Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Координатно-чувствительных приемники для исследования рентгеновского и ВУФ излучения Солнца 18
1.1. Основные свойства и типы двухкоординатных детекторов изображений 19
1.1.1 Основные свойства детекторов на основе ПЗС-матриц 19
1.1.2 Основные свойства детекторов на основе CMAS-матриц 21
1.1.3 Детекторы с прямой регистрацией рентгеновского и ВУФ излучения
1.2 Детекторы изображения эксперимента ТЕРЕК на межпланетной станции «Фобос-1 .28
1.3 Детекторы изображения эксперимента ТЕРЕК-К/РЕС-К на космическом аппарате КОРОНАС-И 32
Глава 2 Основные принципы и методы построения аппаратно - программных комплексов управления (АПКУ) долговременными космическими экспериментами ТЕРЕК, ТЕРЕК-К/РЕС-К и СПИРИТ 42
2.1. АПКУ эксперимента ТЕРЕК на межпланетной станции «Фобос-1» (1984-1988) 44
2.2. АПКУ эксперимента ТЕРЕК-К/РЕС-К на станции КОРОНАС-И (1994г.) 47
2.3. АПКУ эксперимента СПИРИТ на станции КОРОНАС-Ф (2001 - 2005 г.г.) 49
Глава 3 Основные результаты экспериментов ТЕРЕК, ТЕРЕК/PEC и СПИРИТ 54
3.1 Введение 54
3.2 Результаты наблюдений
3.2.1 Результаты наблюдений в эксперименте ТЕРЕК проекта «Фобос-1». 56
3.2.2 Результаты наблюдений в эксперименте ТЕРЕК/PEC проекта «Коронас-И»... 57
3.2.3 Результаты наблюдений в эксперименте СПИРИТ проекта «Коронас-Ф» 58
3.3. Использования данных наблюдений для решения задач физики солнечной атмосферы 67
Заключение 77
Благодарности 79
Список литературы
- Основные свойства детекторов на основе ПЗС-матриц
- Детекторы изображения эксперимента ТЕРЕК на межпланетной станции «Фобос-1
- АПКУ эксперимента ТЕРЕК-К/РЕС-К на станции КОРОНАС-И (1994г.)
- Результаты наблюдений в эксперименте ТЕРЕК/PEC проекта «Коронас-И»...
Введение к работе
Актуальность работы. Диссертация посвящена разработке и созданию бортового аппаратного и программного обеспечения космических долговременных экспериментов по исследованию коротковолнового излучения Солнца методом изображающей спектроскопии. Рентгеновское и ВУФ излучение Солнца формируется в солнечной короне и содержит разнообразную информацию о плазменных структурах, связанных с конфигурациями магнитных полей, и их динамике. Актуальность работы связана с актуальностью проблем физики солнечной атмосферы и солнечно-земных связей. До настоящего времени остаются нерешенными ряд фундаментальных проблем физики Солнца, такие как: механизм нагрева солнечной короны и ускорение солнечного ветра, природа выделения и трансформации энергии в солнечных вспышках и других эруптивных процессах. Солнечная корона представляет большой интерес как объект физического исследования благодаря сложной структуре (активные области, корональные дыры, яркие точки и др.) и явлениям активности (вспышки, выбросы корональ-ных масс, взрывные протуберанцы и т.п.). Развитие этих явлений, связанное с нестационарными процессами перехода магнитной энергии в другие ее виды, является также характерными для многих астрофизических объектов. Природа этих явлений остается, в значительной степени непознанной. Помимо этого Солнце является уникальным источником информации о спектрах и характеристиках процессов возбуждения многозарядных ионов.
Ответы на вопросы фундаментального характера, в частности, о природе явлений солнечной активности дают ключ к решению прикладных задач солнечно-земных связей. К таким задачам относятся: прогнозирование земных явлений и состояние т.н. «космической погоды», непосредственно связанное с солнечной активностью, обеспечение безопасности космических полетов и надежности космических аппаратов и многие другие.
Внеатмосферные исследования рентгеновского излучения Солнца были впервые проведены в конце 40х годов в США. В СССР подобные эксперименты с использованием космических аппаратов были начаты в конце 50-х годов прошлого века в лаборатории спектроскопии Физического института им. П.Н.Лебедева Академии Наук СССР по инициативе профессора С.Л.Мандельштама. К середине 70-х г.г. было подготовлено и проведено более 25 космических экспериментов, в том числе на 15 высотных геофизических ракетах и 7 специализированных солнечных спутниках серий "Космос" и "Ин-
теркосмос". Исследования в СССР развивались в значительной мере параллельно с работами, проводимыми в США, а затем и в Англии, взаимно дополняя и развивая друг друга. Успешное развитие исследований рентгеновского излучения Солнца в первые 15 лет космической эры стало возможным в нашей стране благодаря высокому уровню экспериментальной и теоретической спектроскопии, достигнутой в ФИАНе. На основе результатов исследований рентгеновского излучения Солнца на первом этапе, изучения принципиальных возможностей оптических схем для наиболее информативной для диагностики плазмы область длин волн 8 - 335 А и разработки новой элементной базы рентгеновской оптики были сформулированы методы решения научных задач в космических экспериментах на солнечных космических станциях. Одним из таких методов - метод рентгеновской изображающей спектроскопии полного Солнца заключается в одновременном получении изображений и спектров Солнца с высоким угловым и спектральным разрешением в узких участках спектра и монохроматических линиях рентгеновского и ВУФ диапазона, характеризующих различные температурные слои солнечной плазмы. Этот метод был использован при разработке аппаратуры для последующих экспериментов на межпланетной станции «Фобос-1» (1988 г.), на солнечных станциях КОРОНАС-И (1994г.) и КОРОНАС-Ф (2001 - 2005 г.г.). Наиболее значительный вклад в изучение верхней атмосферы Солнца был сделан в эксперименте СПИРИТ на спутнике КОРОНАС-Ф. Целью эксперимента являлось исследование пространственно-временной структуры явлений солнечной активности с помощью комплекса рентгеновских инструментов. Для эксперимента СПИРИТ в ФИАНе был разработан не имеющий мирового аналога комплекс аппаратуры, который позволял получать одновременно спектральные (в 10 каналах) и монохроматические (в 160 спектральных линиях) рентгеновские изображения всего Солнца с высоким спектральным, пространственным и временным разрешением. Проведение таких наблюдений потребовало применение новых наукоемких технологий как в области разработки электронно-оптических устройств нового типа, так и в области создания автономных комплексов управления и обработки информации.
