Спектр-УФ – Ангара-А5М/ДМ-03 – Восточный 1А – 2031

[petr-2000]

УЧЕНЫЕ СОЗДАЛИ ЭФФЕКТИВНЫЕ ФОТОКАТОДЫ ДЛЯ «ГЛАЗ» ТЕЛЕСКОПА «СПЕКТР-УФ» 

В Институте физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО РАН (ИФП СО РАН) создали фотокатоды на основе соединения цезий-йод — ключевые элементы для «глаз» нового космического телескопа «Спектр-УФ», планируемого к запуску в 2031 году.


Фотокатоды цезий-йод – ключевая часть электронно-оптических преобразователей для глаз «Спектр-УФ». Фото Надежды Дмитриевой

Во время проверки эффективности фотокатоды показали квантовый выход на уровне 40%, что в два раза выше базовых проектных параметров и является рекордным значением для такого типа фотокатодов. Устройства предназначены для улавливания одной из составляющих космического излучения — вакуумного ультрафиолета, что позволит телескопу получать ранее недоступные данные о Вселенной. В частности, проводить поиск биологических маркеров (признака внеземной жизни) в атмосфере экзопланет.

Разработка имеет большое значение не только для реализации национального отечественного космического проекта «Спектр-УФ», но и для мировой науки в целом. С момента запуска «Спектр-УФ» будет выступать преемником 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, а 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).

Фотокатод — 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.

«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.


Телескоп «Спектр-УФ». Фото предоставлено М.С. Сачковым

«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 нанометра), 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.

Сегодня проект «Спектр-УФ» позиционируется, как российский национальный и находится в степени готовности более 50%.

«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.

 

Информация и фото предоставлены пресс-службой ИФП СО РАН

Разместила Ирина Усик Информация взята с портала «Научная Россия» (https://scientificrussia.ru/)

[ОАЯ]

Будут ли по этому поводу сообщения о испытании на срок службы таких детекторов? 

Спойлер

В Рочестере сумели достичь резкого снижения скорости рекомбинации электрон-дырочной пары в плоскости поликристаллических пленок перовскита. Этому помогало их размещение на плазмонном зеркале из серебра или на специально созданном для этого метаматериале. Эффект снижения составил 50 и 30% соответственно.
Дело в том, что на поверхности благородных металлов довольно быстро генерируются волны «обобществленных» электронов, получившие название «плазмоны». Вслед за этим было получено 10-кратное уменьшение скорости рекомбинации при использовании соединения свинца с цезием, йодом и бромом..... Это и позволило увеличить конверсию энергии света в электрическую на 250%.
Однако не надо думать, что все проблемы этим достижением решены. Перовскит, к сожалению, быстро деградирует, распадается, в отличие от кремния, оксиды которого представляют собой знакомые всем песок и стекло. 

[свернуть]

https://www.ng.ru/nauka/2023-03-21/13_8685_energy.html

[petr-2000]

В принципе то же что и в статье выше, но есть ряд дополнительных сведений:
Импортозамещение на геосинхронной орбите

Алексей Андреев
Ключевые элементы для «зрения» нового космического телескопа «Спектр-УФ — фотокатоды, разработанные российскими специалистами, — пришли на смену иностранным аналогам и превзошли их по характеристикам
Телескоп «Спектр-УФ»

Фото предоставлено М. Сачковым

Российские исследователи создали эффективные фотокатоды — ключевые элементы для «зрения» нового космического телескопа «Спектр-УФ», запуск которого запланирован на 2031 год. Разработка специалистов Института физики полупроводников (ИФП) им. А. В. Ржанова СО РАН, созданная в сотрудничестве с предприятием «Экран-ФЭП», превосходит испанские аналоги, которые планировали использовать изначально. При проверке эффективности фотокатоды показали рекорд для такого типа устройств: квантовый выход у них вдвое превышает базовые проектные параметры — на уровне 40% (то есть 100 фотонов «производят» 40 электронов).
«Необходимое и достаточное значение квантовой эффективности для нас — 20 процентов. Далекие звезды — слабый источник излучения, и мы боремся за каждый процент, поэтому эффективность в 40 процентов — это идеально. Таких параметров ранее достигали только в Японии, в компании Hamamatsu Photonics», — отметил директор Института астрономии РАН, доктор физико-математических наук, профессор РАН Михаил Сачков.
Фотокатоды предназначены для улавливания вакуумного ультрафиолета — одной из составляющих космического излучения. Это позволит телескопу получать ранее недоступные данные о Вселенной. В частности, искать биологические маркеры (признаки внеземной жизни) в атмосфере экзопланет.
«Спектр-УФ» станет преемником телескопа имени Эдвина Хаббла, который работает с 1990-х годов и практически исчерпал свой ресурс. Как минимум до 2041 года «Спектр-УФ» будет единственным крупным инструментом для спектроскопии высокого разрешения в ультрафиолете, поскольку в настоящее время нет сравнимых проектов в столь продвинутой промышленной фазе готовности, а, по планам NASA, следующий крупный телескоп с диаметром зеркала шесть метров для работы в ультрафиолете появится не ранее 2040-х годов.
Кроме того, «Спектр-УФ» будет работать на геосинхронной орбите, на высоте 35 тыс. км над поверхностью Земли. У Земли есть водородная оболочка, простирающаяся вплоть до орбиты Луны. Этот водород мешает астрофизическим исследованиям в УФ-области. А орбита «Спектра-УФ» находится над основной толщей этой водородной оболочки, что дает определенные преимущества перед низкой, около 500 км над поверхностью Земли, орбитой «Хаббла».


