RU2607049C9

RU2607049C9 - Space-based solar optical telescope (versions)

Info

Publication number: RU2607049C9
Application number: RU2015127338A
Authority: RU
Inventors: Евгений Антонович Руденчик; Илья Емельянович Кожеватов; Елена Хусаиновна Куликова; Сергей Борисович Сперанский; Виктор Юрьевич Беляков
Priority date: 2015-07-07
Filing date: 2015-07-07
Publication date: 2018-07-19
Also published as: RU2607049C1

Abstract

FIELD: measuring equipment.

SUBSTANCE: invention can be used for measuring parameters of active areas of the solar photosphere and chromosphere with a high angular resolution in the conditions of the near and the far space. Solar optical telescope includes a primary concave mirror and a field mirror installed in its focus able to turn a light beam reflected from it. Primary concave mirror is made with the minimum thickness from a quartz glass, on the working surface of which a dielectric coating is applied reflecting the solar radiation in a given spectral wavelength range and transmitting the radiation not used for the analysis. Dimensions of the inclined field mirror confine the image area in the square size of the investigated section of the solar surface. In the first version the field mirror reflects a light beam onto the secondary mirror reflecting the light beam onto arranged in series a rotary mirror and a collimator. In the second version – onto a lens transmitting the light beam onto arranged in series a rotary mirror and a collimator.

EFFECT: providing high spatial resolution, effective protection against thermo-optic effects and the minimum weight.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к астрономическому приборостроению и может быть использовано при проведении измерений параметров активных областей солнечной фотосферы и хромосферы с высоким угловым (пространственным) разрешением в условиях ближнего и дальнего космоса.The invention relates to astronomical instrumentation and can be used when measuring parameters of the active regions of the solar photosphere and chromosphere with high angular (spatial) resolution in the near and far space.

В настоящее время не вызывает сомнения вопрос о решающей роли структуры и динамики магнитных полей солнечной фотосферы в наиболее значимых для Земли проявлениях солнечной активности. Известно, что на Солнце существуют очень сильные магнитные поля, являющиеся основным источником всех спорадических явлений, влияющих на Землю и околоземное пространство. К ним можно отнести выбросы в сторону Земли намагниченной плазмы, вызывающие магнитные бури, а также эмиссию рентгеновского и гамма-излучения. Предыдущие наблюдения, устанавливающие связь между спорадическими явлениями в атмосфере Солнца и пересоединением магнитно-силовых линий, в силу ограниченности пространственно-временных разрешений не позволили установить механизм хромосферных и корональных нагревов, а также ускорений заряженных частиц.Currently, there is no doubt about the decisive role of the structure and dynamics of the magnetic fields of the solar photosphere in the most significant manifestations of solar activity for the Earth. It is known that there are very strong magnetic fields on the Sun, which are the main source of all sporadic phenomena affecting the Earth and near-Earth space. These include emissions of magnetized plasma towards the Earth, causing magnetic storms, as well as emission of x-ray and gamma radiation. Previous observations, establishing a connection between sporadic phenomena in the solar atmosphere and reconnection of magnetic lines of force, due to the limited space-time resolutions, did not allow us to establish the mechanism of chromospheric and coronal heating, as well as accelerations of charged particles.

Одной из нераскрытых загадок солнечной плазмы остается тонкая структура магнитных полей на уровне фотосферы. Существуют многочисленные аргументы и свидетельства того, что магнитное поле сосредоточено в очень тонких жгутах, находящихся за пределами разрешения земных оптических телескопов. Недавний прогресс фотосферных наблюдений, достигнутый в самое последнее время, позволил получить косвенные доказательства существования в солнечной фотосфере тонкой структуры магнитного поля с размерами до 0,1÷0,3 угловых сек. Однако детальные свойства и тонкая структура солнечных фотосферных магнитных полей до сих пор остаются неизвестными из-за ограниченности пространственно-временных разрешений и влияния земной атмосферы на качество измерений магнитных полей, проводимых с помощью телескопов земного базирования. Этим объясняются значительные усилия исследователей солнечной активности в постановке внеатмосферных экспериментов по изучению структуры и динамики магнитного поля в атмосфере Солнца.One of the unsolved mysteries of the solar plasma is the fine structure of magnetic fields at the photosphere level. There are numerous arguments and evidence that the magnetic field is concentrated in very thin bundles beyond the resolution of terrestrial optical telescopes. The recent progress in photospheric observations, achieved recently, has provided indirect evidence of the existence in the solar photosphere of a fine structure of a magnetic field with sizes up to 0.1 ÷ 0.3 arcsec. However, the detailed properties and fine structure of solar photospheric magnetic fields are still unknown due to the limited spatial and temporal resolutions and the influence of the Earth’s atmosphere on the quality of measurements of magnetic fields using earth-based telescopes. This explains the considerable efforts of researchers of solar activity in the formulation of extra-atmospheric experiments to study the structure and dynamics of the magnetic field in the solar atmosphere.