Целью диссертации является разработка, испытание и создание бортовых аппаратно-программных комплексов управления (АПКУ) длительными внеатмосферными экспериментами по исследованию коротковолнового излучения Солнца и их использованию для получения временных рядов спектральных изо-
бражений солнечной атмосферы с высоким пространственным и временным разрешением.
Объектом исследования космических экспериментов является плазма солнечной короны.
Предметом исследования является рентгеновское и ВУФ излучение Солнца.
Задачи диссертации. Для достижения основной-цели - создания аппаратно-программного комплекса управления (АПКУ) солнечными космическими экспериментами, в диссертации был поставлены и решены следующие задачи:
Разработка и создание координатно-чувствительных приемников рентгеновского излучения высокого пространственного и временного разрешения, предназначенных для долговременного автономного использования на космических аппаратах.
Разработка принципов организации и планирования наблюдений и методов управления комплексом приборов на борту космических аппаратов: «Фобос-1», «Коронас-И» и «Коронас-Ф».
Разработка и создание системы управления оптическими и электронными узлами всего комплекса бортовой аппаратуры, предназначенной для:
Накопления и первичной обработки научной информации.
Управления узлами бортовых научных приборов.
Обработки, анализа, сжатия и упаковки научной информации.
Поиска физических событий.
Реализации адаптивных режимов работы.
Сбора служебной информации.
Обеспечения работы в нештатных ситуациях.
4. Лабораторное тестирование и калибровка бортовой аппаратуры.
Диссертация содержит описание АПКУ для бортовой аппаратуры на КА
«Фобос-1», Коронас-И, Коронас-Ф и результаты ее использования в экспериментах ТЕРЕК, ТЕРЕК-КУРЕС-К и СПИРИТ.
Научная новизна работы состоит в постановке и решении задач создания нового типа АПКУ долговременных солнечных космических экспериментов. Новыми также являются следующие результаты, полученные в работе: 1. Создан ряд координатно-чувствительных рентгеновских приемников нового типа с динамическим диапазоном до 104 с высоким пространственным (до 5 секунд дуги) и временным ( 5 сек) разрешением.
Впервые разработаны принципы организации и планирования долговременным космическим экспериментом по наблюдению рентгеновского излучения Солнца.
Созданы новые методы бортового управления комплексом приборов и потоками научной информации.
Впервые реализованы многочисленные, в том числе адаптивные, режимы работы космической аппаратуры.
5.Созданы и реализованы новые бортовые алгоритмы сжатия, обработки и упаковки информации в условиях информационных сбоев.
Научная и практическая ценность работы определяется актуальностью тематики в области как фундаментальных, так и прикладных исследований. Применение разработанных комплексов, позволило реализовать метод изображающей спектроскопии в долговременных экспериментах на космических аппаратах: «Фобос-1» (1988 г.), КОРОНАС-И (1994 г.) и КОРОНАС-Ф (2001 - 2005 г.г.). В результате проведения экспериментов ТЕРЕК, ТЕРЕК-К/РЕС-К и СПИРИТ, бьш накоплен уникальный банк научных данных: рентгеновских и ВУФ монохроматических и спектральных изображений всего Солнца и солнечной короны до Зх солнечных радиусов общим объемом более 10 ГБ информации (около 300 тыс. отдельных изображений). Эта база данных может быть использована в многих российских и иностранных научно-исследовательских центрах, таких как: ИКИ, ИЗМИР АН, ГАИШ, ННИЯФ МГУ, ГАО и др. Полученные данные позволили обнаружить новый класс явлений солнечной активности и провести детальное определение параметров динамики явлений в горячей плазме солнечной короны. В частности, впервые наблюдались и были исследованы крупномасштабные долговременные события в солнечной короне («пауки»), впервые исследована пространственная структура импульсных вспышечных событий. По результатам наблюдений впервые было получены распределения электронной температуры и плотности в активных областях и вспышках. Впервые получены новые данные о спектрах многозарядных ионах корональной плазмы.
Разработанные в диссертации принципы построения, технические решения и методы, являются основой и применены для создания нового поколения космической аппаратуры (эксперимент ТЕСИС на КА КОРОНАС-ФОТОН). Широкополосные приемники изображения, созданные на принципах разработанных автором, широко используются в качестве лабораторных приемников рентгеновского изображения и в нейтронной томографии.
