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:

Эксперимент SPICAM (Марс-Экспресс)

СПИКАМ/SPICAM — the Spectroscopy for the Investigation of the Characteristics of the Atmosphere of Mars.


СПИКАМ — УФ и ИК спектрометр на борту КА «Марс-Экспресс» для исследования состава и вертикальной структуры атмосферы Марса.


Краткое описание


Эксперимент СПИКАМ на борту КА «Марс-Экспресс», который состоит из двух независимых спектральных каналов, ультрафиолетового (118-320нм, разрешение ~0.51нм) и инфракрасного (1000-1700нм, разрешение лучше 1нм), объединенных в единый оптический блок и блока электроники. Основной вклад в изготовление прибора внесли три организации: Служба Аэрономии, Национального центра научных исследований Франции (ответственный за выпуск прибора, УФ спектрометр, основная электроника, испытания), ИКИ РАН (законченный ИК-спектрометр) и Бельгийский институт космической аэрономии (механические узлы).


Инфракрасный спектрометр СПИКАМ ИК работает в диапазоне 1-1.7микрон с разрешением, которое изменяется от 0.5нм для l=1микрон до 1.2нм для l=1.7микрон (что соответствует 3.51/см). Поле зрения прибора составляет 1градус для надирных наблюдений, что соответствует 5км в перицентре орбиты спутника и 4арк.мин для солнечных затмений, что соответствует 1-5км, в зависимости от расстояния до лимба. Одной из главных научных задач СПИКАМ ИК является определение количества H2O в атмосфере Марса по полосе 1.38микрон. Вертикальный профиль водяного пара и свойства аэрозолей определяются с помощью метода солнечных затмений. В спектр научных задач СПИКАМ ИК также входят измерения эмиссии O2 (в результате фотодиссоциации озона) и мониторинг льдов CO2 и H2O, используя полосы в диапазоне 1.3-1.7микрон. В эксперименте СПИКАМ ИК спектрометр на основе акустооптического фильтра был впервые использован для исследования других планет.


Ультрафиолетовый спектрометр прибора СПИКАМ работает в диапазоне длин волн 110-310нм и имеет спектральное разрешение 0.9нм. Он предназначен для измерений озона в надирной моде, для исследований ионосферы (наблюдения эмиссий) и определения плотности атмосферы вплоть до высот 170-180км (по звездным затмениям). Во время звездных затмений спектр звезды изменяется в результате поглощения газами CO2, O3 и другими, а также аэрозолями. Решая обратную задачу, можно восстановить профиль плотности CO2 (и, отсюда, температуры), а также озоновой и аэрозольных составляющих. Наблюдение ярких звезд позволяет измерять плотность атмосферы на высотах 10-150км с точностью ~2% и температуры на высотах 20-130км с точностью ~3K. Озон может быть измерен на высотах 25-60км или ниже в зависимости от условий. Оптически тонкие облака и дымки также можно обнаружить, особенно в ночное время, когда измерения в отраженном солнечном свете невозможны.



spicam1.jpg

Рисунок 1. Инфракрасный канал СПИКАМ на вибрационных тестах. 1-объектив; 2-АОПФ; 3-детектор; 4-электроника; 5-механическая часть.


Оптическая схема ИК-спектрометра


ИК канал прибора на основе акустооптического фильтра расположен сбоку УФ-спектрометра СПИКАМ на том же основании (Рис.2). Основные характеристики прибора приведены в Табл.1.


Солнечное излучение, отраженное и рассеянное в атмосфере Марса собирается при помощи телескопа, оптическая ось которого параллельна оси УФ-спектрометра и других приборов «Марс-Экспресс», предназначенных для наблюдений в надир. Телескоп собран по схеме Галилея и имеет фокальное отношение 1:1.4. Входной объектив трехлинзовый диаметром 30мм, в фокальной плоскости телескопа расположена круглая диафрагма диаметром 1мм, ограничивающая поле зрения прибора, а выходной объектив двухлинзовый.


В приборе использован акустооптический фильтр на основе кристалла парателлурита в особой неколлинеарной конфигурации, обеспечивающий высокую разрешающую силу в относительно широком угловом пучке. Для разделения падающего и дифрагировавшего излучения в данной конструкции использовано изменения направления распространения излучения при дифракции. Диафрагма поля ограничивает угловую апертуру света, и в падающем на акустооптическую ячейку пучке отсутствуют лучи с отклонением от оптической оси >2.5°. Угол дифракции составляет 7.5° и слабо зависит от длины волны. Все излучение с длинами волн, отличными от резонансной не дифрагирует и не меняет направления распространения. Две поляризации разводятся в разные стороны симметрично от направления падающего излучения. Такая кристаллографическая конфигурация, в которой одновременно формируются узкие полосы с практически совпадающей длиной волны пропускания, является единственной для TeO2. Расчетные параметры ячейки приведены Табл.2. Эффективная длина взаимодействия свет-звук 23мм, а рабочий размер светового пучка в кристалле 4x6мм. После акустооптической ячейки световые пучки расходятся в угле 5° (Рис.1). Линза, установленная после ячейки, формирует перетяжки, в которых сосредоточены потоки полихроматического и монохроматического отфильтрованного излучения. Полихроматическое (недифрагировавшее) излучение улавливается ловушкой. Если акустическая волна выключена, весь световой поток проходит через кристалл и попадает в ловушку. Когда включается сигнал высокой частоты, возникают два слабых полезных монохроматических пучка, собираемых на двух фотоприемниках при помощи дополнительных короткофокусных линз. Таким образом, если не подана мощность возбуждения, свет на фотоприемник не попадает, что используется в приборе для модуляции сигнала.


