Способ высокоточного определения положения космического телескопа

В.И.Буякас,

в.н.с., bujakas@yandex.ru,

Л.Н. Жерихина

в.н.с.,

А.М.Цховребов,

с.н.с., tshovrebov@yandex.ru,

 Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН, г. Москва

С целью существенного повышения точности лазерного лоцирования удаленных космических объектов предлагаются различные варианты построения приемных систем дальнего ИК диапазона, потенциально способных приблизиться к фундаментальному пределу чувствительности.

 

For the purpose of significant precision increase of laser location distant the space objects the various design versions of far IR receiving systems, potentially capable to approach to fundamental sensitivity limit, are being offered.

 

Заметной особенностью прошедшей конференции, отмеченной в заключительном обращении к ее участникам, составляло превалирование тематики, с различных сторон связанной с работой космической отрасли, и в этом смысле предлагаемый доклад не сильно выбивается из общего «main stream-a».  Если первая революция в современной астрономии была совершена фотоснимками высокого разрешения, сделанными в 20-х годах Эдвином Хабблом и позволившими впервые разглядеть отдельные звезды на Млечном Пути, то вторую революцию произвел орбитальный телескоп Хаббл, названный в честь величайшего астронома 20-го столетия. Современные исследования анизотропии космического радиоизлучения указывают на возможность реализации в пространстве видимой Вселенной финслеровой геометрии [1], метрика которой в отличии от «привычной» римановой существенна анизотропна.  Решение этой и ряда других фундаментальных проблем понимания физического устройства Вселенной требует существенного повышения угловой разрешающей способности используемых радиоприемных устройств.  Повышение это достигается, как правило, за счет увеличения интерферометрической базы приемной радиоастрономической системы. В свою очередь рост базы, фактически сводящийся к максимально возможному разнесению приемников, объединенных в единую когерентную сеть, приводит к необходимости космического базирования хотя бы одного из узлов такой сети. При этом, от точности определения положения в пространстве такого орбитального узла на прямую зависит разрешающая способность системы в целом. Данное обстоятельство и явилось исходной мотивационной основой для подготовки предлагаемого доклада.

В контексте общей тематики данной конференции в какой-то степени закономерен «циничный» вопрос: а как соотносятся «чисто фундаментальные» проблемы астрофизики с «мирскими» и в этом смысле «абсолютно земными» бизнес проектами?...  Открытие, сделанное в 1933г. американским астрономом Фрицем Цвики  [2],  привело к формированию на стыке астрофизики и физики элементарных частиц понятия Темная Материя.  Согласно современным взглядам на этот феномен  [3] Dark Matter представлена во Вселенной с на порядок большим весом, чем привычная лептон/барионная материя. При этом роль слабовзаимодействующих частиц Темной Материи (WIMPов) в энергетическом балансе земных процессов совершенно не ясна и эта роль может на самом деле оказаться колоссальной.  В энергетическом балансе Земли, в энергетике Солнца на сегодняшний день имеются заметные несостыковки.  На этом пути поиски и исследования WIMPов могут привести к разработке принципиально новых сверхэффективных способов получения энергии, и в этом по существу заключается венчурный инновационный аспект «страшно далекой от практики» «чисто фундаментальной» астрофизики.