Апробация работы. Результаты работы, составившие основу диссертации, опубликованы в 19 рецензируемых журналах и были представлены на отечественных и зарубежных конференциях:
VII Всесоюзной конференция ВУФ-86, Латвия 1986г, VIII Всесоюзной конференция ВУФ-89, Иркутск 1989 г.; симпозиум "Прикладная оптика-94", Санкт-Петербург 1994 г., совещание "Рентгеновская оптика- 2002, Н. Новгород 2002 г; конференция «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности», Н.Новгород 2003 г; конференция посвященная 90-летию со дня рождения чл.-корр. АН СССР В.Е.Степанова, Иркутск 2003 г, ИСЗФ СО РАН; Всероссийская астрономическая конференция ВАК-2004 «Горизонты Вселенной», МГУ, ГАИШ, 2004 г.; конференция "КОРОНАС-Ф: три года наблюдений активности Солнца 2001-2004 гг.", ИЗМИР АН, Троицк Московской обл. 2005 г; 10th European Solar Physics Meeting, Praha, Czech Republic, 2002, 34th COSPAR Scientific Assembly, Houston, USA, 2002; 35th COSPAR Scientific Assembly, Paris, France, 2004; Международная конференция "Физика Солнца", Крым, п. Научный, КРАО, 2006 г. и других.
Результаты были также апробированы на семинарах в следующих научных центрах:
Физическом институте РАН, Институте космических исследований РАН, ГАО (Пулково), Парижской обсерватории (Франция) и других.
Основные результаты, представленные в 19 работах, приведены в конце автореферата в хронологическом порядке. Основные положения, выносимые на защиту:
Разработаны и созданы двухкоординатные детекторы формата до 1024x1152 элементов с однофотонной чувствительностью в диапазоне Х<10 нм. для регистрации изображений в автономных долговременных космических экспериментах. С помощью таких детекторов получены изображений солнечной атмосферы размером до Зх радиусов Солнца с пространственным разрешением до 5 секунд дуги.
Разработанне методы бортового управления комплексами космических приборов в экспериментах ТЕРЕК, ТЕРЕК-КУРЕС-К и СПИРИТ на КА «Фобос-1», Коронас-И и Коронас-Ф, позволили получить изображения всего Солнца одновременно в 4х различных спектральных каналах коротковолнового излучения с временным разрешением до 4 сек.
3. Созданный аппаратно-программный комплекс управления (АПКУ), обеспечил получение за 4,5 года непрерывной безаварийной работы до 10 ГБ научной информации о строении и динамики солнечной атмосферы.
Структура и объем диссертации:
Диссертация состоит их введения, обзора литературы, трех глав и заключения.
Общий объем 86 страниц, включая 22 рисунка и 6 таблиц. Список литературы
содержит 97 наименований.
Основные свойства детекторов на основе ПЗС-матриц
Первые экспериментальные попытки регистрации энергичных фотонов за пределами атмосферы Земли состоялись во второй половине 40-х годов XX века на трофейных ракетах ФАУ-2, модифицированных для установки научной аппаратуры (Burnight, 1949; Tousey, 1951). В Советском Союзе соответствующие эксперименты проводились на полигоне «Капустин Яр» на ракетах «Р-1» (1947 год). Основной целью исследований была регистрация высокоэнергичных фотонов, большинство из которых принадлежало космическим лучам. Систематические исследования именно солнечной активности впервые начались в 50-х годах и проводились в морской исследовательской лаборатории США под руководством Г.Фридмана (Friedman, 1951, 1960; Buram et al., 1956; Chubb et al., 3957, 1960). Главным результатом экспериментов стало измерение потоков излучения ряда хромосферных вспышек, а также локализация областей генерации рентгеновского излучения в солнечной короне, осуществленная во время полного солнечного затмения 12 октября 1958 года (Chubb et al., 1961).
В Советском Союзе эксперименты по регистрации коротковолнового излучения Солнца были начаты в 1957 году в Физическом институте им. П.Н.Лебедева АН СССР под руководством члена-корреспондента АН СССР С.Л.Мандельштама. Первый эксперимент по измерению рентгеновских потоков был проведен на втором ИСЗ «Спутник-2» (Мандельштам и др., 1961а). На спутнике, запущенном 3 ноября 1957 года, был установлен прибор с открытыми фотоумножителями, разработанный под руководством С.Л.Мандельштама и А.А.Лебедева (Мандельштам, 1965). Прибор зарегистрировал множество сигналов в области длин волн короче 120 А, часть из которых, как выяснилось в дальнейшем, была вызвана не излучением Солнца, а частицами радиационных поясов.
В конце 50-х начале 60-х годов в ФИАН стартовала программа ракетных исследований Солнца (Васильев и др., 1961, Мандельштам и др. 19616). Первые наблюдения солнечного рентгеновского излучения, выполненные этим способом, были проведены в 1959 году. Они позволили обнаружить на Солнце излучение горячих конденсаций с предполагаемой температурой около 4 млн. К (МК). В последующих ракетных пусках измерения излучения проводились одновременно в двух интервалах (2-10 А и 8-10 А). Это дало возможность независимым образом измерить температуру излучающей плазмы.
В отличие от ракетных запусков, имеющих разовый характер, спутниковые исследования позволяют осуществлять длительные наблюдения Солнца, Первые длительные измерения потоков рентгеновского излучения Солнца — в течение нескольких дней - были выполнены в 1960 году на втором и третьем космических кораблях спутниках, запускавшихся в рамках подготовки к полету человека в космос (Мандельштам и др., 1961). Для обеспечения непрерывности регистрации сигнала в этих запусках было впервые применено бортовое запоминающее устройство и автономная система постоянной ориентации прибора на Солнце.
