г. Москва, ул. Ленинская слобода, д. 19,
БЦ "Omega Plaza", 2-й эт., оф. № 2040

Эксперты NIST откалибровали спутниковые датчики для оценки крайнего УФ-излучения

  • 26.08.2014
Благодаря прецизионным калибровочным измерениям, недавно проведенным специалистами Национального института стандартов и технологий США (National Institute of Standards and Technology; NIST), находящиеся на околоземной орбите спутники вскоре начнут присылать крайне полезную информацию о природе солнечного света. 

22 июля НАСА запустило ракету, на борту которой находились два экспериментальных инструмента. Эти инструменты были созданы для измерения количества дальнего (крайнего) ультрафиолетового излучения (коротковолновая ультрафиолетовая область спектра), которое попадает на Землю вместе с излучением Солнца. С их помощью ученые хотят собрать исходные данные для оценки воздействия подобного излучения на верхние слои атмосферы, где фотоны крайнего ультрафиолета могут отнимать электроны у атомов и изменять электрические свойства ионосферы.

Влияние космической погоды на нашу инфраструктуру 

Оценка дальнего ультрафиолетового излучения является ключевым компонентом глобальных климатических моделей. Кроме того, мониторинг этого показателя крайне важен для понимания динамики "космической погоды", которая влияет на глобальные телекоммуникационные системы, электрические сети и системы GPS / ГЛОНАСС, а также на многие другие важные элементы нашей инфраструктуры. Тем не менее, оценка дальнего ультрафиолетового излучения в долгосрочной перспективе является крайне трудной.

"Исследователи нуждаются в точных и последовательных данных об излучении с конкретными длинами волн. Причем эти данные должны агрегироваться в течение относительно длительных периодов. Только так можно с досочно высокой точностью определить, как именно изменения в солнечном излучении влияют на близкие к космическому пространству слои атмосферы нашей планеты. Тем не менее, коротковолновая часть ультрафиолетового спектра несет так много энергии, что инструменты очень быстро деградируют при воздействии тех самых фотонов, которые они измеряют. Эти же фотоны способны со временем нарушить калибровку инструментов ", заявил специалист NIST Роб Вест, который проводил калибровку инструментов для НАСА.

EUV_Sean_800.jpg
 
Роб Вест в помещении для калибровки не подверженных деградации спектрометров для измерения дальнего ультрафиолетового излучения 

Эксперты НАСА пришли к выводу, что для коррекции калибровки потребуются дорогостоящие технологии, а также несколько запусков ракет для вывода оборудования в космос. Подобные многократные запуски позволили бы в последующем сравнить показания с повыбивавших в космосе спутниковых датчиков и результаты работы аналогичных устройств, не покидавших Землю, но при необходимости поднимаемых на нужную высоту с помощью метеорологических (геофизических) ракет (ракетный зонд для исследования верхних слоев атмосферы).

Для решения этой проблемы руководством НАСА была инициирована программа DFS (Degradation Free Spectrometers for Solar Physics или Не подверженные деградации спектрометры для гелиофизических исследований). И в ходе июльского пуска ракеты специалисты хотели протестировать эффективность конструкций прототипов двух различных не подверженных деградации инструментов. Исследование показало, что ни оптические поверхности, ни тонкопленочные фильтры не деградировали. Оба инструмента были откалиброваны специалистами NIST с помощью специальных установок внутри Лаборатории синхротронного ультрафиолетового излучения (Synchrotron Ultraviolet Radiation Facility; SURF III).

"Есть гораздо более мощные синхротроны, которые способны формировать пучки гораздо более интенсивного дальнего ультрафиолетового и рентгеновского излучения. Но для использования их с целью решения поставленных НАСА задач потребуется дополнительное экранирование от жестких рентгеновских лучей. Кроме того, система будет выделять много излишнего излучения. Наш синхротрон SURF III диаметром всего в 1.7 метра работает при более низком уровне энергии и излучает очень мало жестких рентгеновских лучей. Этот прибор обеспечивает идеальные условия для калибровки новых инструментов ," отметил специалист NIST по ультрафиолетовому излучению Том Лакаторто.

Нужная длина волны

Наибольший интерес для ученых представляет диапазон длин волн дальнего ультрафиолетового излучения на уровне около 30,4 нм. Специалисты также изучают другие длины волн дальнего ультрафиолета, в том числе 58,4 нм и 121,6 нм. Но ни в одном из этих случаев излучение не имеет достаточной энергии для ионизации гелия (He). При этом именно изучение процесса фотоионизации нейтральных атомов гелия, поступающих из космоса за пределами нашей Солнечной системы, предоставляет важную информацию о локальной межзвездной среде.

Sun304ang_NASA_800.jpg 

Так выглядит Солнце, если из спектра излучаемого им света отсечь все лучи кроме тех, что имеют длину волны в 30,4 нанометра 

В случае излучения с длиной волны в 30,4 нм каждый фотон имеет примерно в десять раз больше энергии, чем в случае стандартного ультрафиолетового излучения. Излучение с подобной длиной волны является доминирующим в случае дальнего ультрафиолета, и данные по динамике его интенсивности используются для прогнозирования солнечных вспышек (потоки заряженных частиц, которые могут нанести ущерб атмосфере Земли). 

Ученые наблюдают за 30,4-нанометровым дальним ультрафиолетовым излучением на протяжении многих десятилетий, но в данный момент крайне важно добиться повышения точности измерений. 

Передовые инструменты 

Очевидно, что длительное воздействие подобного излучения может привести к повреждению компонентов измерительных инструментов. Для борьбы с этими эффектами участники программы DFS спроектировали два инновационных прототипа. 

Первый использует уникальную двухрешеточную систему, чтобы удалить все лишнее световое излучение кроме излучения с требуемой длиной волны перед началом измерения показателей при помощи фотодиода. При попадании света на дифракционную решетку, происходит разделение излучения на составляющие по длинам волн, каждая из которых движется под другим углом (аналогичный эффект наблюдается, когда свет проходит через призму). Данное явление выступает основой для многих типов спектрометров. Конструкция DFS использует две решетки, отклоняющие разные волны. 

Принцип действия второго "безоптического" инструмента предполагает облучение атомов неона дальним ультрафиолетовым излучением. Когда соответствующие фотоны воздействуют на атомы неона, испускаются электроны. Подключенное устройство измеряет количество и энергию излучения электронов, что позволяет оценить световое излучение в нужном диапазоне спектра. 

Поделиться с друзьями!

Подписка
Оставьте ваш e-mail, чтобы получать новости