Отдел физики планет и малых тел
Солнечной системы

Спектрометр СПИКАМ ИК является частью эксперимента СПИКАМ на борту космического аппарата «Марс-Экспресс», который состоит состоит из двух независимых спектральных каналов, ультрафиолетового (118-320 нм, разрешение ~ 0.51 нм) и инфракрасного (1000-1700 нм, разрешение лучше 1 нм), объединенных в единый оптический блок и блока электроники. Основной вклад в изготовление прибора внесли три организации: Служба Аэрономии, Национального центра научных исследований Франции (ответственный за выпуск прибора, УФ спектрометр, основная электроника, испытания), ИКИ РАН (законченный ИК-спектрометр) и Бельгийский институт космической аэрономии (механические узлы).

Акустооптический спектрометр ближнего инфракрасного диапазона начал работу на орбите Марса в январе 2004 года. В эксперименте СПИКАМ ИК-спектрометр на основе акустооптического фильтра был впервые использован для исследования других планет.

Оптическая схема ИК-спектрометра:

ИК-канал прибора на основе акустооптического фильтра расположен сбоку УФ-спектрометра СПИКАМ на том же основании (рисунок 2).

Рисунок 2 - Упрощенная оптическая схема двухканального спектрометра СПИКАМ

1 - апертура УФ спектрометра; 2 - зеркало телескопа; 3 - щель (убирающаяся); 4 - вогнутая дифракционная решетка; 5 - усилитель изображения; 6 - ПЗС матрица; 7 - линзовый телескоп канала ближнего ИК; 8 -диафрагма поля зрения; 9, 11, 13 – вспомогательные линзы; 10 - акустооптический фильтр; 12 - ловушка прямого света; 14-15 - детекторы ИК канала; 16 - апертура для солнечного просвечивания; 17-21 - детали для ввода солнечного света в УФ и ИК каналы

Основные характеристики прибора:

Солнечное излучение, отраженное и рассеянное в атмосфере Марса собирается при помощи телескопа, оптическая ось которого параллельна оси УФ-спектрометра и других приборов «Марс-Экспресс», предназначенных для наблюдений в надир. Телескоп собран по схеме Галилея и имеет фокальное отношение 1:1.4. Входной объектив трехлинзовый диаметром 30 мм, в фокальной плоскости телескопа расположена круглая диафрагма Ø1 мм, ограничивающая поле зрения прибора, а выходной объектив двухлинзовый.

В приборе использован акустооптический фильтр на основе кристалла парателлурита в особой неколлинеарной конфигурации, обеспечивающий высокую разрешающую силу в относительно широком угловом пучке. Для разделения падающего и дифрагировавшего излучения в данной конструкции использовано изменения направления распространения излучения при дифракции. Диафрагма поля ограничивает угловую апертуру света, и в падающем на акустооптическую ячейку пучке отсутствуют лучи с отклонением от оптической оси >2.5°. Угол дифракции составляет 7.5° и слабо зависит от длины волны. Все излучение с длинами волн, отличными от резонансной не дифрагирует и не меняет направления распространения. Две поляризации разводятся в разные стороны симметрично от направления падающего излучения. Такая кристаллографическая конфигурация, в которой одновременно формируются узкие полосы с практически совпадающей длиной волны пропускания, является единственной для TeO₂. Эффективная длина взаимодействия свет-звук 23 мм, а рабочий размер светового пучка в кристалле 4×6 мм. После акустооптической ячейки световые пучки расходятся в угле 5° (рисунок 1). Линза, установленная после ячейки, формирует перетяжки, в которых сосредоточены потоки полихроматического и монохроматического отфильтрованного излучения. Полихроматическое (недифрагировавшее) излучение улавливается ловушкой. Если акустическая волна выключена, весь световой поток проходит через кристалл и попадает в ловушку. Когда включается сигнал высокой частоты, возникают два слабых полезных монохроматических пучка, собираемых на двух фотоприемниках при помощи дополнительных короткофокусных линз. Таким образом, если не подана мощность возбуждения, свет на фотоприемник не попадает, что используется в приборе для модуляции сигнала.