Для решения ряда перспективных задач современной космической астрономии, включая наземно-космическую интерферометрию, необходима высокоточная фиксация положения телескопа на орбите (проекты «Радиоастрон», «Миллиметрон» и т.п. [http://www.federalspace.ru]).  Наличие в атмосфере «окна» в 10‑микронной области длин электромагнитных волн закрепляет преимущество импульсных CO2 лазеров в качестве излучающего тракта требуемых лидаров [4].  Оценим предельные возможности подобной системы в задаче лоцирования удаленного космического объекта (рис.1). Пусть расстояние до него составляет ℓ=300 000 км (объект находится на Луне или, например, вращается по орбите СВЧ‑телескопа «Радиоастрон»).  Пусть лазер генерирует в 10-микронной области импульсы с энергией E=2Дж (TEA CO2 - углекислотный лазер с поперечной электрической накачкой [5]) и длительностью τ=1нсек (режим синхронизации мод), что определяет предел точности фиксации дальности на уровне δℓ=½сτ=15см (относительная точность 5×10‑8 %).  Если диаметр пучка на выходе квантового генератора составляет d=1см, то за счет дифракционной расходимости с углом θ≈λ/d=10‑3рад  световое пятно расплывется на заданной дальности до размеров порядка D≈ℓθ=300км.  В случае, когда на лоцируемом объекте установлен уголковый отражатель площадью  s=30×30см2,  до него дойдет s/D2=10-12 часть испускаемой энергии E, т.е. из E/ħω=2Дж/0,12эВ ≈ 1020 вылетевших фотонов в отражатель попадут только 108 квантов.  Пусть параболическое зеркало, улавливающее на земле отраженные фотоны, имеет эффективную площадь S=30×30м2,  в итоге в следствии расходимости пучка в антенну попадет всего лишь 108×S/D2=108×10‑8=1квант. Средняя мощность импульсного сигнала составит при этом <P>=1×ħω/τ≈2×10‑11Вт. Однако, чтобы принять такой импульс, не ухудшая разрешение системы по дальности, необходимо работать в широкой полосе частот δf≥1/τ=1ГГц, что требует обеспечения у приемника чувствительности на уровне  <P>/√δf=6×10‑16Вт/√Гц  в случае квадратичного детектора или на уровне  <P>/δf=2×10‑20Вт/Гц  в случае супергетеродинного конвертора. 

 

рис. 1  Схема локации удаленного объекта

Стандартные полупроводниковые фотодетекторы на основе CdHgTe [6], используемые в дальнем ИК диапазоне, обеспечивают при охлаждении до азотных температур NEP (Noise Equivalent Power [7]) на уровне 10-13Вт/√Гц, а в режиме супергетеродинного преобразования принимаемого сигнала соответствующий параметр у них оказывается не лучше 10-19Вт/Гц.  Таким образом, традиционные КРТ приемники не удовлетворяют приведенным выше предельным «однофотонным» оценкам.  Формально требуемый уровень NEP даже с небольшим запасом (~10-16Вт/√Гц) обеспечивают сверхпроводящие туннельные структуры, действующие в условиях искусственного подавления джозефсоновского тока.  Однако, такие SIS-смесители не могут эффективно работать на частотах сигнала ω=2πf, квант которых ћω превышает энергетическую щель Δ используемого сверхпроводника.  В этом смысле Nb годится примерно до 0,5ТГц, а высокотемпературные сверхпроводники, с на порядок большей щелью, возможно позволят дотянуться до 5ТГц [8,9],  в то время как обсуждаемый диапазон λ≈10мкм соответствует f≈30ТГц.

рис. 2  Детектор на туннельном точечном контакте двух несверхпроводящих металлов.   На вкладке в правом нижнем углу показана  система механической микроподачи иглы. Электроды крепились к металлическим платформам, соединенным между собой специальными шпильками, имеющими с разных концов различный шаг резьбы, что позволяет регулировать относительное смещение платформ на разность шага |S1-S2|=50мкм при закручивании шпильки на один оборот. Точка контакта специально смещена в сторону от середины платформы, чтобы, благодаря эффекту рычага, правая шпилька могла контролировать прецизионное, а левая – грубое сближение контактирующих электродов.

В ходе дальнейших исследований в области λ≈10мкм предполагается опробовать режим детектирования на туннельном барьере, образованном точечным контактом двух несверхпроводящих металлов, охлажденным до температур сверхтекучего гелия (рис.2). Для проведения этих работ нами была специально разработана прецизионно настраиваемая непосредственно в криогенных условиях система механической микроподачи иглы, образующей в точке касания туннельный контакт с предварительно окисленной поверхностью металла ([10], вкладка на рис.2). Диаметр иглы, играющей в данном случае также роль ТераГерцовой антенны, для повышения ее эффективности должен быть сопоставим с длиной волны принимаемого сигнала (Ø=20мкм).  Охлаждение сверхтекучим гелием  (T<Tλ≈2,17K°) с одной стороны должно увеличить крутизну вольт-амперной характеристики контакта, что способствует повышению эффективности детектирования, а также понизить его найквистовский шум [7] пропорционально √T.  С другой стороны это обеспечивает надежный отвод тепла из микронной области контакта с высокой плотностью тока, т.к. сверхтекучий гелий-4 обладает также свойством сверхтеплопроводности [11].  С целью создания удобной в эксплуатации криосистемы получения температур сверхтекучего He-4 в работе [12] решена техническая проблема обеспечения перехода из режима предварительного охлаждения системы (прокачка газообразного гелия при высоком сопротивлении дросселя забора He-4) в «крейсерский» режим (откачка паров гелия при расчетном сопротивлении дросселя забора He-4).

