Контроль фазирования главного зеркала космического радиотелескопа "Миллиметрон" по внутреннему источнику излучения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Контроль фазирования главного зеркала космического радиотелескопа "Миллиметрон" по внутреннему источнику излучения

Д.Т. Пуряев,

В.И. Батшев,

А.В. Капустин

Выполнен анализ влияния погрешностей позиционирования сегментов составного параболического зеркала космического радиотелескопа "Миллиметрон" на функцию рассеяния точки. Разработан метод контроля фазирования составного параболоида, основанный на применении вспомогательных конических зеркал, конструктивно соединенных с сегментами параболоида. параболический радиотелескоп зеркало

Проект "Миллиметрон" [1-3] выполняется в рамках федеральной космической программы в Астрокосмическом центре Физического института им. П.Н. Лебедева РАН под руководством академика РАН Н.С. Кардашева. Проект предполагает создание космической обсерватории для исследования различных объектов в спектральном диапазоне от 20 мкм до 20 мм, основная длина волны 300 мкм. В качестве оптической системы телескопа [2] выбрана система Кассегрена, показанная на рис. 1а. Главное зеркало диаметром 10000 мм имеет форму параболоида с фокусным расстоянием 2400 мм и является составным. Вторичное зеркало диаметром 550 мм - гиперболическое с вершинным радиусом 255 мм и квадратом эксцентриситета 1,147. Расстояние между вершинами зеркал 2277 мм. Фокус телескопа F удален от вершины главного зеркала на расстояние 1300 мм и совмещен с действительным геометрическим фокусом гиперболоида F1. Фокус параболического зеркала F0 совмещен с мнимым геометрическим фокусом F2 гиперболоида. Важная особенность оптической системы телескопа заключается в том, что вторичное гиперболическое зеркало располагается внутри стрелки прогиба главного зеркала. Это исключает прямое попадание солнечных лучей на гиперболическое зеркало.

Рис. 1 - Оптическая схема телескопа (а); внешний вид апертуры главного зеркала (б)

Главное зеркало является составным и содержит центральное монолитное параболическое зеркало диаметром 3 м с центральным отверстием диаметром 600 мм, а также 72 внеосевых сегмента, которые расположены в 24-х секторах, разделенных на 3 яруса, как показано на рис. 1б. Геометрические размеры и форма отражающих поверхностей сегментов одного и того же яруса одинаковы, но, очевидно, отличаются от размеров и формы сегментов в других ярусах.

В рабочем состоянии внеосевые сегменты параболоида и центральное зеркало должны составлять единую поверхность, адекватную по своему оптическому действию монолитному параболоиду. Конечной целью фазирования является формирование на выходе из телескопа бесступенчатого волнового фронта, т.е. сферической поверхности равных фаз электромагнитных колебаний. Допустимая величина так называемой "ступеньки" волнового фронта согласно критерию Марешаля, не должна превышать 20 мкм для основной длины волны 300 мкм. С точки зрения геометрической оптики поставленная цель достигается тогда, когда оптические оси всех сегментов, цельтрального зеркала и гиперболоида будут совмещены в единую ось - оптическую ось всего телескопа в целом, а фокусы сегментов и центрального зеркала совместятся с мнимым геометрическим фокусом F2 гиперболоида (рис. 1). Кроме того, фокусные расстояния всех сегментов и центрального зеркала должны быть равны с точностью ±10 мкм, что при фокусном расстоянии параболоида, большем двух метров, является сложной технологической проблемой, решение которой в данной работе не обсуждается.