В качестве фотоприемников использованы InGaAs фотодиоды G5832-11 (производства фирмы Hamamatsu); диаметр чувствительной области 1мм, охлаждаемые при помощи интегрированного однокаскадного охладителя Пельтье на Dt°~25°. Детекторы с короткофокусными линзами и предусилители собраны в экранированный блок детекторов; на нем же укреплена ловушка «белого» света.


Оба канала прибора СПИКАМ-УФ и -ИК имеют возможность измерять вертикальные профили атмосферных составляющих методом солнечного просвечивания. Наведение на Солнце производится разворотом КА, точности ориентации которого (10’) достаточно для измерений методом просвечивания. Интенсивность прямого солнечного излучения слишком высока, и использовать одни и те же оптические входы для наблюдений в надир и для солнечного просвечивания невозможно. Для ввода солнечного излучения в УФ и ИК каналы предусмотрен специальный солнечный вход с малой апертурой, направленный под углом 60° плоскости, перпендикулярной к направлению в надир. Свет в УФ спектрометр направляется непосредственно при помощи маленького плоского зеркала, а для ИК канала использовано оптоволокно длиной около 150ммс дополнительными оптическими элементами. Линза и 80-мкм диафрагма поля на входе оптоволокна формируют круглое поле зрения солнечного входа диаметром около 4угл.с. Коллимирующая градиентная линза восстанавливает квазипараллельный пучок на выходе оптоволокна, а небольшое зеркало, укрепленное на бленде ИК объектива под углом 45° направляет этот пучок в апертуру ИК-спектрометра.


ИК-спектрометр на основе АОПФ входит в состав УФ спектрометра, но из соображений удобства сборки и тестирования он собран на специальной промежуточной плите из алюминиевого сплава. Акустооптическая ячейка с телескопом собрана как самостоятельный экранированный блок с размерами 104х60х40мм и массой 330г. Этот блок, включающий синтезатор и усилитель высокой частоты позволяет изолировать все ВЧ компоненты прибора в едином экранированном объеме. Телескоп собран в жесткой трубчатой конструкции, точность расположения оптических элементов которой определяется допусками изготовления. Телескоп укреплен на блоке АОПФ. Перед телескопом на промежуточной плите укреплена небольшая бленда (не показана на Рис.2), которая служит также для закрепления оптоволокна и поворотного зеркала системы ввода солнечного излучения.


Таблица 1. Основные характеристики ИК канала прибора СПИКАМ


Спектральный диапазон 1.0-1.7мкм
Спектральное разрешение  0.5нм на 1.0мкм

1.2нм на 1.7мкм, или менее 41/см  

Поле зрения Поле зрения
Телескоп Линзовый, D=30мм; фокусное расстояние 40мм  
АОПФ

TeO2 

Эффективность в поляризованном свете ~70%

Апертура 4x6мм^2, ±2.5°  

Диапазон частот и мощность возбуждения 85-150МГц, 0.5-2.5Вт
Детектор

Два фотодиода InGaAs (Hamamatsu G5832-11) 

Размер D=1мм

Охлаждение 1 каскад Пельтье (–15°C)

D*~3·1013 Вт^(-1)смГц^(-1/2)  

Пропускание оптики 20%
Пороговая чувствительность ~ 3·10^(-5)Втм^(-2)ср^(-1) 
Регулировка усиления 4 предустановленных значения усиления
Число измеряемых точек 2 спектра различных поляризаций; каждый длиной 330 точек
Динамический диапазон 2^16, округляемый до 2^12
Потребление 5 Вт (средн.)

Объем данных: надир

просвечивание  

1.05кбайт за измерение 

3.1кбайт за измерение  

Размеры 220x85x65мм (не включая DC/DC и интерфейс)
Масса ИК канала 700г



spicam2.gif

Рис.2. Упрощенная оптическая схема двухканального спектрометра СПИКАМ. 1-апертура УФ спектрометра; 2-зеркало телескопа; 3-щель (убирающаяся); 4-вогнутая дифракционная решетка; 5-усилитель изображения; 6-ПЗС матрица; 7-линзовый телескоп канала ближнего ИК; 8-диафрагма поля зрения; 9, 11, 13–вспомогательные линзы; 10-акустооптический фильтр; 12-ловушка прямого света; 14-15-детекторы ИК канала; 16-апертура для солнечного просвечивания; 17-21 детали для ввода солнечного света в УФ и ИК каналы.