Ключевым параметром, определяющим возможность решения задачи получения информации о тонкой структуре магнитного поля в солнечной фотосфере, является угловое разрешение солнечного оптического телескопа, входящего в состав прибора по исследованию магнитных полей солнечной фотосферы и хромосферы. Угловое (пространственное) разрешение телескопа определяется диаметром его входной апертуры. Для получения высокого (~0,3 угловых секунды) разрешения апертура этого телескопа должна быть не меньше 450 мм.The key parameter determining the possibility of solving the problem of obtaining information about the fine structure of the magnetic field in the solar photosphere is the angular resolution of the solar optical telescope, which is part of the device for studying the magnetic fields of the solar photosphere and chromosphere. The angular (spatial) resolution of the telescope is determined by the diameter of its input aperture. To obtain a high (~ 0.3 arc second) resolution, the aperture of this telescope must be at least 450 mm.

Одним из препятствий использования большеапертурных солнечных телескопов для внеатмосферных экспериментов является линейная зависимость мощности солнечного излучения, падающего на первичное зеркало солнечного оптического телескопа от величины его апертуры. Именно это обстоятельство послужило основанием исключить из космических миссий «Solar Orbiter» и «Solar Plus» большеапертурные телескопы высокого разрешения. Практически все солнечные приборы, которые выводились ранее в космическое пространство, также обладали существенно меньшими апертурами и не обеспечивали требуемое разрешение. Исключение составляет солнечный оптический телескоп, установленный на космическом аппарате «HINODE» (Япония).One of the obstacles to using larger aperture solar telescopes for extra-atmospheric experiments is the linear dependence of the power of solar radiation incident on the primary mirror of the solar optical telescope on its aperture value. It was this circumstance that served as the basis for excluding from the space missions "Solar Orbiter" and "Solar Plus" large-aperture high-resolution telescopes. Almost all solar devices that were previously launched into outer space also had significantly smaller apertures and did not provide the required resolution. An exception is the solar optical telescope mounted on the HINODE spacecraft (Japan).

Выбор вариантов исполнения основных составляющих солнечного оптического телескопа, используемого на космических аппаратах в условиях ближнего и дальнего космоса, в значительной мере диктуется жесткими требованиями на его массу и габариты, а также температурными условиями работы и другими исходными данными, связанными с условиями размещения и полета.The choice of options for the execution of the main components of the solar optical telescope used on spacecraft in the near and far space is largely dictated by stringent requirements for its mass and dimensions, as well as thermal operating conditions and other initial data related to the conditions of deployment and flight.

Одним из самых жестких и трудновыполнимых требований для выбора конструкции телескопа является ограничение на его максимальную массу в сочетании с требуемым угловым разрешением. Поскольку угловое разрешение телескопа определяется диаметром его входной апертуры, то минимизация массы связана с выбором конструкции первичного зеркала, наиболее крупного и массивного элемента телескопа, а также с как можно более быстрым преобразованием исходного пучка падающего солнечного излучения, отраженного от первичного зеркала, в пучок меньшего диаметра с тем, чтобы площадь и, следовательно, масса последующих оптических элементов была максимально минимизирована.One of the most stringent and difficult requirements for choosing a telescope design is to limit its maximum mass in combination with the required angular resolution. Since the angular resolution of the telescope is determined by the diameter of its input aperture, the minimization of mass is associated with the choice of the primary mirror design, the largest and most massive element of the telescope, as well as with the fastest possible conversion of the initial beam of incident solar radiation reflected from the primary mirror into a beam of smaller diameter so that the area and, consequently, the mass of subsequent optical elements is minimized as much as possible.

Второй из критически важных и сложных задач, от решения которой зависит выбор оптической схемы телескопа, является задача поддержания требуемого температурного режима основных составляющих, связанная с необходимостью сохранять параметры оптической схемы в процессе ее работы. В космических условиях эта задача усложняется наличием дестабилизирующих факторов, в том числе с нестабильностью температуры, связанной со значительным нагревом оптических элементов и элементов конструкции телескопа в результате прямого воздействия солнечного излучения. Нестабильность температуры вызывает изменение геометрических размеров элементов, их деформацию, а также изменение коэффициентов преломления самих оптических элементов, зависящих от температуры. Поэтому одним из основных элементов стратегии тепловой защиты солнечного оптического телескопа космического базирования от потока падающей от Солнца лучевой энергии является отражение неиспользуемой (балластной) части солнечного излучения еще до того, как она будет поглощена и превратится в тепловую энергию, которая имеет неприятное свойство накопления.The second of critical and complex tasks, the solution of which depends on the choice of the optical scheme of the telescope, is the task of maintaining the required temperature regime of the main components, associated with the need to save the parameters of the optical scheme in the process of its operation. In space conditions, this task is complicated by the presence of destabilizing factors, including temperature instability associated with significant heating of optical elements and telescope structural elements as a result of direct exposure to solar radiation. The instability of the temperature causes a change in the geometric dimensions of the elements, their deformation, as well as a change in the refractive indices of the optical elements themselves, depending on the temperature. Therefore, one of the main elements of the thermal protection strategy for a space-based solar optical telescope from the flux of radiant energy incident from the Sun is the reflection of the unused (ballast) part of solar radiation even before it is absorbed and converted into thermal energy, which has an unpleasant accumulation property.