Основная трудность контроля фазирования заключается в поиске приемлемого способа получения информации о пространственном положении каждого сегмента относительно оптической оси и фокуса параболического зеркала. В реальной системе телескопа каждый сегмент может быть установлен в пространстве с конечной точностью, которая определяется точностью метода фазирования. Важным является вопрос, какой точности фазирования требует оптическая система. В данной работе было принято допущение, что задача фазирования сегментов считается выполненной в случае, когда дифракционное изображение звезды в фокусе телескопа на длине волны 300 мкм отличается от дифракционного изображения звезды в телескопе с идеально фазированным главным зеркалом не существенно, а именно:

1) диаметр кружка Эйри отличается не более чем на 10%;

2) эллиптичность кружка Эйри не более 5%;

3) координаты центра кружка Эйри не выходят за пределы кружка Эйри в идеально фазированной системе;

4) возмущения поля за пределами кружка Эйри минимум на порядок меньше максимальной интенсивности в дифракционном пятне.

Моделирование проводилось по методу Монте-Карло. На вход оптической системы поступал плоский волновой фронт с длиной волны 300 мкм; приемник излучения располагался в фокальной плоскости телескопа. Каждый сегмент независимо от остальных сегментов смещался вдоль каждой оси координат OX, OY, OZ, а также поворачивался вокруг каждой из этих осей (центр вращения располагался в центре соответствующего сегмента). Смещения и повороты являлись случайными величинами в заданных интервалах (закон распределения вероятности - равномерный). Интервалы смещений (dx, dy, dz) и поворотов (dб, dв, dг) подобраны так, чтобы погрешности позиционирования сегментов параболоида не вносили существенный вклад в дифракционное изображение звезды в фокусе телескопа.

В результате моделирования получены следующие интервалы возможных смещений и поворотов сегментов, при которых дифракционное изображение звезды в фокальной плоскости телескопа не претерпевает существенных изменений для 97% таких систем телескопа с децентрированными сегментами главного зеркала (количество реализаций для метода Монте-Карло принято равным 5000).

1) Продольные и поперечные смещения сегмента: dx = dy = dz = ±30 мкм.

2) Повороты сегмента: dб = dв = dг = ±15 угл. сек.

Погрешность фазирования параболического зеркала не должна превосходить приведенные интервалы.

Идея предлагаемого метода контроля фазирования заключается в применении кольцевого конического зеркала, на которое падает осевой пучок параллельных лучей, отраженных от параболического сегмента. Оси сегментов и конических зеркал совмещены. Каждый параболический сегмент жестко соединен с соответствующим кольцевым коническим зеркалом, находящемся на внешнем крае сегмента. Внутренняя отражающая поверхность конуса преобразует параллельный пучок лучей в линию. Это возможно только в том случае, если пучок параллельных лучей, падающий на конус, параллелен оси конической поверхности, а коническая поверхность в свою очередь является правильной, т.е. имеет осевую симметрию и образована вращением отрезка прямой вокруг оси. Когда вышесказанные условия соблюдены, коническое зеркало фокусирует параллельный пучок лучей в линию, лежащую на оси конической поверхности. На рис. 2 показан ход лучей, отраженных от внешнего сегмента зеркала 1. Лучи, попадающие на все остальные сегменты, ведут себя аналогично.

Рис. 2 - Схема контроля положения сегментов главного зеркала: 1 -сегмент внешнего яруса параболоида, 2 - контррефлектор, 3 - вогнутое коническое зеркало, 4 - ФПУ

В предлагаемой схеме контроля точечный источник света расположен в действительном фокусе F1 контррефлектора 2 и при отражении от него образуется сферический волновой фронт с центром в его мнимом фокусе F2. Если контролируемый сегмент параболоида правильно ориентирован в пространстве (т.е ось параболического сегмента совпадает с осью гиперболоида и фокус параболического сегмента совмещен с мнимым фокусом гиперболоида), то волновой фронт, отраженный от сегмента параболоида, будет плоским, и на кромку сегмента будет поступать строго параллельный пучок лучей. Угол раствора конической поверхности 3 рассчитывается таким образом, что параллельный пучок лучей, поступающий на внутреннюю поверхность конической кромки, фокусируется в линию вблизи вершины параболоида, где в предлагаемой схеме контроля установлено фотоприемное устройство (ФПУ) 4. Чувствительная площадка ФПУ лежит на оптической оси системы и перпендикулярна плоскости рисунка.