Более длительные - на протяжении нескольких месяцев - наблюдения были проведены на борту космических станций «Электрон-2» (1964 год) и «Электрон-4» (1965 год) в период Международного года спокойного Солнца. Наблюдения проводились в участках спектра 5-10 А и 8-18 А. Для записи результатов измерений на спутниках была реализована система бортовых запоминающих устройств, которые, в зависимости от выбранного режима работы, могли накапливать информацию за один или несколько витков. Управление работой бортовой аппаратуры осуществлялось двумя способами - автономно и с помощью команд с Земли, передаваемых на борт станции по специальной командной радиолинии. На станциях «Электрон» были также установлены датчики солнечной ориентации, показания которых регистрировались наряду с научной информацией. Это позволило определять угловое расположение станций во время наблюдений и рассчитывать векторные величины некоторых измеряемых параметров.
Длительные исследования Солнца на станциях «Электрон» позволили впервые изучить связь наблюдаемых вариаций потока и спектрального состава излучения с появлением на диске активных образований, а также детально проследить 27-суточную периодичность потока и исследовать его связь с другими характеристиками солнечной активности, в частности с площадью флоккулов и потоком радиоизлучения на длинах волн 6.6 и 10.1 см (Летфус и др., 1972). С помощью рентгеновских фотометров, установленных на станции «Электрон-2», был зарегистрирован ряд вспышек, прослежена динамика их развития и оценена температура порядка 10 К.
В результате активного использования искусственных спутников Земли и орбитальных космических станций в качестве средств для проведения внеатмосферных экспериментов, а также в результате сопоставления накопленных экспериментальных результатов с теоретическими расчетами солнечных спектров была установлена тепловая природа рентгеновского излучения спокойного Солнца. Фактически, было показано, что мягкое рентгеновское излучение короны в диапазоне длин волн ниже 1 А состоит из непрерывного тормозного излучения тепловых электронов короны в поле ионов и собственного линейчатого излучения многозарядных ионов (Мандельштам и др., 1965). С точки зрения временных характеристик рентгеновское излучение Солнца состоит из двух компонент: квазипостоянного излучения, формирующегося в невозмущенньгх областях короны, и медленно меняющейся компоненты, связанной с активными областями короны. Такие особенности излучения во многом оказались схожи с уже хорошо известными к тому времени свойствами радиоизлучения Солнца.
Наиболее важными, фундаментальными задачами первых советских и зарубежных солнечных экспериментов конца 50-х начала 60-х годов были следующие: (1) измерение абсолютных потоков коротковолнового излучения Солнца, (2) установление изменений потоков излучения на протяжении 11 -летнего цикла солнечной активности и (3) установление областей генерации рентгеновского излучения Солнца. В частности, в США с этой целью были произведены запуски спутников SR-1 и SR-3 (Kreplin et al., 1962; Acton et al, 1963); в Англии - спутника Ariel-1 (Boyd, 1962). Благодаря анализу и сопоставлению рентгеновских наблюдений, осуществленных в СССР, США и Англии к середине 60-х годов удалось достичь решения, фактически всех этих задач. Наибольшие трудности, в этом смысле представляла задача локализации источников рентгеновского излучения в короне Солнца, поскольку для этой цели требуется построение рентгеновских изображений Солнца. Первые данные об областях генерации рентгеновского излучения Солнца были получены в 1961 году в результате запуска ракеты со счетчиком фотонов в зону полного затмения Солнца 15 февраля 1961 года. Наблюдений в диапазоне длин волн Х 10А показали, что такое коротковолновое излучение формируется высоко в короне Солнца в областях, расположенных над активными областями в хромосфере. В 1963-1965 годах с помощью камер обскура на геофизических ракетах удалось произвести прямое фотографирование Солнца в рентгеновской и далекой ультрафиолетовой областях спектра (Житник и др., 1967). Первая фотография солнечной короны была получена 19 апреля 1960 года группой Фридмана в области спектра 20-60 Л. Аппаратура эксперимента представляла собой камеру-обскура с отверстием диаметром 0.125 мм, закрытым алюминированной органической пленкой, и давала разрешение порядка 0.1 диаметра Солнца. Аппаратура имела ориентацию только по оси, направленной на Солнце, и вращалась вокруг этой оси. Из-за этого первое рентгеновское изображение Солнца было сильно смазано по дуге: на угол более 70 градусов. В советском эксперименте, состоявшемся 6 июня 1963 года, была впервые применена следящая система, обеспечивающая трехосную ориентацию и стабилизацию камер обскура, благодаря чему удалось значительно уменьшить угловую скорость вращения аппаратуры и получить наиболее четкие на тот момент фотографии Солнца. Камера-обскура, использованная в первом советском эксперименте, имела апертуру 0.2 мм при длине камеры (расстояние от входного отверстия до пленки) 200 мм и, соответственно, давала пространственное разрешение примерно 3 угловых минуты.
По результатам исследования первых рентгеновских фотографий Солнца было установлено, что рентгеновское излучение Солнца распределено в короне неравномерно и большей частью генерируется в компактных активных областях короны с угловыми размерами порядка 1-3 минуты, расположенными над яркими хромосферными флоккулами, видимыми в линии К ионизованного кальция Call. Эти области имеют повышенную температуру и плотность и могут сохраняться на Солнце длительное время - несколько суток и даже недель. Обнаруженные источники рентгеновского излучения примерно совпали с источниками дециметрового радиоизлучения Солнца.
