненты в меридиональном сечении.


ozonometr1.gif


Рис.1. Базовая оптическая схема озонометра.


На рис.1 за меридиональную плоскость (и соответственно — за меридиональное сечение) принята горизонтальная плоскость (т.е. плоскость рисунка), которая перпендикулярна направлению входной щели прибора и штрихам решетки, а за сагиттальную плоскость (сагиттальное сечение) принята вертикальная плоскость, содержащая, в частности, щель и ось входящего в неё пучка лучей.


В базовой оптической схеме озонометра (рис.1) в качестве входного объектива 1 используется внеосевой зеркальный параболоид, в фокусе которого установлена входная щель 2. В этой схеме вогнутая голограммная дифракционная решетка 3, расположенная после входной щели 2, обеспечивает фокусировку исследуемого спектра на круге Роуланда, который проходит через вершину О решетки 3 и её центр кривизны С. При такой компоновке прибора вершина О вогнутой голограммной дифракционной решетки 3, входная щель 2 и все её монохроматические изображения на выходе озонометра находятся на поверхности прямого кругового цилиндра с радиусом основания R=r/2, где r — радиус кривизны дифракционной решетки 3. Ось С' такого цилиндра проходит через середину отрезка, соединяющего центр С решетки 3 с её вершиной О. Спектр на выходе озонометра, представляющий собой континуум монохроматических изображений входной щели 2, регистрируется в приборе с помощью линейного фотоприёмного устройства 4.


Работа базовой схемы озонометра с фокусировкой на круге Роуланда


В базовой оптической схеме озонометра излучение от фрагмента зондируемой поверхности проходит через входной зеркальный объектив 1 (внеосевой зеркальный параболоид), который в своей фокальной плоскости создает изображение этого фрагмента. Из полученного изображения с помощью входной щели 2 вырезается та часть, которая соответствует заданному пространственному и спектральному разрешению.


Вогнутая голограммная дифракционная решетка 3 фокусирует поступающее на неё излучение в плоскости линейного фотоприёмного устройства 4, а так как входная щель 2 установлена на круге Роуланда, то осевая её точка А изображается вогнутой голограммной дифракционной решеткой 3 в виде точки А', расположенной также на круге Роуланда. При этом угол падения j, измеряемый от нормали к решетке в точке падения луча, определяется направлением так называемого «нулевого» луча, идущего из осевой точки входной щели 2 в вершину О вогнутой голограммной дифракционной решетки 3. Лучи, дифрагированные в вершине О решетки 3, уходят от неё под разными углами f ' l от нормали к решетке в зависимости от длины волны излучения l и фокусируются, как уже упоминалось, на круге Роуланда с центром С' на прямой ОС и диаметром, равным радиусу кривизны решетки r=ОС.


Регистрируемый линейным фотоприемным устройством 4 спектральный континуум, т.е. совокупность монохроматических изображений входной щели, имеет ориентацию на круге Роуланда ортогонально плоскости дисперсии. Поскольку эта плоскость дисперсии перпендикулярна направлению входной щели 2 и её монохроматическим изображениям, то такая плоскость совпадает с меридиональной плоскостью прибора (плоскостью рисунка).


Оптическая система озонометра одновременно выделяет излучения во многих узких интервалах длин волн, каждый из которых на выходе прибора направляется на свою отдельную светочувствительную площадку линейного фотоприемного устройства, что позволяет отнести озонометры к классу многоканальных спектрометров или полихроматоров.


Особенности реализации схемного решения озонометра


Разработанный озонометр — спутниковый полихроматор для надирного дистанционного зондирования — предназначен для работы в ультрафиолетовой и видимой спектральных областях (0,3-0,5 мкм) при осуществлении мониторинга общего содержания озона в атмосфере Земли. В процессе такого мониторинга пиксель зондируемой поверхности с габаритами 0,8x10 км, удаленный от озонометра на расстояние 700 км, оптически сопряжен с трехпиксельным элементом с размерами 0,04-0,5 мму линейного фотоприемного устройства (ПЗС — линейки DALSA IL-C6). Длина этой линейки, работающей в схеме прибора как последовательность трехпиксельных элементов, составляет 26,62 ммс общим числом фоточувствительных элементов (её пикселей), равным 2048.


