В России разработали фотокатоды для нового орбитального телескопа
В нашей стране продолжается создание «начинки» для перспективного космического телескопа «Спектр-УФ». Трехтонная орбитальная обсерватория (в 2025 году находится в степени готовности более 50%) изначально проектировалась как международный научный проект, что предполагало установку на ее борту научного оборудования не только российских, но и иностранных участников. Сейчас идет разработка отечественных приборов и компонентов, которыми заменят ранее планировавшиеся к установке приборы зарубежных научных центров. Так в Новосибирске созданы фотокатоды на основе соединения цезий-йод для электронно-оптических преобразователей телескопа «Спектр-УФ». Их характеристики значительно превзошли то, что должно было поступить из Европы.
Что такое фотокатод? Это материал, способный при попадании на него света (фотонов) испускать электроны, а значит, получаемый электрический ток можно измерить, и, таким образом, оценить интенсивность излучения. Объединяя фотокатод, умножитель электронов (микроканальную пластину) и люминофорный экран в вакуумном корпусе, можно не просто измерять ток, а регистрировать изображения в соответствующем диапазоне длин волн.
Разработка фотокатодов на основе соединения цезий-йод для орбитального телескопа выполнена в Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения Российской академии наук (ИФП СО РАН).
По информации авторов проекта, с момента запуска в районе 2030-2031 годов «Спектр-УФ» будет выступать фактически преемником западного телескопа имени Хаббла, во-первых, закрывая его ультрафиолетовую рабочую нишу. Во-вторых, получая совершенно новую информацию, благодаря современному оборудованию и расположению над поверхностью Земли — в 70 раз выше, чем «Хаббл», на 35 000 км. Как минимум до 2041 года, «Спектр-УФ» будет единственным в мире космическим телескопом, собирающим данные в ультрафиолетовом диапазоне.
Головной организацией проекта «Спектр-УФ» является НПО им. С.А. Лавочкина, за оптические элементы и зеркала телескопа отвечает АО «Лыткаринский завод оптического стекла», за разработку электронных блоков — Институт космических исследований РАН, Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики берёт на себя ответственность за комплектацию блока спектрографов и элементов блока камер поля.
Головной научной организацией по проекту «Спектр-УФ» выступает Институт астрономии РАН (ИНАСАН), Институт физики полупроводников изготавливает электронно-оптические преобразователи для блока камер поля — «глаз» телескопа.
Калибровка фотокатодов — ключевой части электронно-оптических преобразователей — была проведена недавно в Институте ядерной физики имени Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН).
«Исследование и создание фотокатодов — традиционное направление для нашей лаборатории, но с соединением цезий-йод мы раньше не имели дела. Поэтому, когда возник интерес со стороны коллег из ИНАСАН, мы осваивали технологию на ходу — разработали процесс изготовления фотокатодов, дополнительное оборудование и выяснили, какая конструкция позволит добиться максимальной квантовой эффективности. Такой, чтобы на фоточувствительной поверхности фотокатода выделялось как можно больше электронов в ответ на поглощенные фотоны. Результаты недавней калибровки, проведенной в ИЯФ СО РАН, показали, что квантовая эффективность первых тестовых устройств составляет 40% (упрощенно говоря, 100 фотонов “производят” 40 электронов), что существенно превышает пороговые значения, обязательные для “Спектр-УФ”», — поясняет заведующий лабораторией ИФП СО РАН доктор физико-математических наук, профессор РАН Олег Евгеньевич Терещенко.
«Необходимое и достаточное значение квантовой эффективности для нас — 20%. Звезды — слабый источник излучения, и мы боремся за каждый процент, поэтому эффективность в 40% — это идеально. Таких параметров достигали ранее только в Японии, в компании “Hamamatsu Photonics”», — подчеркивает директор ИНАСАН доктор физико-математических наук, профессор РАН Михаил Евгеньевич Сачков.
После космической миссии «Хаббл», которая работает на орбите уже 35 лет, «Спектр-УФ» станет единственным орбитальным телескопом, получающим данные о Вселенной в ультрафиолетовом диапазоне. Такая информация нужна для исследования атмосферы экзопланет, в том числе для поиска биологических маркеров (признака внеземной жизни), установления физических процессов звездообразования (молодые звёзды излучают в основном в ультрафиолете). А также для понимания тепловой и химической эволюции Вселенной, поиска темного барионного вещества.