Детекторы изображения эксперимента ТЕРЕК на межпланетной станции «Фобос-1
Аппаратно-программный комплекс, установленный на КА КОРОНАС-И состоял из рентгеновского телескопа ТЕРЕК-К и рентгеновского спектрометра РЕС-К. По оптическим схемам телескоп ТЕРЕК-К является модификацией телескопа ТЕРЕК, установленного на КА ФОБОС, при больших форматах ПЗС матриц, больших оптических апертурах каналов. Для обеспечения считывания и обработки большего объема информации, была полностью переработана программно-аппаратная концепция прибора. Для минимизации затрат и повышения надежности за счет дублирования и уровня отработки, электронные схемы приборов РЕС-К и ТЕРЕК-К совершенно аналогичны и отличаются только количеством приемников изображения, количеством и типами приводов механических узлов, системой команд. Основой электронных схем являлся 8-ми разрядный процессор типа И182ШМ85, аналогичный процессору INTEL8085, с быстродействием -0.6 MIPS. На момент создания комплекса рентгеновской аппаратуры проекта КОРОНАС-И этот процессор являлся единственно доступным однокристальным процессором с малым потреблением энергии, допущенным к применению в условиях космического полета. Для повышения надежности приборов ТЕРЕК-К и РЕС-К применялось холодное резервирование блоков центрального процессора и низковольтного источника питания. Управление ПЗС матрицами осуществлялось центральным процессором по шине, аналогичной внутренней процессорной шине. Сама схема управления ПЗС матриц располагалась в БД приборов РЕС-К и ТЕРЕК-К, причем 10 битный АЦП располагался непосредственно на плате управления ПЗС. Скорость считывания ограничивалась быстродействием ЦП и составляла 7 Мксек/ячейку ПЗС. Вследствие того, что все операции по управлению ПЗС (управлению фазными генераторами, управлению устройством ДКВ, АЦП, ...) осуществлялось непосредственно ЦП, в определенный момент времени могла исполняться только одна задача: Экспонирование одной из ПЗС матриц. Считывание одной из ПЗС матриц. - Упаковка информации в буфер обмена с бортовой системой сбора данных. - Передача информации в бортовую систему сбора данных - Анализ и интерпретация поступивших команд. Электрические схемы приборов организованы одинаково и отличаются лишь набором узлов - количеством каналов и наличием управления 4-мя механическими приводами в приборе ТЕРЕК-К. Основу управления составляет микропроцессорный контроллер (МПК), выполненный на основе 8-разрядного процессора I821BM85 (российского аналога INTEL 8085), работающий на тактовой частоте 3.5 МГЦ. Программное обеспечение объемом 8КБ прошито в ПЗУ (556РТ7).
На этапе отладки ПО записывалось в перепрограммируемые ПЗУ с УФ стиранием (573РФ4), устанавливаемые в розетки, распаиваемые параллельно гнездам для РТ7. Оперативная память размещается на отдельных платах (4x1МБ для ТЕРЕК-К и 5x1МБ для РЕС-К) и построена на динамических ОЗУ с организацией 1Мб х 1 в пластмассовых DIP-корпусах стандартного типа, устанавливаемого на материнских платах IBM-совместимых персональных компьютеров. Все периферийные устройства обмениваются с МІЖ по 8 разрядной внешней шине. Для передачи данных по шине между удаленными на 2 м друг от друга блоков электроники и блоков датчиков используются шинные усилители на 588ВА1. Прием команд управления (подаваемых импульсами 27 В) производился на поляризованные реле РПС45, что позволяло подавать команды на выключеннный прибор. ОЗУ гибких циклограмм, которые постоянно перепрограммировались в течение всего полета было выполнено на базе одной микросхемы 537РУ9.
Два четырехпозиционных механических привода для смены фильтров и зеркал в приборе ТЕРЕК и двухпозиционный привод крышки выполнены на основе двигателя постоянного тока ДПР42. Индикация положений производится с помощью герконов. Для аварийного открытия крышки прибора ТЕРЕК была предусмотрена электромагнитная муфта.
Для повышения надежности были предусмотрены резервный источник питания и резервная плата микропроцессорного контроллера, включаемые подачей радиокоманд в сеансе связи. ЭОПы питались от высоковольтных преобразователей с 4-мя ступенчато регулируемым уровнями усиления, что позволяло программно регулировать усиление ЭОПов. В двух приборах использовалось в общей сложности 8 ПЗС матриц типа Кельт размерностью 1024x1152 пикселей, охлаждаемых встроенными Пелтье-холодильниками мощностью 6 Вт. Для сокращения энергопотребления и улучшения теплового режима использовалось программное отключение холодильников простаивающих матриц.
В устройствах управления ПЗС генераторы фазных сигналов секций накопления, памяти и выходного регистра были выполнены на микросхемах 533 и 564 серии. Оцифровка сигналов с ПЗС осуществлялась 10-разрядным АЦП с временем преобразования 4 мкс. Для связи между приборами в полете были предусмотрена специальная локальная шина связи, которая в полете использовалась для трансляции МПК-команд с прибора РЕС-К на ТЕРЕК.
Основой аппаратно-программного комплекса эксперимента СПИРИТ проекта КОРОНАС-Ф является центральный процессор, выполненный на основе 16-ти разрядного цифрового сигнального процессора (DSP) с производительностью 33 MIPS. Центральный процессор включает в себя 32 МБ памяти данных, 10 КБ ПЗУ программ, 4КБ ОЗУ с неотключаемым питанием для сохранения параметров работы я пользовательских программ между сеансами работы комплекса. Для разгрузки центрального процессора от рутинных операций управления ПЗС матрицами, контроллеры ПЗС матриц представляют собой автономные контроллеры, где управление и считывание информации центральным процессором производится командами высокого уровня. Связь с центральным процессором осуществляться по последовательным каналам связи - высокоскоростному асинхронному RS485 ПЗС-ЦП (информация), и низкоскоростному асинхронному ЦП-ПЗС (управления приемниками).