Режимы наблюдений


Универсальный спектрометр СПИКАМ в полной мере использует преимущества наведения и поддержания ориентации, предоставляемые КА «Марс-Экспресс». Основные режимы измерений прибора схематично изображенные на Рис.3.


Надир: основной рабочий режим для исследования содержания водяного пара, озона, свойств атмосферного аэрозоля и подстилающей поверхности Марса. Оптические оси прибора направлены в ту же сторону, что и остальные картирующие приборы проекта (Стерео камера (HRSC), ОМЕГА, ПФС). Измерения возможны на освещенной стороне планеты от терминатора до терминатора включительно. Наблюдения на терминаторе предназначены для исследования свойств атмосферного аэрозоля. Поле зрения в надир в ИК канале 1°; в УФ канале ~1.5угл.мин. ИК и УФ каналы работают одновременно.


Солнечное просвечивание: режим предназначен для измерений профилей озона и плотности атмосферы в УФ, профилей водяного пара в ИК, вертикальной структуры и оптических характеристик аэрозоля в обоих каналах с высоким отношением сигнал/шум. В течение миссии будут несколько периодов солнечных затмений, координаты которых перекрывают широкий диапазон широт. Наведение на Солнце осуществляется КА, в течение захода или восхода должна поддерживаться инерциальная ориентация. ИК и УФ каналы работают одновременно.


Звездное просвечивание: режим предназначен для измерений профилей озона и плотности атмосферы в УФ. Покрытия звезд происходят гораздо чаще по сравнению с солнечными затмениями, что позволяет проводить измерения на различных географических координатах на любом этапе экспедиции. Так же как и при солнечном просвечивании, наведение на звезду осуществляется КА, и в течение захода или восхода поддерживается инерциальная ориентация. Так как звезда — это точечный источник, разрешение по вертикали не зависит от положения КА на орбите, а только от длительности измерения и проекции орбитальной скорости на лимб. В специальных случаях сильно наклонных и даже горизонтальных прохождений звезд можно подробно исследовать вертикальную структуру, не наблюдая собственно покрытия. Наблюдать покрытия звезд прибором можно как на ночной, так и на дневной стороне Марса. Из-за ограничений по чувствительности спектры звезд регистрируются лишь в УФ канале, но ИК канал включен для измерений темнового сигнала, ночных свечений в ИК диапазоне и наблюдений яркого лимба, которые иногда сопутствуют звездным затмениям.


Лимб: режим для исследования вертикальной структуры атмосферы, ионосферы и атмосферного аэрозоля в какой-то степени аналогичен звездному просвечиванию без звезды в поле зрения прибора. Метод основан на анализе отраженного атмосферой солнечного излучения или свечения самой атмосферы. Лимб можно наблюдать с любого участка орбиты, но для улучшения пространственного разрешения сеансы проводятся, как правило, не далее 800км от перицентра. Включены оба канала прибора, но ненулевые отсчеты ИК канала регистрируются не выше 50км на ярком лимбе.



spicam3.gif

Рис.3. Режимы наблюдений СПИКАМ


Задачи проекта:




spicam4.gif

Рисунок4. Участок измеренного откалиброванного спектра СПИКАМ-ИК в полосах водяного пара и углекислого газа. Приведены данные для двух измерительных каналов. Спектры усреднены по 10. Орбита 30: Ls 337.5, долгота 61, широта -46, местное время 13:35.


Текущее состояние


СПИКАМ работает на орбите Марса с января 2004. Проект «Марс-Экспресс» продлен до 2014. В настоящий момент деградации прибора не наблюдается, работает без замечаний.


Публикации:


KorablevO., BertauxJ.-L., GrigorievA. et al. An AOTF-based spectrometer for the studies of Mars atmosphere for Mars Express ESA mission // Adv. Space Res. 2002. V.29. N2. P.143-150.


О.И.Кораблев, Ж.-Л.Берто, Ю.К.Калинников, А.А.Федорова, В.И.Мороз, А.В.Киселев, А.В.Степанов, А.В.Григорьев, В.С.Жегулев, А.В.Родин, Э.Димареллис, Ж.П.Дюбуа, А.Реберак, Э.Ван Рансбеек, Б.Гонде, Исследования Марса в эксперименте СПИКАМ-ИК на борту КА «Марс-Экспресс». 1. Акустооптический спектрометр СПИКАМ-ИК, Космические исследования, т.44,№4, 292-307, 2006.


KorablevO., J.L.Bertaux, A.Fedorova , D.Fonteyn, A.Stepanov, Yu.Kalinnikov, A.Kiselev, A.Grigoriev, V.Jegoulev, S.Perrier, E.Dimarellis, J.P.Dubois, A.Reberac, E.Van Ransbeeck, B.Gondet, F.Montmessin, A.Rodin. SPICAM IR acousto-optic spectrometer experiment on Mars Express, J.Geophys. Res., 111, E09S03, doi:10.1029/2006JE002696, 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