Известно устройство по патенту США на изобретение US 7236297 «Gregorian optical system with non-linear optical technology for protection against intense optical transients)), в котором оптическая система, содержащая первичное зеркало с центральным отверстием отражает свет через промежуточный фокус на вторичное зеркало, вторичное зеркало перефокусирует изображение в конечное изображение, а ограничитель поля (диафрагма поля) располагается вблизи промежуточного фокуса и предназначен для ограничения интенсивности света так, чтобы расположенные за ней компоненты оптической системы были защищены от интенсивных оптических помех.A device is known according to US patent for the invention US 7236297 "Gregorian optical system with non-linear optical technology for protection against intense optical transients)), in which an optical system containing a primary mirror with a central hole reflects light through an intermediate focus on a secondary mirror, a secondary mirror it refocuses the image to the final image, and the field limiter (field diaphragm) is located near the intermediate focus and is intended to limit the light intensity so that the components of the optical system located behind it protect They are protected from intense optical noise.

Недостатком этой системы является то, что ограничитель поля и вторичное зеркало этой системы подвергается воздействию прямого излучения, что приводит к неконтролируемому нагреву этих элементов и таким образом влияет на точность измерений.The disadvantage of this system is that the field limiter and secondary mirror of this system is exposed to direct radiation, which leads to uncontrolled heating of these elements and thus affects the accuracy of measurements.

Известно устройство по патенту RU 2158946 «Оптический солнечный телескоп», в котором оптический телескоп включает корпус с размещенной в нем зафокальной оптической системой, состоящей из главного вогнутого эллипсоидального зеркала с центральным отверстием, вторичного вогнутого эллипсоидального зеркала, плоского непрозрачного зеркала эллиптической формы с центральным отверстием, установленного в первичном фокусе телескопа, и регистрирующего устройства, установленного в фокальной плоскости телескопа. Плоское непрозрачное зеркало с центральным отверстием играет роль диафрагмы поля. Оно пропускает на вторичное зеркало излучение от исследуемой области, отражает световой поток от остальной части солнечного диска и используется для защиты последующей оптики телескопа от воздействия солнечного излучения, неиспользуемого для дальнейшего анализа.A device is known according to patent RU 2158946 "Optical solar telescope", in which the optical telescope includes a housing with a focal optical system located in it, consisting of a main concave ellipsoidal mirror with a central hole, a secondary concave ellipsoidal mirror, a flat opaque mirror of an elliptical shape with a central hole, installed in the primary focus of the telescope, and a recording device installed in the focal plane of the telescope. A flat opaque mirror with a central hole plays the role of a field diaphragm. It transmits radiation from the studied area to the secondary mirror, reflects the light flux from the rest of the solar disk and is used to protect the subsequent telescope optics from the effects of solar radiation, which is not used for further analysis.

Недостатком устройства является то, что плоское непрозрачное зеркало (диафрагма поля), находящееся в первичном фокусе телескопа, подвергается воздействию мощного потока излучения. Кроме того, вторичное зеркало не защищено от воздействия на его нерабочую сторону прямого солнечного излучения. Отсутствие эффективной защиты оптических элементов телескопа от термооптических эффектов способствует нагреву зеркал и их деформации, что приводит к снижению точности измерений.The disadvantage of this device is that a flat opaque mirror (field diaphragm) located in the primary focus of the telescope is exposed to a powerful radiation flux. In addition, the secondary mirror is not protected from exposure to its non-working side of direct sunlight. The lack of effective protection of the optical elements of the telescope from thermo-optical effects contributes to the heating of mirrors and their deformation, which leads to a decrease in measurement accuracy.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в статьях: The Solar Optical Telescope of Solar-B (Hinode): The Optical Telescope Assembly, Solar Physics, 2008, Volume 249, Issue 2, pp. 197-220, Solar Optical Telescope for the Hinode Mission: An Overview, Solar Physics, 2008, Volume 249, Issue 2, pp. 167-196, в котором оптическая схема (фиг. 1) солнечного оптического телескопа, установленного на космическом аппарате и используемого для исследования Солнца на орбите Земли, содержит первичное вогнутое эллипсоидальное зеркало с эффективной апертурой 500 мм и с центральным отверстием, вторичное вогнутое эллипсоидальное зеркало, защитный экран, две зеркальные диафрагмы и коллиматор, располагаемый в центральном отверстии первичного зеркала. Первичное и вторичное зеркала выполнены из кварцевого стекла (Ultra Light Expansion (ULE) производства Corning Glass Inc., США) с нанесенным на рабочую поверхность непрозрачным покрытием из серебра с защитой. При помощи отверстия в первой зеркальной диафрагме, установленной в фокусе первичного зеркала, производится ограничение области изображения солнечного диска, и через отверстие в диафрагме на вторичное зеркало направляется излучение только от исследуемого участка солнечной поверхности. Световой поток за пределами отверстия зеркальной диафрагмы, неиспользуемый в дальнейшей работе устройства, отражается зеркальной диафрагмой под углом в ~90° и выводится через специальный люк в космическое пространство. Для защиты нерабочей стороны вторичного зеркала от прямого падающего солнечного излучения дополнительно используется защитный экран.The closest set of essential features to the proposed invention is the device described in the articles: The Solar Optical Telescope of Solar-B (Hinode): The Optical Telescope Assembly, Solar Physics, 2008, Volume 249, Issue 2, pp. 197-220, Solar Optical Telescope for the Hinode Mission: An Overview, Solar Physics, 2008, Volume 249, Issue 2, pp. 167-196, in which the optical scheme (Fig. 1) of a solar optical telescope mounted on a spacecraft and used to study the Sun in Earth’s orbit, contains a primary concave ellipsoidal mirror with an effective aperture of 500 mm and with a central hole, a secondary concave ellipsoidal mirror, a protective screen, two mirror diaphragms and a collimator located in the central hole of the primary mirror. The primary and secondary mirrors are made of quartz glass (Ultra Light Expansion (ULE) manufactured by Corning Glass Inc., USA) with an opaque silver coating with protection applied to the working surface. Using the hole in the first mirror diaphragm installed in the focus of the primary mirror, the image area of the solar disk is limited, and radiation from the studied part of the solar surface is directed through the hole in the diaphragm to the secondary mirror. The luminous flux outside the opening of the mirror diaphragm, unused in the further operation of the device, is reflected by the mirror diaphragm at an angle of ~ 90 ° and is output through a special hatch into outer space. To protect the non-working side of the secondary mirror from direct incident solar radiation, a protective shield is additionally used.