Комплекс аппаратуры СПИРИТ (рентгеновский телескоп СТР-К и спектрогелиометр РЕС-К) предназначен для регистрации изображений Солнца и спектрогелиограмм в мягком рентгеновском и крайнем вакуумно-ультрафиолетовом диапазонах спектра. Приборы СРТ-К и РЕС-К выполнены по одинаковым схемотехническим решениям и отличаются только количеством приемников изображения, количеством и типом механических узлов, программным обеспечением и командами управления.
Физические задачи эксперимента требуют: гибкого управления режимами регистрации в различных каналах; одновременной регистрации изображений в нескольких каналах; регистрации изображений с высоким временным разрешением (до 4 сек); координации проведения наблюдений с другими наземными и космическими инструментами; получения и обработки на борту больших объемов информации.
Для управления экспериментом СПИРИТ создан аппаратно-программный комплекс (АПК). АПК содержит две независимые автономные системы, состоящие из центральных бортовых компьютеров, программного обеспечения и периферийных устройств.
Всего в состав комплекса входят: 4 телескопа (2 телескопа-короно графа); 5 спектрогелиометров; 2 звездные камеры; 11 детекторов изображений, состоящих из рентгеночувствительных усилителей яркости, оптических ПЗС-матриц, ПЗС-матриц с прямой регистрацией рентгеновского излучения, контроллеров; всего в приборе использовано 4 типа приемников (таблица); 12 микроприводов для смены спектральных диапазонов, уменьшения радиационных повреждений, проведения юстировки в полете, наведения на дальнюю корону; 4 сигнальных процессора DSP (1G8 операций/с); 11 периферийных контроллеров; 4 буфера памяти на 32М байта; программное обеспечение (многозадачность, возможность корректировки и обновления в полете)
АПКУ эксперимента ТЕРЕК-К/РЕС-К на станции КОРОНАС-И (1994г.)
Помимо изученных ранее на спутнике Yohkoh нестационарных явлений (транзиентов), был обнаружен целый класс новых динамических структур, обладающих различной формой, масштабом, длительностью и временными характеристиками, в том числе долгоживущие (до нескольких суток) плазменные образования, расположенные высоко в короне {до 300 тысяч км) и напоминающие по форме пауков . В длительных (более 20 суток) сериях непрерывных наблюдений, выполненных с высоким временным разрешением (от 0.6 до 1.7 мин) была также обнаружена высокая активность таких плазменных образований, сопровождаемая появлением горячих «облаков», вспьшгечными явлениями, выбросом корональных масс и др. Пример изображения таких «пауков», наблюдавшихся 22 октября 2001 г в канале MgXII также представлен на Рис.4.
В изображениях в канале магния были выявлены следующие регулярно наблюдаемые образования: - «горячие облака» - диффузные образования переменчивой формы, с характерными размерами и высотой над лимбом до 0.4 Ro и временем жизни до нескольких часов; - «пауки» - крупномасштабные структуры, ассоциированные с активными областями, и характеризуемые в течение длительного времени (до нескольких суток) паукообразной формой с ярким шарообразным «телом» на высотах 0.1 - 0.3 Ro и менее яркими «ногами», морфологически имеющими вид системы гигантских арок, несовпадающей с системой холодных магнитных петель; - комплексные события, включающие появление облаков с последующим образованием пауков и гигантских арок и сопровождаемые вспышками, корональными выбросами масс, и другими эруптивными явлениями; «волны» — явления, имеющие вид расходящихся волновых фронтов или последовательного зажигания магнитных арок и наблюдающиеся в периоды высокой солнечной активности.
В линии Mg XII были также выполнены исследования динамики активных процессов в солнечной короне с высоким временным разрешением - до 7 сек. Исследована временная и пространственная структура вспышек в линии MgXII 8.42 А. Регулярно проводимые длительные наблюдения показали, что характерные времена развития многих вспышек, регистрируемых в этом диапазоне, составляют несколько минут. В максимуме активности в сутки может происходить несколько вспышек класса С и М. Для их детального исследования автором была разработана методика и создано бортовое программное обеспечение, позволившее получать изображения с частотой несколько секунд . За несколько месяцев наблюдений на фазе максимума активности 2002-2003 гг. было зарегистрировано более 50 последовательностей изображений, захватывающих предвспьппечную, начальную, максимальную фазы и фазу спада развития вспышек. По сравнению с результатами GOES в диапазоне 1-8 А данные СПИРИТ позволяют наблюдать и сравнивать тонкую пространственную и временную структуру излучения в различных областях вспышки (рис 3.4). Для части вспышек выявлена перекачка энергии между основными центрами активности как на уровне переходного слоя и хромосферы, так и высоко в короне.
В феврале и мае 2002 г. были организованы и проведены программы непрерывной (в течение 10 суток) регистрации изображений Солнца в диапазоне 8,42 A (MgXII) с временным разрешением 100 сек; при этом зарегистрировано несколько вспышек классов С и М. Проанализирована корреляция наблюдавшихся вспышек с данными наблюдений интегрального рентгеновского потока на спутнике GOES.