Классический оптоэлектронный прибор – фотоэлектронный умножитель с охлаждаемым катодом также способен регистрировать единичные кванты [13]. Однако, работа выхода стандартных фотокатодов не бывает ниже примерно Amin≈0,7эВ, что ограничивает применение ФЭУ ближней ИК областью λ<1,5мкм. Чтобы квант дальнего ИК с λ≈10мкм и ћω≈0,12эВ мог вышибить из фотокатода электрон энергию фотона надо каким-то образом поднять до уровня примерно 1эВ.  Функцию такого квантового лифта выполняют оптические Up‑конверторы, для чего обычно используются кристаллы с оптической квадратичной нелинейностью, в которых длинноволновое излучение смешивается с коротковолновым.    Если гетеродин представляет собой квантовый генератор в диапазоне λ≈1мкм (YAG, лазер на неодимовом стекле и т.п. [5]) то в результате супергетеродинного смешения с 10микронным излучением, подлежащим регистрации, получаются суммарно/разностные кванты 0,9 и 1,1мкм, которые уже может «взять» ФЭУ.  К сожалению, обычные высокоэффективные нелинейные кристаллы типа KDP, LiNbO3 непрозрачны в дальней ИК области.

рис. 3  Оптическая схема Up-преобразователя.  Цифрами обозначены :   1 – активная среда квантового генератора   иттрий-алюминиевый гранат Y3Al2O15:Nd+3 (YAG),   2 – смеситель на нелинейном кристалле из семейства халькогенидов серебра или монодоменном  ZnGeP2  

Наиболее подходящими для создания Up-конвертора 10мкм→0,9/1,1мкм оказываются кристаллы семейства халькогенидов серебра, а также монодоменный сегнетоэлектрик ZnGeP2.  Для увеличения эффективности действия Up-конвертора в составе входного каскада приемного тракта лидара с рабочей длиной волны 10мкм предполагается опробовать вариант преобразователя с внутререзонаторным размещением нелинейного кристалла непосредственно в квантовом генераторе, который выполняет роль гетеродина, обеспечивающего накачку смесителя на длине волны  λ≈1мкм (рис.3). Инверсия заселенности активной среды такого лазера, совмещающего функции Up-конвертора, будет создаваться непрерывной диодной подсветкой рабочего стержня.

В принципе имеется возможность искусственно снизить работу выхода фотокатода. Разработка технологии лазерного напыления сплошных металлических пленок, с нанометровыми толщинами, позволила в наших экспериментах в области ультраквантового предела размерных эффектов в висмуте более чем на 1эВ понизить работу выхода внешнего фотоэффекта [14-17].  Однако квантовая эффективность фотокатода с искусственно пониженной работой выхода оказывается слишком низкой и, поэтому, более перспективным направлением использования внешнего фотоэффекта в задаче приема дальнего ИК представляется создание на его основе волноводного смесителя с «распределенной Up‑конверсией».  Пусть обе смешиваемые волны 1 и 10мкм распространяются вдоль пустотелого оптического волновода, многократно и почти касательно отражаясь от стенок, металлическое покрытие которых, имеет работу выхода внешнего фотоэффекта, немного превышающую величину кванта излучения лазерного гетеродина. Если постепенно уменьшать длину волны гетеродина, то в момент «пересечения» красной границы фотоэффекта поглощение излучения гетеродина в металлическое покрытии увеличится скачком, что согласно соотношениям Крамерса/Кронига неминуемо отразится на дисперсионных характеристиках отражения.  Таким образом, если излучением гетеродина удалось бы как-то модулировать красную границу, то через изменяющуюся под действием модуляции дисперсию отражения стенок обе волны 1 и 10мкм по мере прохождения волновода начали бы «понемногу» смешиваться (рис.4).  Если при касательном падении вектор электрического поля направлен вглубь металла, то своим изменяющимся полем гетеродинная волна воздействует на потенциальный рельеф ямы, в которой находятся электроны в металле по отношению к вакууму.  Этот модель, объясняющая аномальный фотоэффект, наблюдаемый при касательном падении «за красной границей», демонстрирует механизм модуляции работы выхода, требуемый для волноводного смешивания.  