Недостатками этого устройства являются:The disadvantages of this device are:

- большой уровень энергии (до 6,5% падающего излучения), поглощаемой непрозрачным металлическим покрытием зеркал телескопа, что при наблюдении источников высокой мощности в сочетании с отсутствием непосредственного эффективного отбора ИК-излучения может привести к неприемлемо высоким температурам первичного зеркала и тем самым к его деформации;- a large level of energy (up to 6.5% of the incident radiation) absorbed by the opaque metal coating of the telescope mirrors, which, when observing high power sources in combination with the absence of direct effective selection of infrared radiation, can lead to unacceptably high temperatures of the primary mirror and thereby to its deformation;

- большая масса первичного и вторичного зеркал с оправами в сочетании с большой по массе диафрагмой поля;- a large mass of primary and secondary mirrors with frames in combination with a large mass field diaphragm;

- необходимость дополнительного защитного экрана для защиты нерабочей поверхности вторичного зеркала от прямого солнечного излучения;- the need for an additional protective screen to protect the non-working surface of the secondary mirror from direct sunlight;

- необходимость дополнительного технологического люка для сброса лишней неиспользуемой энергии от первой зеркальной диафрагмы.- the need for an additional technological hatch to discharge excess unused energy from the first mirror diaphragm.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение схемных решений построения широкоапертурного солнечного оптического телескопа, сочетающего в себе высокое пространственное разрешение, эффективную защиту от термооптических эффектов и минимальный вес, необходимые в устройствах для исследования Солнца, устанавливаемых на космических аппаратах и используемых в условиях ближнего и дальнего космоса.The problem to which the present invention is directed is to obtain circuit solutions for constructing a wide-aperture solar optical telescope that combines high spatial resolution, effective protection from thermo-optical effects and the minimum weight required in solar research devices installed on space vehicles and used in conditions near and deep space.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в первом варианте в солнечный оптический телескоп, включающий первичное вогнутое зеркало, установленное с возможностью падения на него прямого солнечного излучения, вторичное зеркало и коллиматор, дополнительно введены полевое зеркало и поворотное зеркало. При этом первичное вогнутое зеркало выполнено с минимально возможной толщиной из кварцевого стекла, обладающего высокой прозрачностью в диапазоне длин волн от 200 нм до 3 мкм, с нанесенным на рабочую поверхность зеркала диэлектрическим покрытием, отражающим солнечное излучение в заданном узком спектральном диапазоне длин волн, используемом для измерений, и пропускающим солнечное излучение, неиспользуемое для наблюдений. Полевое зеркало установлено в фокусе первичного вогнутого зеркала с возможностью поворота отраженного от первичного зеркала пучка света на вторичное зеркало. Вторичное зеркало отражает пучок света, полученный от полевого зеркала, на расположенные последовательно по ходу лучей поворотное зеркало и коллиматор. Размеры полевого зеркала таковы, чтобы обеспечивать ограничение области изображения солнечного диска в размере площади исследуемого участка солнечной поверхности. При этом вторичное зеркало, поворотное зеркало и коллиматор установлены за пределами области падения прямого солнечного излучения.The solution to this problem is achieved by the fact that in the first embodiment, a field mirror and a swivel mirror are additionally introduced into the solar optical telescope, including a primary concave mirror mounted with the possibility of direct sunlight falling on it, a secondary mirror and a collimator. In this case, the primary concave mirror is made with the smallest possible thickness of quartz glass, which has high transparency in the wavelength range from 200 nm to 3 μm, with a dielectric coating deposited on the mirror’s working surface reflecting solar radiation in a given narrow spectral wavelength range used for measurements, and transmitting solar radiation, not used for observation. The field mirror is mounted in the focus of the primary concave mirror with the possibility of rotation of the light beam reflected from the primary mirror on the secondary mirror. The secondary mirror reflects a beam of light received from a field mirror onto a rotary mirror and a collimator arranged sequentially along the rays. The dimensions of the field mirror are such as to provide a limitation of the image area of the solar disk in the size of the area of the studied area of the solar surface. In this case, a secondary mirror, a rotary mirror and a collimator are installed outside the area of incidence of direct solar radiation.