В качестве фотоприемников использованы InGaAs фотодиоды G5832-11 (производства фирмы Hamamatsu); диаметр чувствительной области 1 мм, охлаждаемые при помощи интегрированного однокаскадного охладителя Пельтье на Dt°≈25°. Детекторы с короткофокусными линзами и предусилители собраны в экранированный блок детекторов; на нем же укреплена ловушка «белого» света.

Оба канала прибора СПИКАМ-УФ и -ИК имеют возможность измерять вертикальные профили атмосферных составляющих методом солнечного просвечивания. Наведение на Солнце производится разворотом КА, точности ориентации которого (10’) достаточно для измерений методом просвечивания. Интенсивность прямого солнечного излучения слишком высока, и использовать одни и те же оптические входы для наблюдений в надир и для солнечного просвечивания невозможно. Для ввода солнечного излучения в УФ и ИК каналы предусмотрен специальный солнечный вход с малой апертурой, направленный под углом 60° плоскости, перпендикулярной к направлению в надир. Свет в УФ спектрометр направляется непосредственно при помощи маленького плоского зеркала, а для ИК канала использовано оптоволокно длиной около 150 мм с дополнительными оптическими элементами. Линза и 80-мкм диафрагма поля на входе оптоволокна формируют круглое поле зрения солнечного входа диаметром около 4 угл. с. Коллимирующая градиентная линза восстанавливает квазипараллельный пучок на выходе оптоволокна, а небольшое зеркало, укрепленное на бленде ИК объектива под углом 45° направляет этот пучок в апертуру ИК-спектрометра.

ИК-спектрометр на основе АОПФ входит в состав УФ спектрометра, но из соображений удобства сборки и тестирования он собран на специальной промежуточной плите из алюминиевого сплава. Акустооптическая ячейка с телескопом собрана как самостоятельный экранированный блок с размерами 104×60×40 мм и массой 330 г. Этот блок, включающий синтезатор и усилитель высокой частоты позволяет изолировать все ВЧ компоненты прибора в едином экранированном объеме. Телескоп собран в жесткой трубчатой конструкции, точность расположения оптических элементов которой определяется допусками изготовления. Телескоп укреплен на блоке АОПФ. Перед телескопом на промежуточной плите укреплена небольшая бленда (не показана на рисунке 2), которая служит также для закрепления оптоволокна и поворотного зеркала системы ввода солнечного излучения.

Режимы наблюдений:

Универсальный спектрометр СПИКАМ в полной мере использует преимущества наведения и поддержания ориентации, предоставляемые космическим аппаратом «Марс-Экспресс». Основные режимы измерений прибора схематично изображены на рисунке 3.

Рисунок 3 - Режимы наблюдений СПИКАМ

Надир: основной рабочий режим для исследования содержания водяного пара, озона, свойств атмосферного аэрозоля и подстилающей поверхности Марса. Оптические оси прибора направлены в ту же сторону, что и остальные картирующие приборы проекта (стерео камера (HRSC), ОМЕГА, ПФС). Измерения возможны на освещенной стороне планеты от терминатора до терминатора включительно. Наблюдения на терминаторе предназначены для исследования свойств атмосферного аэрозоля. Поле зрения в надир в ИК канале 1°; в УФ канале ~1×5 угл мин. ИК и УФ каналы работают одновременно.

Солнечное просвечивание: режим предназначен для измерений профилей озона и плотности атмосферы в УФ, профилей водяного пара в ИК, вертикальной структуры и оптических характеристик аэрозоля в обоих каналах с высоким отношением сигнал/шум. В течение миссии будут несколько периодов солнечных затмений, координаты которых перекрывают широкий диапазон широт. Наведение на Солнце осуществляется КА, в течение захода или восхода должна поддерживаться инерциальная ориентация. ИК и УФ каналы работают одновременно.