Приведенные характеристики позволяют оценить величину заднего фокусного расстояния входного объектива — внеосевого зеркального параболоида: f'вх.об.=35мм, а также получить значение мгновенного поля зрения озонометра: L°xH°=0°04'х0°50', где L°=0°04' — в меридиональной плоскости, а H°=0°50' — в сагиттальной плоскости. Эти данные обусловили применение голограммной дифракционной решетки со световыми габаритами 50x50мм, радиусом кривизны r=250мм, периодом e=1,875мкм и дифракционным порядком k=1, что обеспечивает работу озонометра в диапазоне длин волн 0,3-0,5мкм.


Особенностью компоновки оптической схемы прибора является строго заданная пространственная ориентация голограммной дифракционной решетки, при которой равен нулю угол падения так называемого “нулевого” луча, идущего в вершину решетки из осевой точки входной щели, помещаемой в центр кривизны решетки, т.е. угол j=0. Такая ориентация решетки значительно упрощает все аналитические соотношения и формулы, необходимые не только для расчета спектральной части озонометра, но и для обеспечения юстировки прибора. Так, все углы дифракции определяются из простого выражения f ' l=arcsin(kl/e), обратная линейная дисперсия находится по несложной формуле dl/dl=ecosf ' l/rk , а расстояния dl , измеряемые от вершины решетки до соответствующих монохроматических изображений входной щели, получаемых на круге Роуланда, определяются простым соотношением dl=rcosf ' l и, наконец, все дистанции a l , измеряемые по хордам круга Роуланда от входной щели до её монохроматических изображений нетрудно рассчитать по формуле a l=(r2-d2l)1/2. Кроме этого, данная компоновка оптической схемы позволяет вывести обратно за входную щель озонометра (и далее — из прибора наружу) нерабочий нулевой дифракционный порядок, обеспечивая тем самым значительное снижение уровня рассеянного света в приборе. Исследования показали, что положительные результаты по устранению рассеянного света достигаются также с помощью установки в каналах озонометра внутренних бленд и световых ловушек, а также посредством физического разделения объёмов приборных полостей при их разграничении специальными светопоглощающими кожухами.


Реализация схемного решения озонометра потребовала установки в нем круговой бленды (рис.2). Такая бленда выполнена в виде цилиндрической трубы, внутри которой последовательно расположены эквидистантные тонкие плоские кольцевые диафрагмы. Внутренняя поверхность цилиндрической трубы и поверхности диафрагм имеют светопоглощающее покрытие, что позволяет в круговой бленде подавить зеркальные составляющие рассеянного света в направлении выходного окна (выходной диафрагмы) бленды.


ozonometr2.gif


Рис.2. Реализация схемного решения озонометра.


Существенным отличием компоновки, представленной на рис.2, от базовой схемы, показанной на рис.1, является введение в оптическую схему озонометра плоского вспомогательного зеркала, изламывающего приборную оптическую ось. Данное зеркало прямоугольной формы, протяженное в направлении дисперсии, получило в оптической литературе название “диагонального” зеркала, обеспечивающего компактность оптической схемы озонометра. Посредством такого зеркала луч, идущий по оптической оси озонометра (от осевой точки диагонального зеркала через осевую точку входной щели к вершине вогнутой голограммной дифракционной решетки), становится параллельным осевому лучу, поступающему в прибор из практической бесконечности и падающему на внеосевой зеркальный параболоид, пройдя входную круговую бленду. Принятые вышеуказанные решения позволили разработать озонометр с габаритами: 350х210х170 мм.


На рис.2 расположение прямоугольных деталей вверху и справа, обозначенных цифрами 1-4, показывает возможное местоположение блоков электроники прибора, обслуживающих фотоприемное устройство (ФПУ), а также условно показан один из вариантов расположения электромеханических затворов. При этом, в частности, затвор бленды может быть смонтирован перед её входом.