Во втором варианте решение поставленной задачи достигается тем, что солнечный оптический телескоп, включающий первичное вогнутое зеркало, установленное с возможностью падения на него прямого солнечного излучения, и коллиматор, дополнительно введены полевое зеркало, линза, поворотное зеркало. При этом первичное вогнутое зеркало выполнено с минимально возможной толщиной из кварцевого стекла, обладающего высокой прозрачностью в диапазоне длин волн от 200 нм до 3 мкм, с нанесенным на рабочую поверхность зеркала диэлектрическим покрытием, отражающим солнечное излучение в заданном узком спектральном диапазоне длин волн, используемом для измерений, и пропускающим солнечное излучение, неиспользуемое для наблюдений. Полевое зеркало установлено в фокусе первичного вогнутого зеркала с возможностью поворота отраженного от первичного зеркала пучка света на линзу. Линза пропускает пучок света, полученный от полевого зеркала, на расположенные последовательно по ходу лучей поворотное зеркало и коллиматор. Размеры полевого зеркала таковы, чтобы обеспечивать ограничение области изображения солнечного диска в размере площади исследуемого участка солнечной поверхности. При этом линза, поворотное зеркало и коллиматор установлены за пределами области падения прямого солнечного излучения.In the second embodiment, the solution of the problem is achieved by the fact that the solar optical telescope, including a primary concave mirror mounted with the possibility of direct sunlight falling on it, and a collimator, additionally introduced a field mirror, a lens, a rotary mirror. In this case, the primary concave mirror is made with the smallest possible thickness of quartz glass, which has high transparency in the wavelength range from 200 nm to 3 μm, with a dielectric coating deposited on the mirror’s working surface reflecting solar radiation in a given narrow spectral wavelength range used for measurements, and transmitting solar radiation, not used for observation. The field mirror is mounted in the focus of the primary concave mirror with the possibility of rotation of the light beam reflected from the primary mirror onto the lens. The lens transmits a beam of light received from a field mirror onto a rotary mirror and a collimator arranged sequentially along the rays. The dimensions of the field mirror are such as to provide a limitation of the image area of the solar disk in the size of the area of the studied area of the solar surface. In this case, the lens, the swivel mirror and the collimator are installed outside the field of incidence of direct solar radiation.

Такая конструкция солнечного оптического телескопа обеспечивает минимальный вес телескопа в сочетании с высоким угловым (пространственным) разрешением, минимальное воздействие прямого солнечного излучения на его оптические элементы и, следовательно, уменьшение влияния термооптических эффектов, что позволяет устанавливать такой телескоп на космических аппаратах для исследования Солнца в ближнем и дальнем космосе.This design of a solar optical telescope provides the telescope with a minimum weight in combination with a high angular (spatial) resolution, minimal direct solar radiation on its optical elements and, therefore, a decrease in the influence of thermo-optical effects, which makes it possible to install such a telescope on spacecraft for studying the Sun in the near and deep space.

Предлагаемое устройство иллюстрируются с помощью схем на фиг. 2, 3. На фиг. 2 представлен первый вариант выполнения предлагаемого солнечного оптического телескопа, где изображены: первичное зеркало 1 с диэлектрическим покрытием 2 на рабочей поверхности первичного зеркала 1, полевое зеркало 3, установленное в фокусе F первичного зеркала 1, вторичное зеркало 4, поворотное зеркало 5 и коллиматор 6.The proposed device is illustrated using the diagrams in FIG. 2, 3. In FIG. 2 shows a first embodiment of the proposed solar optical telescope, which shows: a primary mirror 1 with a dielectric coating 2 on the working surface of the primary mirror 1, a field mirror 3 mounted in focus F of the primary mirror 1, a secondary mirror 4, a swivel mirror 5, and a collimator 6.

На фиг. 3 представлен второй вариант выполнения предлагаемого солнечного оптического телескопа, который включает: первичное зеркало 1 с диэлектрическим покрытием 2 на рабочей поверхности первичного зеркала 1, полевое зеркало 3, установленное в фокусе F первичного зеркала 1, поворотное зеркало 5, коллиматор 6, линзу 7.In FIG. 3 shows a second embodiment of the proposed solar optical telescope, which includes: a primary mirror 1 with a dielectric coating 2 on the working surface of the primary mirror 1, a field mirror 3 mounted in focus F of the primary mirror 1, a swivel mirror 5, a collimator 6, a lens 7.

