Телескоп-рефлектор «КЛПВЭ»

Проект телескопа-рефлектора «КЛПВЭ» (Космические Лучи Предельно Высоких Энергий) относится к тому типу космических экспериментов фундаментального астрофизического и космологического значения, которые для получения результатов требуют постановки эксперимента в глобальном масштабе и не могут дать окончательных результатов в наземных условиях. Речь идет об использовании атмосферы Земли как мишени, в которой космические лучи (КЛ) ультравысоких энергий создают светящиеся треки, удобные как для их отбора, так и для измерения тех параметров трека, которые прямо связаны с параметрами первичных частиц космических лучей. Этот метод изучения первичных частиц космических лучей ультравысоких энергий опробован в существующих наземных установках: доказана высокая точность восстановления параметров первичной частицы по данным о светящемся треке в атмосфере, проведены измерения на сравнительно больших площадях атмосферы, порядка 10³ км². Вместе с тем опыт создания и эксплуатации наземных детекторов, работающих по этому методу, показал, что достигнуть предельно возможной площади обзора атмосферы, порядка площади 10⁸ км², необходимой для решения вопроса о происхождении космических лучей ультравысоких энергий, возможно лишь при переносе этих детекторов на орбиту спутника Земли.

Главными задачами космического эксперимента «КЛПВЭ» является изучение анизотропии и состава КЛ в области энергий до и после так называемого излома Грейзена-Зацепина-Кузьмина при 50 ЭэВ, то есть при предельно высоких энергиях. Особенно важно осуществить поиск первичных нейтрино в области энергий около 10 ЭэВ, которые должны присутствовать в составе КЛ, если излом энергетического спектра при энергии 50 ЭэВ действительно связан с потерями энергии протонов во взаимодействии с реликтовыми фотонами. Поэтому первым условием успеха эксперимента «КЛПВЭ» является осуществление большого геометрического фактора наблюдения первичных частиц КЛ при пороговых энергиях не более 10–20 ЭэВ.

В рамках возможностей рассматриваемого проекта телескопа-рефлектора «КЛПВЭ» находится целый ряд исследований, не связанных с космическими лучами ультравысоких энергий, но которые важны для науки. Эти возможности связаны с высокой точностью измерения времени и положения в атмосфере объекта свечения в области ближнего ультрафиолета. Практически все объекты, вызывающие ионизацию атмосферы, являются источником излучения ультрафиолета, связанного с возбуждением молекул азота. В частности, источником ультрафиолета являются:
- электрические разряды в атмосфере;
- метеороиды, сгорающие в атмосфере;
- субрелятивисткие космические пылинки, сгорающие в атмосфере;
- предметы «мусора» от искусственных спутников Земли, сгорающие в атмосфере.

Комплекс научной аппаратуры «КЛПВЭ» состоит из следующих составных частей:

1. Сборное зеркало-концентратор, которое предназначено для концентрации сигнала от участков трека космического луча предельно высоких энергий в отдельных ячейках блока фотоприемника. В рабочем положении диаметр зеркала - не более 3,6 м, фокусное расстояние - 4 м; на стадии эскизного проекта будет окончательно решено, как будет выполняться сборное зеркало-концентратор: либо как единственный элемент оптической системы, выполняемой по принципу Дэвиса-Коттона со многими степенями свободы, либо как основное зеркало-параболоид с дополнительной линзой вблизи фотоприемника. В любом случае конструкция сборного зеркала-концентратора сборная и должна удовлетворять условиям транспортировки грузов на корабле «Прогресс».