Директор ИНАСАН, доктор физико-математических наук, профессор РАН Михаил Сачков

Фото предоставлено М. Сачковым

ПОЛУЧИТЬ ПОБОЛЬШЕ ЭЛЕКТРОНОВ
Головной научной организацией по проекту «Спектр-УФ» выступает Институт астрономии РАН (ИНАСАН). В кооперацию входит множество ведущих научных и производственных организаций России. Так, АО «Лыткаринский завод оптического стекла» отвечает за оптические элементы и зеркала телескопа с диаметром главного зеркала 1,7 метра
За комплектацию блока спектрографов и элементов блока камер поля (по сути, это научные фотоаппараты для съемки небесных источников) отвечает Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики.
Ранее одним из партнеров была испанская компания, которая разрабатывала для камер поля фотокатоды — ключевую часть электронно-оптических преобразователей. Но сотрудничество прекратилось, и потребовалось отечественное решение, которое предложили специалисты ИФП.
«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 полный цикл производства электронно-оптических преобразователей, — вспоминает Михаил Сачков. — Это именно то, что нам надо, поскольку готового продукта с требуемыми характеристиками не существует, его нужно разрабатывать, адаптировать для проекта».
Фотокатоды, разработанные в ИФП при участии предприятия «Экран-ФЭП», — ключевой элемент электронно-оптических преобразователей (ЭОП), используемых в космических телескопах для усиления очень слабых световых сигналов. Принцип действия фотокатодов основан на явлении фотоэффекта. Фотокатод — материал, способный при облучении светом (фотонами) высвобождать электроны в вакуум, что и называется внешним фотоэффектом. Процесс заключается в том, что фотон передает энергию электрону в материале, и, если эта энергия превышает работу выхода — минимальную энергию, необходимую для выхода электрона из твердого тела в вакуум, — электрон эмитирует в вакуум.
 «Далекие звезды — слабый источник излучения, и мы боремся за каждый процент, поэтому эффективность в 40 процентов — это идеально. Таких параметров ранее достигали только в Японии»
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.
Обычно для изготовления фотокатодов используются полупроводниковые материалы. Но в случае создания фотокатодов для телескопа «Спектр-УФ», который будет исследовать Вселенную в диапазоне вакуумного ультрафиолета, потребовалось диэлектрическое соединение цезий‒йод, чувствительное к данному излучению.
«У нашей лаборатории исторически большой опыт создания и оптимизации электронно-оптических преобразователей, — рассказал "Стимулу" заведующий лабораторией ИФП СО РАН, доктор физико-математических наук, профессор РАН Олег Терещенко, — но с соединением цезий‒йод мы раньше дела не имели. 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. Благодаря многолетнему сотрудничеству с компанией "Экран-ФЭП" мы также смогли оперативно получить стандартные комплектующие для готовых приборов (корпуса, экраны и так далее) нужного нам качества».


Заведующий лабораторией ИФП СО РАН, доктор физико-математических наук, профессор РАН Олег Терещенко

Фото Владимира Трифутина

Как пояснил Олег Терещенко, электронно-оптический преобразователь и входящий в него фотокатод играют ключевую роль в блоках камер поля, обеспечивая преобразование слабого оптического сигнала в электронный и затем снова в видимое изображение. «Глаза» космических телескопов (и «Спектр-УФ» не исключение) регистрируют очень слабые источники излучения. ЭОП преобразует падающие фотоны в электроны с высокой эффективностью благодаря фотокатоду. Это важно для получения точных изображений и спектров с высоким соотношением сигнал/шум. ЭОП также способен передавать пространственную структуру изображения с высоким разрешением, что критически важно для детального изучения астрономических объектов. ЭОП — вакуумный прибор, поэтому он обеспечивает стабильную работу в условиях высокого радиационного фона, что делает его надежным элементом оптических систем.
Конструкция электронно-оптического преобразователя осталась стандартной: вакуумный керамический корпус, в котором расположен фотокатод для преобразования света в электроны; система ускорения и размножения электронов и выводной люминофорный экран для преобразования электронного потока обратно в световое изображение усиленной яркости.


Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Антон Николенко

Фото Светланы Ерыгиной

ЕДИНСТВЕННЫЙ В СТРАНЕ
Калибровку фотокатодов провели специалисты Института ядерной физики (ИЯФ) им. Г. И. Будкера СО РАН. Поскольку вакуумный ультрафиолет (ВУФ) полностью поглощается земной атмосферой, для работы в этой области приходится создавать специализированные высоковакуумные установки. А единственный в России синхротронный источник, на котором можно проводить работы в ВУФ-диапазоне, находится в ИЯФ. Это 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 в 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. Таких измерений для каждого фотокатода было сделано несколько, и, таким образом, мы получили их эффективность не на одной длине волны, а на определенном участке спектра, который интересует заказчика», — рассказал старший научный сотрудник ИЯФ Антон Николенко.


Фотокатоды цезий-йод - ключевая часть электронно-оптических преобразователей для «глаз» «Спектр-УФ»

Фото Надежды Дмитриевой

ТРИ МИССИИ СЕРИИ «СПЕКТР»
Атмосфера Земли защищает нас от губительного космического излучения, поглощает его. И по этой же причине информация об ультрафиолетовом или рентгеновском излучении объектов Вселенной — звезд, межзвездного газа и пыли, галактик — не может быть получена с помощью аппаратуры, работающей на поверхности нашей планеты. Например, молодые звезды излучают преимущественно в ультрафиолете, а активные ядра далеких галактик — в рентгене. И чтобы эффективно изучать эти объекты, необходимо отправлять за пределы атмосферы на космических аппаратах специальные телескопы. Именно для этого ученые институтов Российской академии наук и ведутся разработку космических аппаратов серии «Спектр».
Первым был проект «Спектр-Р» («Радиоастрон»), работавший на орбите с максимальным удалением от поверхности Земли почти 200 тыс. километров в 2011‒2019 годах. Основная задача миссии — совместная работа наземных радиотелескопов с 10-метровой радиоантенной «Спектра-Р». Такая работа фактически эквивалентна наблюдению огромного радиотелескопа диаметром 350 тыс. километров, который в 26 раз больше размеров самой Земли.
 Фотокатоды предназначены для улавливания вакуумного ультрафиолета — одной из составляющих космического излучения. Это позволит телескопу получать прежде недоступные данные о Вселенной. В частности, искать биологические маркеры в атмосфере экзопланет
«В результате удалось детально исследовать многие области радиоизлучения Вселенной. Не обошлось и без загадок, которые астрономам предстоит решать в ближайшем будущем: впервые удалось зарегистрировать экстремально большую яркость ядер активных галактик на расстоянии в миллиарды световых лет. Эта яркость в несколько десятков раз больше, чем до сих пор считали астрономы. Аппарат "Спектр-Р" запускался для работы в течение пяти лет, но его ресурса хватило на семь с половиной», — рассказал «Стимулу» Михаил Сачков.
В 2019 году на орбиту был выведен космический аппарат «Спектр-РГ» (рентген-гамма) с двумя телескопами на борту, российским и немецким. Задача этого проекта — создание рентгеновской карты всего неба и детальное исследование наиболее интересных объектов. В результате работы во Вселенной обнаружены миллиарды рентгеновских источников. Миссия продолжает свою работу.
Следующая на очереди — обсерватория «Спектр-УФ» (ультрафиолет). Телескопы для работы в различных диапазонах разные. «Радиоастрон» — это радиоантенна, телескопы «Спектра-РГ» имеют конические зеркала косого падения, выглядят как вложенные друг в друга металлические тубусы. Телескоп миссии «Спектр-УФ» больше всего похож на классический зеркальный телескоп, только его зеркало имеет специальное отражающее покрытие.
По планам госкорпорации «Роскосмос», запуск проекта на орбиту запланирован на 2031 год. «Спектр-УФ» полностью импортонезависим, все необходимое есть. К настоящему времени выполнено около половины работ, созданы образцы и макеты научной аппаратуры, проводятся тесты (на вибро-, термо-, радиационную устойчивость и т. д.). После завершения тестов начнется изготовление штатных образцов аппаратуры.
«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 на наблюдения к телескопу имени Хаббла, их больше, чем 10 к 1. То есть из десяти заявок реализуется только одна», — говорит Михаил Сачков.