Работа предлагаемого устройства (фиг. 2, 3) заключается в следующем.The work of the proposed device (Fig. 2, 3) is as follows.

Поток солнечного излучения поступает на первичное зеркало 1, которое строит изображение солнечного диска в первичном фокусе F. За счет диэлектрического покрытия 2, нанесенного на рабочую поверхность первичного зеркала 1, излучение отражается только в относительно узком спектральном диапазоне длин волн. Остальное солнечное излучение, падающее на первичное зеркало 1, проходит сквозь диэлектрическое покрытие 2 рабочей поверхности и собственно первичное зеркало 1 в открытый космос, не нагревая их. При помощи наклонного полевого зеркала 3, установленного в фокусе F первичного зеркала 1, производится ограничение области изображения солнечного диска в размере площади исследуемого участка солнечной поверхности. Излучение от исследуемого участка под углом, например, 90°, направляется на вторичное зеркало 4 или на линзу 7, установленные вне области падения прямого солнечного излучения. Световой поток за пределами полевого зеркала 3 от остальной части солнечной поверхности проходит беспрепятственно в открытый космос через входное окно телескопа. Излучение, отраженное от вторичного зеркала 4 или прошедшее через линзу 7, направляется на поворотное зеркало 5, также расположенное вне области падения прямого солнечного излучения. Поворотное зеркало 5 поворачивает световой пучок под углом, например, 90° и направляет его в коллиматор 6, формирующий параллельный световой пучок существенно меньшего диаметра, чем пучок излучения, падающий на первичное зеркало 1.The flux of solar radiation enters the primary mirror 1, which builds the image of the solar disk in the primary focus F. Due to the dielectric coating 2 deposited on the working surface of the primary mirror 1, the radiation is reflected only in a relatively narrow spectral range of wavelengths. The rest of the solar radiation incident on the primary mirror 1 passes through the dielectric coating 2 of the working surface and the primary mirror 1 itself into outer space without heating them. Using an inclined field mirror 3 mounted in the focus F of the primary mirror 1, the image area of the solar disk is limited to the size of the area of the studied surface of the solar surface. Radiation from the studied area at an angle, for example, 90 °, is sent to the secondary mirror 4 or to the lens 7, installed outside the area of incidence of direct solar radiation. The luminous flux outside the field mirror 3 from the rest of the solar surface passes unhindered into open space through the entrance window of the telescope. Radiation reflected from the secondary mirror 4 or transmitted through the lens 7 is directed to the rotary mirror 5, also located outside the region of incidence of direct solar radiation. The rotary mirror 5 rotates the light beam at an angle of, for example, 90 ° and directs it to the collimator 6, forming a parallel light beam of substantially smaller diameter than the radiation beam incident on the primary mirror 1.

Таким образом, в представляемой схеме солнечного оптического телескопа за счет пространственной и спектральной фильтрации солнечного излучения, используемого для дальнейшего анализа, а также установки вторичного зеркала и коллиматора вне области падения прямого солнечного излучения, осуществляется существенное снижение влияния солнечного излучения на оптические элементы телескопа и уменьшение термооптических эффектов, вызывающих их деформации.Thus, in the presented scheme of the solar optical telescope due to the spatial and spectral filtering of solar radiation used for further analysis, as well as the installation of a secondary mirror and a collimator outside the direct solar radiation incidence region, the effect of solar radiation on the optical elements of the telescope is significantly reduced and thermooptical effects causing their deformation.

Устройство применено авторами для создания прибора ТАХОМАГ, входящего в состав комплекса научной аппаратуры (КНА) для космического аппарата «Интергелио-Зонд» и предназначенного для получения оригинальной научной информации в области физики Солнца при проведении его внеэклиптических наблюдений, включая приполярные области Солнца, а также измерений вблизи Солнца на расстоянии до 70 солнечных радиусов.The device was used by the authors to create the TAKHOMAG instrument, which is part of the complex of scientific equipment (KNA) for the Intergelio-Probe spacecraft and is intended to receive original scientific information in the field of solar physics during its non-ecliptic observations, including the polar regions of the Sun, as well as measurements near the Sun at a distance of up to 70 solar radii.