рис. 4  Оптическая схема смесителя с распределенной Up‑конверсией на эффекте близости длины волны гетеродина к красной границе фотоэффекта металлических стенок волновода

Наконец, непосредственно перед детектированием или супергетеродинированием излучения,  попавшего в приемную антенну, его, в принципе, можно усилить, применяя для этого активную среду с инверсией заселенности, но без резонатора, обеспечивающего в типовой схеме лазера положительную обратную связь. Однако, система продольной или поперечной (TEA) накачки, используемая для возбуждения молекулярных колебаний обеспечивающих инверсию заселенности в CO2 лазерах, основана на электрическом разряде в углекислом газе, что по видимому не позволит квантовому усилителю с аналогичным возбуждением приблизиться к однофотонному режиму. Более перспективным для усиления сигнала на длине волны 10мкм может оказаться схема создания инверсии заселенности взятая от газодинамического CO2 лазера.  Массоперенос активного вещества здесь в какой-то мере аналогичен селективному переносу возбужденных молекул в классическом аммиачном мазере.  Принцип действия газодинамического CO2 лазера [5] состоит в охлаждении горячего газа при расширении в сверхзвуковом сопле с сохранением высокой заселенности верхнего возбужденного состояния внутримолекулярных степеней свободы CO2. Аналогичный принцип действия газодинамического CO2 усилителя (рис.5) обеспечит глубокую развязку выходного сигнала от различных электрических шумов и наводок. Разумеется, масштабы энерговклада, требуемого в квантовом усилителе, предполагаются существенно скромнее его лазерного прототипа.  

рис. 5 Квантовый газодинамический усилитель

С целью обеспечения приемлемой помехоустойчивости при лоцировании объекта в условиях «одноквантового» приема отраженного сигнала будут проведены исследования возможностей стробируемой выборки принятого сигнала с использованием априорной информации, соответствующей грубой оценке дальности до объекта.  Методами мат.моделирования предполагается оптимизировать алгоритм шумоподавления в приемном канале с адаптивной фильтрацией, производимой на основе «грубой априорной»информации об измеряемой дальности. 

Подитоживая, следует подчеркнуть, что если хотя бы одно из четырех вышеизложенных предложений в ходе практической проработки приведет к созданию быстродействующего приемника реально способного регистрировать 10микронное излучение в режиме, близком к одноквантовому детектированию, то это позволит решить задачу лоцирования удаленных объектов, на несколько порядков перекрывая нынешние пределы точности на не доступных на современном уровне дальностях. Однако этой задачей инновационные аспекты разобранных предложений конечно не исчерпываются. Множество потенциальных приложений включает фиксацию малоразмерных объектов (или целей) при быстром растровом сканировании лазерным лучом с охватом большого телесного угла, отслеживание гиперзвуковых объектов в околоземном пространстве (ПРО), создание наземных приемных комплексов с высокопропускными каналами связи с космическими объектами на высоких орбитах и т.п. 

В заключении следует отметить, что первая пара из четырех обсуждавшихся предложений {т.е. 1)λ-охлаждаемый туннельный детектор из несверхпроводников (рис.2), 2)Up-смеситель с внутрирезонаторным размещением нелинейного кристалла и светодиодной накачкой активной среды квантового генератора (рис.3)}, по сути, не содержит абсолютно оригинальных идей.  На самом деле «эта пара» подразумевает модификацию схем, интенсивно разрабатываемых в квантовой электронике в 80-х годах прошлого века [18-20].  Однако именно тогда, т.е. примерно 30 лет назад, развитие этих разработок было приостановлено техническими трудностями и появлением альтернативных решений, на то время более простых в их практической реализации. Возврат к этим полузабытым схемам – яркий и довольно распространенный в истории техники пример действия закона развития по спирали.  Это закон требует переосмысления технических возможностей на каждом новом витке эволюции техники.  Общая тенденция развития по спирали, действие которой сказывается гораздо шире рамок истории техники, определяется, так называемым законом отрицания/отрицания – законом диалектики, которую, в общем-то, не следует забывать, ибо, как сказал один ныне редко цитируемый автор «…учение Маркса всесильно потому, что оно верно…»  

Литература

1.      Zhotikov V.  Finsler geometry and the equations of the movement in the relativistic dynamics // Proceedings of the XV International Scientific Meeting PIRT–2009, p.133–144, Moscow (2009).