В кооперацию по проекту «Спектр-УФ» входит множество ведущих научных и производственных организаций России, ранее одним из партнеров была испанская компания, которая разрабатывала фотокатоды для «глаз» телескопа. Но сотрудничество прекратилось, и потребовалось отечественное решение, которое предложили специалисты ИФП СО РАН.
«На одной из конференций мы увидели подробную презентацию о работах в лаборатории Олега Евгеньевича Терещенко и были приятно удивлены, что в Институте физики полупроводников есть, по сути, полный цикл производства электронно-оптических преобразователей. Это именно то, что нам надо, поскольку готового продукта, с требуемыми характеристиками не существует, его нужно разрабатывать, адаптировать для проекта. Кроме того, важно, что происходит взаимодействие двух академических институтов, развитие идет в обе стороны», — добавляет Михаил Сачков.
Вакуумный ультрафиолет (ВУФ) полностью поглощается земной атмосферой, поэтому для работы в этой области приходится создавать специализированные высоковакуумные установки. Единственный в России синхротронный источник, на котором можно проводить работы в ВУФ диапазоне, находится в ИЯФ СО РАН — станция синхротронного излучения «Космос», которая использует излучение из накопителя ВЭПП-4. Большую часть времени, около 75%, ВЭПП-4 работает как коллайдер, а оставшиеся 25% — как источник синхротронного излучения. На станции «Космос» можно добиться требуемой мощности излучения и провести калибровку устройств, работа которых связана с излучением в ВУФ и мягком рентгеновском диапазонах.
«В процессе калибровки мы соотносим показания прибора с показаниями эталонного детектора. Излучение в вакуумном ультрафиолете очень капризное: оно полностью поглощается в атмосфере, оптика и детекторы в этом диапазоне сильно меняют свои свойства при наличии даже незначительных загрязнений на поверхности. Поэтому приходится соблюдать особые меры предосторожности и все измерения проводить в высоком вакууме.
В данном случае мы измеряли эффективность фотокатодов при их облучении фотонами с определенной длиной волны. Эти фотоны мы выделяем из «белого» пучка синхротронного излучения с помощью монохроматора, в состав которого входят зеркала, дифракционная решетка и фильтры из фторида магния. Создателей “Спектр-УФ” особенно интересует узкий диапазон вокруг спектральной линии Лайман-альфа (~121,6 нанометров), так как она служит важным диагностическим инструментом для исследования атмосферы планет, активности звёзд. Но и для других длин волн мы оцениваем эффективность фотокатодов. Методика выполнения измерений отлажена, это довольно стандартная процедура. Так сложилось, что большую часть времени наша станция работает в мягком рентгеновском диапазоне, однако перенастроить установку для вакуумного ультрафиолета не слишком сложно», — отмечает старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН кандидат физико-математических наук Антон Дмитриевич Николенко.
«После запуска мы планируем работать по базовой программе, закрывающей основные исследовательские направления, первое и самое важное из них — получение информации об атмосфере экзопланет. Кроме того, “Спектр-УФ” будет действовать в режиме обсерватории, когда астрономы (в том числе иностранные) подают заявки, и мы их реализуем. Проект востребован, — если судить по запросам в наблюдениях к телескопу имени Хаббла, — их больше, чем 10 к одному. То есть из десяти заявок реализуется только одна. “Спектр-УФ” полностью импортонезависим, у нас есть всё необходимое», — резюмирует Михаил Сачков.
По информации пресс-службы ИФП СО РАН.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ наши материалы в рубрике «КОСМОС»:
В США сообщили подробности о новом российском военном спутнике Космос-2588
Новые российские спутники-ретрансляторы рассчитаны на 15 лет работы на орбите
Два новых российских спутника для исследований ионосферы готовят к запуску летом 2025 года
В России завершается разработка энергопреобразующего комплекса (КЭП) для перспективных спутников
Еще одна российская квантово-оптическая станция появится в Южной Америке
240 новых спутников сделают ГЛОНАСС сверхточной системой навигации