Первичное зеркало 1 представляет собой вогнутый оптический элемент диаметром 460 мм и толщиной 16 мм. Такой размер первичного зеркала 1 обеспечивает угловое разрешение, равное 0,2÷0,3 угл. сек. Зеркало выполнено из кварцевого стекла типа Infrasil 302 (Heraeus Quarzglass, Германия). На фиг. 4 приведен коэффициент пропускания кварцевого стекла Infrasil 302 в зависимости от длины волн, где по оси абсцисс отложены длины волн в нм, по оси ординат - величина коэффициента пропускания. Из фиг. 4 видно, что кварцевое стекла Infrasil 302 характеризуется высокой прозрачностью в диапазоне от 160 нм до 4,0 мкм. Зеркало 1 может быть выполнено также из кварцевого стекла типа ULE (Corning Inc., США) или SK 1300 (O'HARA, Германия), которые также характеризуются высокой прозрачностью в диапазоне от 220 нм до 3,6 мкм. На рабочую поверхность зеркала 1 нанесено диэлектрическое покрытие 2, отражающее солнечное излучение в диапазоне длин волн 530÷670 нм, в пределах которого находятся спектральные линии, используемые для исследования магнитного поля фотосферы (Fe λ 6301,5 и Fe λ 6302,5) и наблюдения хромосферы (λ, 6562,8 А). На фиг. 5 приведен коэффициент отражения диэлектрического покрытия 2 в зависимости от длины волны, где по оси абсцисс отложены длины волн в нм, а по оси ординат - величина коэффициента отражения.The primary mirror 1 is a concave optical element with a diameter of 460 mm and a thickness of 16 mm. This size of the primary mirror 1 provides an angular resolution of 0.2 ÷ 0.3 angles. sec The mirror is made of quartz glass of the Infrasil 302 type (Heraeus Quarzglass, Germany). In FIG. Figure 4 shows the transmittance of Infrasil 302 quartz glass depending on the wavelength, where the wavelengths in nm are plotted along the abscissa, and the transmittance along the ordinate. From FIG. Figure 4 shows that the Infrasil 302 quartz glass is characterized by high transparency in the range from 160 nm to 4.0 μm. Mirror 1 can also be made of quartz glass such as ULE (Corning Inc., USA) or SK 1300 (O'HARA, Germany), which are also characterized by high transparency in the range from 220 nm to 3.6 μm. A dielectric coating 2 is applied to the working surface of mirror 1, which reflects solar radiation in the wavelength range of 530–670 nm, within which there are spectral lines used to study the magnetic field of the photosphere (Fe λ 6301.5 and Fe λ 6302.5) and observations chromosphere (λ, 6562.8 A). In FIG. Figure 5 shows the reflection coefficient of the dielectric coating 2 depending on the wavelength, where the abscissa axis represents wavelengths in nm, and the ordinate axis reflects the reflection coefficient.

В качестве полевого зеркала 3 использовано плоское эллиптическое зеркало размерами 8×5 мм с нанесенным на его рабочую поверхность глухим отражающим покрытием из серебра с защитой из кварцевого стекла.As a field mirror 3, a flat elliptical mirror 8 × 5 mm in size was used with a dull reflective silver coating applied to its working surface with protection from quartz glass.

Вторичное зеркало 4 диаметром 160 мм выполнено также из кварцевого стекла типа Infrasil 302 (Heraeus Quarzglas, Германия). На его рабочую поверхность нанесено глухое отражающее покрытие из серебра с защитой из кварцевого стекла.The secondary mirror 4 with a diameter of 160 mm is also made of quartz glass of the Infrasil 302 type (Heraeus Quarzglas, Germany). A blank reflective coating of silver with protection from quartz glass is applied to its working surface.

Для проверки второго варианта воплощения предлагаемого солнечного оптического телескопа космического базирования вместо вторичного зеркала 4 использована линза 7, выполненная также из кварцевого стекла типа Infrasil 302 (Heraeus Quarzglas, Германия), ULE (Corning Inc., США) или SK 1300 (O'HARA, Германия) с нанесенными на ее рабочие поверхности просветляющими покрытиями.To test the second embodiment of the proposed space-based solar optical telescope, instead of the secondary mirror 4, a lens 7 was used, also made of quartz glass of the Infrasil 302 type (Heraeus Quarzglas, Germany), ULE (Corning Inc., USA) or SK 1300 (O'HARA, Germany) with antireflection coatings applied on its working surfaces.

Было установлено, что снижение массы достигалось тем, что, во-первых, первичное зеркало 1 предлагаемого телескопа выполнено в виде тонкого вогнутого зеркала, во-вторых, полевое зеркало 3 имеет существенно меньшие размеры (8×5 мм) по сравнению с диафрагмой поля (100×150 мм), применяемой в прототипе (см. фиг. 1), в-третьих, вторичное зеркало 4 (линза 7) выведены из области падения прямого солнечного излучения и не подвергаются нагреву, в результате чего отпала необходимость установки дополнительного экрана, который используется в прототипе для защиты нерабочей стороны вторичного зеркала от падающего солнечного излучения, в-четвертых, отсутствует необходимость в дополнительном технологическом люке, через который в прототипе производится сброс балластной солнечной энергии, отраженной от диафрагмы поля.It was found that the mass reduction was achieved by the fact that, firstly, the primary mirror 1 of the proposed telescope is made in the form of a thin concave mirror, and secondly, the field mirror 3 has significantly smaller dimensions (8 × 5 mm) compared to the field diaphragm ( 100 × 150 mm) used in the prototype (see Fig. 1), thirdly, the secondary mirror 4 (lens 7) are removed from the direct sunlight and are not exposed to heat, as a result of which there is no need to install an additional screen, which used in prototype for protection erabochey secondary mirror side of the incident solar radiation, fourthly, there is no need for additional process hatch through which the prototype is produced reset ballast solar energy reflected from the field diaphragm.