В процессе контроля очередного сегмента параболоида на приемнике излучения будет формироваться изображение в виде линии, которое создает коническая кромка каждого сегмента. По положению, размеру и интенсивности этого изображения можно сделать заключение о положении данного сегмента параболоида.

Для обеспечения фазирования зеркала с помощью данного метода необходимо, чтобы вторичное зеркало и центральный параболоид были съюстированы, т.е. чтобы совпадали их оси и чтобы фокус параболоида совпал с мнимым фокусом гиперболоида F2. Для контроля юстировки можно использовать, например, метод анаберрационных точек [4], применив вспомогательное плоское зеркало, конструктивно соединенное с гиперболоидом и обеспечивающее автоколлимационный ход лучей.

В результате моделирования системы фазирования телескопа получены изображения фокальных линий с учетом эффектов дифракции (длина волны в системе фазирования л=632.8 мкм), а также определены величины их смещений при смещениях и наклонах сегментов параболоида (табл. 1 и 2). На рис. 3 показано дифракционное изображение источника излучения в системе фазирования и распределение интенсивности в фокальной линии вдоль оси OY. Размер кадра по оси OZ составляет 75 мм, по оси OY - 0.02 мм.

Рис. 3. Дифракционное изображение источника излучения, построенное коническим зеркалом, расположенном на краю сегмента составного параболического зеркала

Табл. 1 -Смещения фокальных линий в зависимости от смещений сегментов

Табл. 2 - Смещения фокальных линий в зависимости от наклонов сегментов

Фокальные линии имеют вид полос с высшими порядками дифракции малой интенсивности. В линии, соответствующей нулевому порядку дифракции, сосредоточено более 95% энергии. Ширина центрального максимума около 5 мкм.

Длина фокальной линии определяется шириной конического зеркала на сегменте параболоида. При смещении сегмента параболоида вдоль какой-либо оси координат фокальная линия также смещается. При поворотах сегментов помимо смещения фокальной линии происходит заметное перераспределение энергии: энергия из нулевого порядка дифракции переходит в 1 порядок, что выражается появлением в изображении двух ярких линий вместо одной.

На основании выводов, сделанных в пункте 2, погрешность позиционирования сегментов не должна превышать 50 мкм. Из табл. 1 и 2 видно, что оптическая система фазирования имеет ненулевую реакцию на соответствующие децентрировки сегментов всех типоразмеров на величину 20 мкм и наклонов на величину 10 угл. сек; величины этой реакции достаточно, чтобы децентрировки были обнаружены. Значит, разработанный метод применим для контроля позиционирования сегментов зеркала радиотелескопа "Миллиметрон".

Заключение

Установлено, что погрешность позиционирования сегментов главного зеркала телескопа "Миллиметрон" не должна превышать 30 мкм для основной длины волны 300 мкм, при этом требования к качеству изображения, сформулированные в пункте 2, будут удовлетворены.

Разработанный метод контроля позиционирования сегментов зеркала обеспечивает достаточную точность контроля.

Работа выполнена по гранту Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых (договор № 4.124.13.5457-МК).

Список литературы

1. Проект Миллиметрон / Кардашев Н.С. [и др.] Тр. Физич. ин-та им. П.Н. Лебедева. 2000. Т. 228. С. 112.

2. Пуряев Д.Т., Батшев В.И. Оптическая система радиотелескопа космической обсерватории "Миллиметрон" // Прикладная оптика - 2008. Сборник трудов МНТК. СПб, 2008. Т.1. C. 186 - 190.

3. Пуряев Д.Т., Батшев В.И. Оптическая система и методика для контроля позиционирования сегментов составного параболического зеркала радиотелескопа космической обсерватории "Миллиметрон" // Измерительная техника. 2009. Т. 52, №5. С. 29 - 31.

4. Пуряев Д.Т. Методы контроля оптических асферических поверхностей. М.: Машиностроение, 1976. 262 с.

Размещено на Allbest.ru