Спектрометр высокого разрешения орбитального зонда EXOMARS

Размещено на http://www.allbest.ru/

Спектрометр высокого разрешения орбитального зонда EXOMARS

А.Ю.Трохимовский

Описывается компактный эшелле-спектрометр высокого разрешения в диапазоне 2.3-4.2 мкм для обнаружения метана и измерений отношения D/H в атмосфере Марса. Анализируется специфика оптической схемы и конструкции прибора.

В рамках программы ExoMars планируется запуск орбитального зонда Trace Gas Orbiter (TGO) к Марсу. Основная задача -- комплексные исследования атмосферы Марса, в том числе анализ вертикального распределения малых составляющих, поиск органических молекул, анализ возможных источников и стоков, измерения изотопных отношений и их вариаций [1]. Для решения этих задач планируется создание комплекса трёх спектрометров ACS (Atmospheric Chemistry Suit): NIR - эшелле-спектрометр ближнего ИК диапазона; MIR - эшелле-спектрометр среднего ИК диапазона; TIRVIM - фурье-спектрометр теплового диапазона.

Одной из главных задач прибора MIR является обнаружение метана и измерение отношения D/H в атмосфере Марса. До сих пор погрешность измерения D/H оставалась значительной, а вертикальный профиль HDO/H2O никогда не измерялся. спектрометр хроматизм фотометрический луч

MIR -- эшелле-спектрометр со скрещённой дисперсией; диапазон -- 2.3-4.2 мкм. Приборы подобного типа хорошо зарекомендовали себя в планетных миссиях (Rosetta, Venus Express, VIRTIS-H [2, 3]. Комбинация эшелле и обычной решётки позволяет при единичном измерении захватывать широкую область длин волн (до 300 нм), что обеспечивает максимизацию количества газов, регистрируемых одновременно.

Измерения отношения D/H в атмосфере Марса до сих пор опирались на астрономические спектральные наблюдения, причём линии обычной и дейтерированной воды не удавалось измерить одновременно. В связи с этим погрешность измерения D/H остается значительной. Также никогда не был измерен вертикальный профиль отношения HDO/H2O. В эксперименте MIR полосы поглощения водяного пара могут быть измерены в одновременно измерены в нескольких порядках дифракции и с высокой точностью. Поэтому будет возможно провести одновременные измерения H2O и HDO с целью повышения точности полученного ранее отношения D/H в водяном паре и измерения его вертикального профиля.

Расчёт энергетики прибора показывает, что реализация прибора для работы с требуемым высоким спектральным разрешением (порядка 50 тысяч) возможна только в солнечно-затменном (лимбовом) режиме. Метод солнечных затмений позволяет также измерять экстинкцию атмосферного аэрозоля на лимбе. Такие измерения необходимо проводить в широком спектральном диапазоне, но наиболее характерные особенности поглощения света частицами атмосферного аэрозоля проявляются в диапазоне длин волн, сравнимом с характерными размерами частиц, т.е. в ближнем ИК диапазоне. Измерения экстинкции аэрозоля в экспериментах NIR и MIR будут проводиться в спектральных порядках, по участкам спектрального континуума между линиями атмосферных газов.

Эксперименты также предоставляют широкие возможности для исследования изотопических полос CO2 (13CO2/CO2, CO18O/CO2), а также для поиска новых молекул атмосферных газов, как, например, H2CO, C2H6, HCl, OCS и т.д.

Эшелле-спектрометр построен по классической схеме (рис. 1). Входной объектив формирует изображение солнечного диска на щели, определяющей поле зрения (0.5'Ч10'). После зеркального коллиматора лучи попадают на эшелле (3 линии/мм) и на наклонном зеркале строят полоску спектров 142-258 порядков. Затем следует линзовый коллиматор, дифрешётка, разделяющая порядки на строки, камерный объектив и матричный приёмник.

Рис. 1. Ход лучей в эшелле-спектрометре.