2. Блок фотоприемника, в состав которого входит: узел электроники фотоприемников, юстировочное устройство, устройство контроля атмосферы «ЛИДАР». Блок фотоприемника предназначен для получения и формирования блока экспериментальных данных, которые затем накапливаются в носителе информации и возвращаются на Землю. Кроме того блок фотоприемника осуществляет контроль состояния научной аппаратуры и принимает команды от блока обработки данных об изменении режима работы. Узел электроники фотоприемников предназначен для измерения временного профиля сигнала на каждой ячейке блока фотоприемника (всего около 2000 ячеек) в течение всей длительности события. Относительное время событий, задаваемое электроникой научной аппаратуры, привязывается к бортовому времени. Точность временной привязки должна быть не менее 1 секунды (уточняется на стадии разработки электроприборов). Юстировочное устройство предназначено для юстировки положения блока фотоприемника относительно фокуса оптической системы. В его состав входят: электро-механический привод позиционирования блока фотоприемника, 4 импульсных источника света (лазерные диоды) и 4 приемника сигнала света от отражателей, расположенных на сборном зеркале-концентраторе. По сигналам от приемников отраженного света вырабатывается команда на электромеханический привод и с тем, чтобы блок фотоприемника принял расчетное положение относительно фокуса оптической системы. «ЛИДАР» предназначен для автоматического мониторинга атмосферы в поле зрения телескопа. Основным элементом «ЛИДАР» является калиброванный по мощности излучения в импульсе лазерный источник с длиной волны 355 нм. Система отбора полезных событий в телескопе вырабатывает управляющий сигнал для «ЛИДАР», пучок излучения которого направлен на тот район поля зрения телескопа, где произошло событие, имеющее в своем составе черенковскую точку. По времени прихода отраженного сигнала между отправленным импульсом и принятым сигналом в телескопе определяется расстояние до места генерации черенковской точки. По абсолютному значению принятого телескопом отраженного сигнала лазера определяется произведение коэффициента отражения сигнала на коэффициент поглощения на расстоянии от телескопа до места возникновения черенковской точки. Эти параметры необходимы для определения глубины максимума широких атмосферных ливней, а также они уточняют определение направления оси широких атмосферных ливней. «ЛИДАР», как прибор обеспечивающий наблюдение за состоянием атмосферы, обязательно входит в состав установок по изучению космических лучей ультравысоких энергий флуоресцентным методом.

3. Блок обработки и хранения данных, осуществляющий фильтрацию, предварительную обработку данных и их хранение для возвращения этих данных на Землю. В состав данных о каждом событии входят: данные о времени его регистрации, данные о временном профиле сигнала в ячейках, зарегистрировавших трек широкого атмосферного ливня, контрольные данные о состоянии атмосферы и расстоянии до места отражения черенковского света широких атмосферных ливней (от облаков, суши, моря), параметры орбиты, данные по ориентации международной космической станции, контрольные данные о состоянии научной аппаратуры. Каждое событие, включая контрольные данные, в среднем содержит объем информации 500 Кбайт. Ожидаемое число полезных событий в сутки – не более сотни. Ожидаемый объем информации о событиях космических лучей предельно высоких энергий, накопленный за сутки, составляет 50 Мбайт (~10 Гбайт за полгода работы до возвращения на Землю накопителя данных). Информация о состоянии научной аппаратуры передается на Землю 1 раз в сутки. Блок обработки и хранения данных имеет цифровые интерфейсы CAN и (или) Ethernet для подключения к информационно-управляющей системе управления бортовым компьютером.

4. Несущая конструкция, предназначенная для крепления блоков научной аппаратуры на внешней поверхности российского сегмента международной космической станции.

5. Силовой и информационный кабели, предназначенные для снабжения электрическим питанием наружных блоков научной аппаратуры, для приема команд блока обработки и хранения данных к блоку фотоприемника и юстировочному устройству, для передачи информации от блока фотоприемника к блоку обработки и хранения данных.

Комплекс требований к детектору «КЛПВЭ» накладывается его расположением на российском сегменте международной космической станции. Лимитируются общие размеры детектора: диаметр оптической системы - не более 3,6 м, ее продольный размер - не более 4 м. Детектор должен собираться из частей, которые доставляются на станцию грузовым кораблем «Прогресс-ТМ», размером каждой не более 60х120 см.