Эффективная защита от термооптических эффектов оптических элементов предлагаемого солнечного оптического телескопа обеспечивается следующим. Во-первых, на рабочую поверхность первичного зеркала 1 нанесено диэлектрическое покрытие 2, которое практически не поглощает излучение, вместо глухого металлического покрытия, используемого в прототипе, которое поглощает до 6,5% падающего излучения и нагревает первичное зеркало. Во-вторых, существенное снижение тепловых нагрузок на последующую оптику телескопа: полевое зеркало 3, вторичное зеркало 4 (линзу 7), поворотное зеркало 5 и коллиматор 6, достигается тем, что производится селекция падающего оптического солнечного излучения как по спектру, так и по пространству. Селекция по спектру достигается тем, что большая часть падающего солнечного излучения проходит сквозь первичное зеркало 1 и беспрепятственно удаляется в открытый космос, а часть солнечного излучения, отраженная диэлектрическим покрытием 2 первичного зеркала 1 в узком диапазоне длин волн и используемая для измерений, составляет ~5÷10% всего падающего излучения. Селекция излучения по пространству достигается тем, что полевое зеркало 3 ограничивает область изображения в размере площади исследуемого участка солнечной поверхности, а излучение от солнечного диска за пределами этой области беспрепятственно проходит обратно в направлении Солнца в открытый космос, не попадая на последующую оптику телескопа. В-третьих, вторичное зеркало 4, поворотное зеркало 5 и коллиматор 6, линза 7 установлены вне области падения прямого солнечного излучения и не подвергаются прямому нагреву падающим солнечным излучением.Effective protection from the thermo-optical effects of the optical elements of the proposed solar optical telescope is provided by the following. Firstly, a dielectric coating 2 is applied to the working surface of the primary mirror 1, which practically does not absorb radiation, instead of the dull metal coating used in the prototype, which absorbs up to 6.5% of the incident radiation and heats the primary mirror. Secondly, a significant reduction in thermal loads on subsequent telescope optics: field mirror 3, secondary mirror 4 (lens 7), rotary mirror 5 and collimator 6, is achieved by the selection of incident optical solar radiation both in spectrum and in space . Spectral selection is achieved by the fact that most of the incident solar radiation passes through the primary mirror 1 and is freely removed into outer space, and part of the solar radiation reflected by the dielectric coating 2 of the primary mirror 1 in a narrow wavelength range and used for measurements is ~ 5 ÷ 10% of all incident radiation. The selection of radiation in space is achieved by the fact that the field mirror 3 limits the image area in the amount of the area of the studied portion of the solar surface, and the radiation from the solar disk outside this region freely passes back into the direction of the Sun in outer space, without falling into the subsequent optics of the telescope. Thirdly, the secondary mirror 4, the rotary mirror 5 and the collimator 6, the lens 7 are installed outside the area of incidence of direct solar radiation and are not subjected to direct heating by incident solar radiation.

Claims

1. A space-based solar optical telescope, comprising a primary concave mirror mounted with the possibility of direct sunlight falling on it, a secondary mirror and a collimator, characterized in that a field mirror and a rotary mirror are additionally introduced into it, while the field mirror is mounted in the focus of the primary concave mirror with the ability to rotate the light beam reflected from the primary mirror onto the secondary mirror, which reflects the light beam to rotate a primary mirror and a collimator, and the primary concave mirror is made with the smallest possible thickness of quartz glass with high transparency, a dielectric coating is applied to the working surface of the primary mirror, reflecting solar radiation in a given spectral range of wavelengths and transmitting radiation that is not used for analysis through the primary mirror, and the secondary mirror, the rotary mirror and the collimator are installed outside the area of incidence of direct solar radiation, and the dimensions of nnogo field mirror placed in the primary focus of the concave mirror are formed such as to ensure that the restriction area of the solar image in the disc space size of the investigated area of the solar surface.

2. A space-based solar optical telescope, including a primary concave mirror mounted with the possibility of direct sunlight falling on it, a collimator, characterized in that a field mirror, a lens, a rotary mirror are additionally introduced into it, while the field mirror is mounted in the focus of the primary concave mirrors with the ability to rotate the light beam reflected from the primary mirror onto a lens that transmits a light beam onto a rotary mirror and a collimator arranged sequentially along the rays moreover, the primary concave mirror is made with the smallest possible thickness of quartz glass with high transparency, a dielectric coating is applied to the working surface of the primary mirror, which reflects solar radiation in a given spectral range of wavelengths and transmits radiation not used for analysis through the primary mirror, and a lens, a swivel mirror and a collimator are installed outside the area of incidence of direct solar radiation, and the dimensions of the inclined field mirror are installed In the focus of the primary concave mirror, they are made such as to ensure that the image area of the solar disk is limited in size to the area of the studied area of the solar surface.