Особенностью схемы является наличие у приёмника холодной диафрагмы небольшого размера. Во избежание виньетирования выходной зрачок всей системы должен быть вынесен в плоскость холодной диафрагмы. Достигается это следующим приёмом: наклонное зеркало, расположенное вблизи промежуточного фокуса, и которое обычно выполняет функции коллектива, сделано выпуклым (рис. 2), а расстояние между линзовым коллиматором и дифрешёткой увеличено.

Рис. 2. Ход лучей вблизи узла щели.

При этом, как видно из рис.3, увеличивается световой размер линзового коллиматора, но выходной зрачок смещается в плоскость холодной диафрагмы, а приёмник может быть поднят вверх для прижима к радиатору-холодильнику.

Рис. 3. Вынос выходного зрачка (ход лучей условно развёрнут).

Ещё одно нестандартное решение -- компенсация кривизны поля и хроматизма. Известно, что большой показатель преломления положительных линз даёт меньшую кривизну поля. Поэтому оказалось, что баланс этих аберраций более благоприятен, если в качестве «крона» использовать селенид цинка, а в качестве «флинта» -- флюорит. При этом хроматизм в широком диапазоне длин волн меняет свой знак (рис. 4).

Рис. 4. «Обратный» хроматизм системы.

Горизонтальными линиями показаны границы рабочего диапазона (2.3 -- 4.2 мкм).

Качество изображения близко к дифракционному, и при 30-микронной щели разрешающая способность л/Дл ? 50000 на 3.3 мкм. СКО от энергетического центра в точечных диаграммах по всем длинам волн и во всех положениях дифрешётки -- 5.7 мкм. Незначительная децентрировка наклонного зеркала и специально введенная неидеальная коллимация лучей перед дифрешёткой (порядка +0.06D) приводит к вытягиванию точечных диаграмм вдоль спектральных линий, что позволило несколько ужать их ширину и тем самым повысить спектральное разрешение.

При разработке прибора обращалось внимание на желательность контроля сборки и юстировки в видимом диапазоне с введением специально рассчитанных компенсаторов. Процесс сборки существенно упрощается, но при этом и так небогатый ассортимент доступных материалов сужается, поэтому основная остаточная аберрация -- хроматизм. Однако пониженное разрешение имеют лишь небольшая часть спектральных строк на краях рабочего диапазона. На рисунках 5 и 6 показаны сечения спектральных линий с типичным и наихудшим разрешением.

Рис. 5. Фотометрический разрез типичных спектральных линий (124 реализации).

Рис. 6. Фотометрический разрез наихудших спектральных линий (14 реализаций).

Принятые решения позволили компактно разместить все элементы, включая платы управления и связи, в корпус размерами 200Ч420Ч460 мм (рис. 7).

Для перебора спектральных строк на оси шагового двигателя установлены две дифракционные решётки (150 и 300 1/мм). Поворотами решёток в каждый кадр вводится от 10 до 30 спектральных строк при полном спектральном диапазоне в 107 порядков эшелле. Планируется возможность доворотов оси шагового двигателя для регистрации соседних групп дифракционных порядков.

Рис. 7. Компоновка MIR в составе комплекса ACS.

Детектор -- space-grade версия Scorpio MW K508 Sofradir, оптимизированный в заданном спектральном диапазоне.

Учитывая сложность дифракционной картины порядков эшелле, кадры будут передаваться на Землю со сжатием без потерь.

Литература

[1] R. W. Zurek, A. Chicarro, M. A. Allen et al., “Assessment of a 2016 mission concept: The search for trace gases in the atmosphere of Mars,” Planetary and Space Science, 59, 284-291 (2011).

[2] A. Coradini, F. Capaccioni, P. Drossart et al., “VIRTIS: An imaging spectrometer for the Rosetta mission,” Space Science Reviews, 128(1-4), 529-559 (2007).

[3] P. Drossart, G. Piccioni, A. Adriani et al., “Scientific goals for the observation of Venus by VIRTIS on ESA/Venus Express mission,” Planetary and Space Science, 55, 1653-1672 (2007).

Размещено на Allbest.ru