В поисках конструктивного решения сборно-разборной конструкции такого телескопа было рассмотрено несколько вариантов. Первым простым вариантом было сборное зеркало-концентратор из шестиугольных сегментов. Каждый сегмент зеркала представляет собой сумму колец – частей параболоидов, фокусирующих параллельный пучок света в общую для всего зеркала точку. Таким образом получается своеобразный зеркальный аналог линзы Френеля – френелевское зеркало. Однако, в отличие от классических линз Френеля отдельные участки параболоидов имеют различные радиусы кривизны: они подбираются из условия идеальной фокусировки на оси. Перепад высот в пределах отдельного френелевского кольца фиксирован и равен 1 см. Такое зеркало имеет малую строительную высоту (в основном определяемую многослойной структурой углепластика и наличием опорной поверхности), а по своим расчетным характеристикам мало отличается от идеального параболоида. Сторона каждого сегмента - шестиугольника – 33 см, так что диаметр входного зрачка зеркала в целом - около 180 см (D), а площадь - 1,8 кв. м. Эффективное фокусное расстояние cборного зеркала-концентратора -150 см (f). Таким образом относительное отверстие составляет A = D/f = 1,2.

Материалом для выполнения конструкции зеркала-концентратора выбран углепластик, армированный сотами из алюминия. Зеркало с описанными характеристиками выполнено для космического эксперимента «ТУС» на спутнике «Ломоносов». Разработки конструкции зеркала «ТУС» были использованы при проработке конструкции телескопа-рефлектора для проекта «КЛПВЭ». Так первым вариантом конструкции было сборное зеркало-концентратор площадью 10 м² из 37 сегментов, подобные сегментам зеркала «ТУС». В этом варианте зеркала заложена обязательная необходимость автоматического развертывания зеркала в рабочее положение, которое требует большого свободного пространства в районе расположения базисного крепления телескопа на российском сегменте международной космической станции.

Вариант сборки "КЛПВЭ" космонавтом на российском сегменте Международной космической станции

После анализа преимуществ и недостатков различных вариантов создания сборного зеркала-концентратора и фотоприемника был выбран вариант сборной двухкомпонентной оптической системы. В этом случае кроме первичного зеркала, которое может быть выполнено либо как классический параболоид, либо как набор колец параболоида, вблизи фотоприемника размещается плоская линза Френеля. Линза закрепляется вблизи передней поверхности фотоприемника, это позволяет упростить проблему юстировки отдельных элементов системы, а главное - значительно ослабить требования по допускам на изготовление элементов системы и их взаимное расположение, а также значительно снизить хроматические аберрации. В некотором смысле такая линза скорее выступает в роли световода, чем в роли настоящей корректирующей оптики, принятой в астрономических телескопах.

Рабочее название обновленного детектора «КЛПВЭ» - K-EUSO, которое происходит от наименований двух объединенных проектов — «КЛПВЭ» и JEM-EUSO (Japanese Experiment Module — Extreme Universe Space Observatory). Головной организацией по реализации проекта «КЛПВЭ» является НИИЯФ МГУ, научными руководителями - Михаил Панасюк и Борис Хренов; а JEM-EUSO — физический институт Японии RIKEN, научный руководитель - Пьерджорджио Пикоцца (Piergiorgio Picozza) из римского Университета Тор Вергата (Università degli Studi di Roma Tor Vergata) и из Национального института ядерной физики (INFN).

В 2014 г. в Научно-техническом центре приборостроения НИИЯФ МГУ была изготовлена пресс-форма для тестового экземпляра центрального сегмента зеркала-концентратора. Совместно с учеными из института RIKEN активно прорабатывались усовершенствованные схемы оптической системы детектора «КЛПВЭ», дополненные корректирующими линзами Френеля вблизи поверхности фотоприемника. Эти работы основаны на опыте по созданию крупных линзовых систем международной коллаборации JEM-EUSO. В результате были выбраны две схемы: 1) базовая (Baseline), дополняющая первоначальную схему корректирующей линзой; 2) и так называемая многозрачковая схема (MultiEye Telescope System, METS), представляющая собой систему трех телескопов, аналогичных базовой, но имеющих меньшие габариты. Окончательный выбор оптической системы будет сделан в ходе работы над эскизным проектом.

Процесс изготовления пресс-формы для тестового экземпляра центрального сегмента зеркала-концентратора в Научно-техническом центре приборостроения НИИЯФ МГУ