Размещение озонометров на околоземных орбитах


Озонометр разрабатывается в двух модификациях — «Озонометр-ТМ» и «Озонометр-З». Прибор «Озонометр-ТМ» соответствует описанной выше оптической схеме и характеристикам. Его предполагается установить на борт четырех космических аппаратов (КА), входящих в группировку «Ионосфера». Спутники группировки «Ионосфера» предполагается расположить попарно на двух взаимно ортогональных солнечносинхронных орбитах. Орбиты околокруговые околополярные (наклонение к плоскости экватора около 98°, высота на экваторе 820км), положение плоскостей орбит относительно положений среднего Солнца составляет приблизительно 135° и 45° соответственно. На каждой орбите спутники находятся в противофазе. Такая ориентация орбит обеспечивает уверенное наблюдение околополярных областей, где возникновение озоновых дыр является наиболее вероятным.


Прибор «Озонометр-З» представляет собой двухканальный прибор. Коротковолновый канал прибора фактически повторяет прибор «Озонометр-ТМ». Схема длинноволнового канала также аналогична описанной выше, с соответствующей голограммной дифракционной решёткой, обеспечивающей работу прибора в спектральном диапазоне 0,5-0,8мкм. В этом диапазоне также имеются полосы поглощения озона (полосы Шаппюи), и других газов — окислов азота NO2 и NO3, кислорода, водяного пара и др. Кроме того, в приборе «Озонометр-З» предполагается наличие сканирующего зеркала, обеспечивающего сканирование земной поверхности в диапазоне углов ±30° в направлении, перпендикулярном направлению движения космического аппарата. При этом достигается ширина подспутникового следа около 800км.


Прибор «Озонометр-З» предполагается установить на борт космического аппарата «Зонд», образующего вместе с четырьмя аппаратами «Ионосфера» орбитальную группировку «Ионозонд». Предполагаемая орбита КА «Зонд» также является околокруговой околополярной солнечносинхронной (наклонение к плоскости экватора около 97°, высота на экваторе 650км), однако ориентация орбиты относительно направления на Солнце в этом случае такова, что плоскость орбиты близка к плоскости терминатора Земли (околотерминаторная орбита).


Текущее состояние проекта


По прибору «Озонометр-ТМ» к настоящему моменту завершена разработка и расчёт оптической схемы, выпущена конструкторская документация, изготовлены натурно-габаритно-массовый макет, оптико-механический узел (лабораторный макет), на котором проведена проверка основных оптических параметров прибора, и технологический образец (электрический макет); идёт изготовление образца для конструкторско-доводочных испытаний (КДИ) — первого полноценного образца прибора с полным комплектом оптических элементов и электроники.


По прибору «Озонометр-З» к настоящему моменту завершен расчёт оптической схемы прибора (с учётом обоих каналов и сканирующего зеркала), разработана конструкторская документация, а также программа и методика оптических испытаний.


Литература


J.P.Burrows, M.Weber, M.Buchwitz, V.V.Rozanov, A.Ladstter-Weisenmayer, A.Richter, R.DeBeek, R.Hoogen, K.Bramstedt, K.-U.Eichmann, M.Eisinger, D.Perner, The Global Ozone Monitoring Experiment (GOME): Mission Concept and First Scientific Results. Journal of the atmospheric sciences, 56, 151-175, (1999).


H.Bovensmann, J.P.Burrows, M.Buchwitz, J.Frerick, S.Noёl, V.V.Rozanov, K.V.Chance, A.P.H. Goede, SCIAMACHY: Mission Objectives and Measurement Models. Journal of the atmospheric sciences, 56, №2, 127-150, (1999).


P.F.Levelt, G.H.J.vanderOord, M.R.Dobber, A.Mlkki, H.Visser, J.deVries, P.Stammes, J.O.V.Lundell, H.Saari, The Ozone Monitoring Instrument. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 44, №5, 1093-1101, (2006).

Если вы заметили в тексте ошибку, выделите её и нажмите Ctrl+Enter.

© 2001-2016 Московский физико-технический институт
(государственный университет)

Техподдержка сайта

МФТИ в социальных сетях

soc-vk soc-fb soc-tw soc-li soc-li
Яндекс.Метрика