Были исследованы квазипериодичности во всплесках рентгеновского излучения в линии MgXII 8.42 А от отдельных активных областей на Солнце в период с 19 по 23 февраля 2002 г. . Обнаружены статистически значимые квазипериодические вариации с периодами в интервалах 12 - 30 минут и 40 - 200 минут (рис. 4.4). Короткопериодические осцилляции, по всей видимости, отражают существование периодических процессов или волн в горячих корональных петлях. На возможную зависимость обнаруженных квазипериодов от физических параметров корональных петель указывают изменения спектра мощности АО после появления в ней пятен. Так, после всплывания нового фотосферного магнитного потока в активной области NOAA 9840 изменился спектр мощности в области этих частот.
В области низких частот пики в спектрах мощности различны для разных АО. Например, для компактной развивающейся области 9840 характерные квазипериоды составляют 72 и 84 минут, а для вспышечно-активной области 9825 - около 138 и 160 минут. Таким образом, различие положений максимумов в области низких частот, связанное с частотой возникновения крупных всплесков в различных АО, по-видимому, определяется структурой и напряжённостью магнитных полей АО.
Впервые прослежен процесс длительной эрупции горячей плазмы (10 МК) в дальнюю корону. В этом явлении в линии MgXlI высота горячей структуры над лимбом достигает 0,7 радиуса Солнца, при этом наблюдается корреляция его существования с явлениями, регистрируемыми оптическим коронографом на SOHO в этом секторе короны. Отличительной особенностью связанных с горячими структурами эруптивных явлений (ЭЯ) является большой разброс в яркости и характере динамики. Возможными кандидатами на отождествление этих образований являются постэруптивные аркады. Образование такой аркады обычно протекает бурно с последующим переходом к более спокойной стадии. Длительное существование постэруптивных аркад предполагает продолжительное энерговыделение высоко в короне, что может обеспечиваться процессами медленного пересоединения.
По результатам анализа спектров 40 пространственных участков, включающих различные плазменные образования (активные области, участки спокойного Солнца на диске, надлимбовые структуры), были выявлены характерные максимумы интенсивности, интерпретированные как спектральные линии. Предварительная идентификация линий проводилась на основе базы данных CHIANT1 (версия 4.2) путем отбора по интенсивности, рассчитанной в интервале плотностей lg Ne = 8-J-12 в предположении постоянной меры эмиссии.
Составлен каталог спектральных линий, наблюдавшихся XUV каналами спектрогелиографа РЕС в диапазонах 176-207 и 280-330 А . Каталог включает 165 спектральных линий. Предложена идентификация 105 наблюденных линий; 15 линий наблюдаются только во вспышках. Регулярные наблюдения Солнца телескопами СПИРИТ дали важную информацию о мощных эруптивных событиях, произошедших в 2001-2005 г.г. Важным преимуществом телескопов СПИРИТ по сравнению с другими инструментами, в частности, с телескопом SOHO/EIT являлась возможность одновременной регистрации изображений полного диска Солнца в двух диапазонах: 175 А, содержащем корональные линии Fe IX-XI (Т—0,9-1,3 МК), и 304 А, в котором превалирует линия переходного слоя Не II (Т 0,02-0,08 МК). Сопоставление временных вариаций яркости структур, видимых в различных диапазонах, дало возможность изучить динамику распространения возмущений в активных процессах типа вспышек и КВМ. Другими важными задачами являлись установление глобальных связей между центрами активности и поиск предвестников эрупции для прогнозирования активных явлений и их геоэффективности.
Было детально проанализировано эруптивное событие, произошедшее 4 ноября 2001 г. после 16 UT, которое было зарегистрировано в каналах телескопа СПИРИТ ТІ (284 А) и Т2 (175 и 304 А) . Рассмотрение именно этого события и большой интерес к нему обусловлены двумя обстоятельствами. Во-первых, в это время на SOHO/EIT не было наблюдений из-за проводившейся профилактики, a TRACE регистрировал активность в ограниченном поле зрения в стороне от центра эрупции. Во-вторых, это событие - одно из наиболее крупных и геоэффективных в текущем 23-м цикле активности. По своим характеристикам оно сопоставимо с широко известным событием «Дня Бастилии» 14 июля 2000 г.
Источником эрупции была крупная активная область AR 9684, располагавшаяся к северо-западу от центра диска (рис. 3.5а). Видимый в линии На флоккул пересекался протяженным волокном FF, располагавшимся над линией раздела полярностей фотосферного магнитного поля. Как показывает изображение Yohkoh/SXT в мягком рентгене (рис. 3.56), над волокном наблюдалась крупная высокотемпературная корональная аркада со скрученной (сигмоидальной) структурой. Такая структура является признаком шировой магнитной конфигурации и свидетельствует о накопившейся избыточной энергии в ней и большой вероятности последующего эруптивного события. Аналогичная структура наблюдалась перед событием и в горячей линии MgXII прибора СПИРИТ (рис.3.5в), причем сигмоид был выражен более четко, поскольку излучение линии Mg соответствует более горячей плазме (5-15 МК).
Результаты наблюдений в эксперименте ТЕРЕК/PEC проекта «Коронас-И»...
Другим важным результатом диагностики горячей плазмы в активных образованиях в солнечной короне является определение механизма свечения плазмы «паука» в мягком рентгеновском излучении на основе сравнения данных, полученных в ВУФ и мягком рентгеновском диапазонах спектра. На рис. 3.8 для события 28/29.12.2001 даны изображения в «горячем» (8-12 МК) канале MgXII спектрогелиографа РЕС и «холодном» (порядка 2 МК) канале вблизи 195 Л телескопа EIT (Extreme Ultravaliot Imaging Telescope) на спутнике SOHO (Solar Heliospheric Observatory). Из рисунка видна радиально (вдоль радиуса Солнца) вытянутая структура «паука» в рентгеновском («горячем») изображении РЕС и постэруптивная («холодная») аркада магнитных петель, группирующихся в перпендикулярном направлении.