2.      Zwicky F. Helv.Phys. Acta 6, 110 (1933).

3.      Рябов В.А., Царев В.А., Цховребов А.М. Поиски частиц темной материи // УФН 178, 1129–1164 (2008).

4.      Протопопов В.В., Устинов Н.Д. Инфракрасные лазерные локационные системы. Москва: «Воениздат» (1987).

5.      Звелто О. Принципы лазеров. Москва: «Лань» (2008).

6.      Зи С. Физика полупроводниковых приборов (книга 2). Москва: «Мир» (1984).

7.      Робинсон Ф.Н. Шумы и флуктуации в электронных схемах и цепях. Москва: «Атомиздат» (1980).

8.      Zherikhina L.N., Tskhovrebov A.M., Murzin V.N. Josephson junction THz spectrometer based on high-temperature superconductors // Europe union GDR-E “Semiconductor sources and deyectors of THz radiation”, Bordeaux , 1-2 June 2007.  

9.      Zherikhina L.N., Tskhovrebov A.M., Murzin V.N. Frequency and power investigations of terahertz radiation with a help of nonstationary Josefhson effect in high-Tc superconductors //Russian-French Seminar («Sources and detectors of terahertz radiation based on semiconductor nanostructures», Toulouse, 5-6 June, 2007.

10.   Жерихина Л.Н., Дресвянников М.А., Мурзин В.Н., Цховребов А.М. Джозефсоновский фурье спектрометр на ВТСП: конструкция устройства и проблема физической реализации квантового компьютера // Труды международной конференции ФПС'11, Звенигород, 2011, стр.307-308.

11.   Тилли Д.Р., Тилли Дж. Сверхтекучесть и сверхпроводимость. Москва: «Мир» (1977).

12.   Головашкин А.И., Мишачев В.М., Цховребов А.М., Берлов И.В., Измайлов Г.Н.  Простой двухрежимный метод охлаждения в районе λ-точки He4. Схема и областивозможного применения // Краткие Сообщения по физике. №6 (2006). 

13.   Славкий Л.И. Методы и приборы предельных измерений в экспериментальной физике. Москва: «Наука» (1973).

14.   Жерихин А.Н., Шубный Г.Ю., Жерихина Л.Н., Прокопьев Е.Г., Цховребов А.М., Воронов В.В. Импульсное лазерное напыление квантоворазмерных пленок висмута // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования №6, с.79-83 (2000).

15.   Головашкин А.И., Жерихин А.Н., Жерихина Л.Н., Кулешова Г.В., Цховребов А.М.  Аномалии фотоэмиссионных спектров квантоворазмерных объектов и модель сверхсильного электрон-фононного взаимодействия // Краткие Сообщения по физике. №12 (2004). 

16.   Головашкин А.И., Жерихин А.Н., Жерихина Л.Н., Кулешова Г.В., Цховребов А.М.  Интерференционные эффекты в двумерных системах на основе ультратонких висмутовых пленок // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования №10, с.3-15 (2005).

17.   Головашкин А.И., Жерихин А.Н., Жерихина Л.Н., Кулешова Г.В., Цховребов А.М.  Квантовые особенности внешнего фотоэффекта висмутовых нанопленок // Сборник научных трудов  МИФИ-2008 т.7, с.20-21(2008).

18.   Daniel Н.U., Steiner М., Walther Н.- Арр1. Phys. v.25, р.7  (1981).

19.   Krieger W.- Acta Phys. Polonica  v. А61, р.571  (1982).   

20.   Гурзадян Г.Г., Дмитриев В.Г., Никогосян Д.Н.   Нелинейно-оптические кристаллы. Свойства и применение в квантовой электронике.  Москва: «Радио и связь» (1991).