За счет удачной ориентации прибора РЕС в период наблюдения (в XUV канале 280-330 А «паук» был направлен вдоль оси, перпендикулярной направлению дисперсии) оказалось возможным исследовать зависимость температурных распределений ДМЭ вдоль солнечного радиуса. На рис. 3.9 представлены эти распределения для трех расстояний от солнечного лимба, а также для активной области на лимбе. Из рисунка отчетливо видно неравномерное распределение горячего вещества (ДМЭ) в зависимости от солнечного радиуса в интервале температур 8-12 МК.
Рентгеновские монохроматические изображения в резонансной линии Mg XII, полученные с высоким пространственным разрешением порядка 8 секунд дуги в сочетании с ВУФ спектрами, а также данными о временных профилях и изображениях мягкого рентгеновского излучения (МРИ) со спутников GOES, YOHKOH и RHESSI позволили получить принципиально новую информацию о структуре, динамике и физических характеристиках (распределении электронной плотности, температуры и давления) в горячих плазменных образованиях с температурой от 4 до 20 и более МК. Многотемпературный анализ, выполненный по результатам таких комплексных одновременных наблюдений в разных спектральных интервалах, показал, что температура, традиционно определяемая методом фильтров, может превышать в 2-3 раза, а мера эмиссии (МЭ) на порядок и более занижать, соответственно, среднюю температуру и значение полной МЭ вспышечных областей. В частности, в области уникально мощной вспышки 7 сентября 2005 г. максимум температурного распределения вещества составил величину порядка 10 МК, в то время как по однотемпературной модели во вспышках наиболее высокого балла были определены температуры порядка 40 МК.
Важным результатом исследования временных профилей потоков МРИ прибором РЕС и монитором GOES является обнаружение во всех вспышечных событиях «переходной» плазмы с промежуточной температурой 4-10 МК, дающей значительный до 70% и более, вклад в энергобюджет вспышечных процессов. Наиболее существенным образом такая плазма влияет на динамику долговременных градиентных событий (ДГС), например, т.н. «пауков», впервые обнаруженных и исследованных с помощью серий монохроматических изображений в канале магния. Анализ морфологических особенностей и диагностика температурных и плотностных пространственных распределений показали принципиальное отличие таких вспышечных явлений от обнаруженных ранее в эксперименте Yohkoh., что свидетельствует о различных механизмах их образования и развития. Отличие во временном ходе, пространственных масштабах, плотностных градиентах и максимальной плотности (около двух порядков величины) в импульсных событиях (ИС) и отмеченных выше ДГС также указывает на специфический характер механизма образования последних, в отличие от выводов о едином происхождении обоих событий, сделанных авторами работ по анализу данных Yohkoh. Таким образом, наличие новых данных, полученных приборами РЕС, приводит к необходимости пересмотра интерпретации ряда результатов количественного моделирования процессов образования и развития вспышечных явлений. Важно также отметить высокую наблюдаемую корреляцию ДГС (пауков) с выбросами корональных масс (ВКМ), изучение которых имеет важное прикладное значение для исследований солнечно-земных связей и космической погоды.
Для выяснения связи крупномасштабных диммингов с глобальной структурой магнитного поля был проведен анализ изменения интенсивностей корональных структур в границах отдельных участков диммингов в периоды времени, предшествующие эрупции. Для событий 28 октября и 17 ноября 2003 г. были построены карты областей диммингов и временные профили изменения интегральных интенсивностей в границах каждой области (рис. 23). Обычно карты диммингов получаются вычитанием из изображения Солнца, снятого через 0,5-1 час после эрупции, базового изображения, снятого непосредственно перед началом эрупции (за момент начала эрупции обычно принимается расчетное время отрыва КВМ от поверхности Солнца, экстраполируемое по распространению КВМ в коронографе видимого света на расстояниях более 2 R). В данном случае мы исследовали вариации яркости корональных структур в пределах областей диммингов за несколько часов (до 12) перед эрупцией. Был проведен анализ временных корреляций временных профилей интегральной интенсивности каждой из областей диммингов с профилем области, вносящей наибольший вклад в полную интенсивность димминга.
Степень корреляции оценивалась по величине коэффициента линейной корреляции Пирсона, рассчитываемого за период времени 4-6 часов до начала эрупции. Было обнаружено, что большинство участков показывают высокую корреляцию выше доверительного уровня в 50%, соответствующего статистике наблюдений, но для некоторых участков эта корреляция существенно ниже. Можно предположить, что при высокой корреляции вариации интенсивности вызваны одним и тем же эруптивным событием, при низкой - происходят из-за наложения других параллельных процессов. Интересно, что после начала эрупции положительная корреляция в участках первого типа резко падает или даже становится отрицательной. Характерным поведением интенсивности участков с высокой корреляцией, относящихся к основному диммингу, является заметное уярчение (до 10-20%) за 1-2 часа до момента эрупции, за которым следует сначала плавный, затем резкий спад, достижение минимума через 0,5-1 часа после эрупции и медленное восстановление, иногда до первоначальной яркости, в течение нескольких часов (или десятков часов). При этом, временной ход интегральных интенсивностей в корональных линиях 175 и 195 А практически одинаков, в линии переходного слоя 304 А минимум достигается позже, он заметно менее глубокий, и восстановление происходит быстрее (рис. 3.10).