Звездное просвечивание: режим предназначен для измерений профилей озона и плотности атмосферы в УФ. Покрытия звезд происходят гораздо чаще по сравнению с солнечными затмениями, что позволяет проводить измерения на различных географических координатах на любом этапе экспедиции. Так же как и при солнечном просвечивании, наведение на звезду осуществляется КА, и в течение захода или восхода поддерживается инерциальная ориентация. Так как звезда – это точечный источник, разрешение по вертикали не зависит от положения КА на орбите, а только от длительности измерения и проекции орбитальной скорости на лимб. В специальных случаях сильно наклонных и даже горизонтальных прохождений звезд можно подробно исследовать вертикальную структуру, не наблюдая собственно покрытия. Наблюдать покрытия звезд прибором можно как на ночной, так и на дневной стороне Марса. Из-за ограничений по чувствительности спектры звезд регистрируются лишь в УФ канале, но ИК канал включен для измерений темнового сигнала, ночных свечений в ИК диапазоне и наблюдений яркого лимба, которые иногда сопутствуют звездным затмениям.

Лимб: режим для исследования вертикальной структуры атмосферы, ионосферы и атмосферного аэрозоля в какой-то степени аналогичен звездному просвечиванию без звезды в поле зрения прибора. Метод основан на анализе отраженного атмосферой солнечного излучения или свечения самой атмосферы. Лимб можно наблюдать с любого участка орбиты, но для улучшения пространственного разрешения сеансы проводятся, как правило, не далее 800 км от перицентра. Включены оба канала прибора, но ненулевые отсчеты ИК канала регистрируются не выше 50 км на ярком лимбе.

Рисунок 4 - Участок измеренного откалиброванного спектра СПИКАМ-ИК в полосах водяного пара и углекислого газа.
Приведены данные для двух измерительных каналов. Спектры усреднены по 10. Орбита 30: Ls 337.5, долгота 61, широта -46, местное время 13:35

Список публикаций:

1. Korablev O., Bertaux J.-L., Grigoriev A. et al. An AOTF-based spectrometer for the studies of Mars atmosphere for Mars Express ESA mission // Adv. Space Res. 2002. V.29. N2. P.143-150.

2. О.И. Кораблев, Ж.-Л. Берто, Ю.К. Калинников, А.А. Федорова, В.И. Мороз, А.В. Киселев, А.В. Степанов, А.В. Григорьев, В.С. Жегулев, А.В. Родин, Э. Димареллис, Ж.П. Дюбуа, А. Реберак, Э. Ван Рансбеек, Б. Гонде, Исследования Марса в эксперименте СПИКАМ-ИК на борту КА Марс-Экспресс. 1. Акустооптический спектрометр СПИКАМ-ИК, Космические исследования, т.44,№4, 292-307, 2006.

3. А.А. Федорова, О.И. Кораблев, С. Перрье, Ж.-Л. Берто, Ф.Лефевр, А.Родин, А. Киселев, Исследование Марса в эксперименте СПИКАМ-ИК на борту КА Марс-Экспресс. 2. Надирные наблюдения: одновременные наблюдения водяного пара и свечения O₂ в атмосфере Марса, Космические исследования, т.44, №4, 308-318, 2006

4. Korablev, O., J. L. Bertaux, A. Fedorova , D. Fonteyn, A. Stepanov, Yu. Kalinnikov, A. Kiselev, A. Grigoriev, V. Jegoulev, S. Perrier, E. Dimarellis, J.P. Dubois, A. Reberac, E. Van Ransbeeck, B. Gondet, F. Montmessin, A. Rodin. SPICAM IR acousto-optic spectrometer experiment on Mars Express, J. Geophys. Res., 111, E09S03, doi:10.1029/2006JE002696, 2006.

5. Fedorova A., O. Korablev, S. Perrier, J. L. Bertaux, F. Lefevre, A. Rodin.Observation of O₂ 1.27 μm dayglow by SPICAM IR: seasonal distribution for first Martian year of Mars-Express, J. Geophys. Res., 111, E09S07, doi:10.1029/2006JE002694, 2006.

6. Fedorova, A., O. Korablev, J. L. Bertaux, A. Rodin, A. Kiselev, S. Perrier. Mars water vapor abundance from SPICAM IR spectrometer: seasonal and geographic distributions, J. Geophys. Res., 111, E09S08, doi:10.1029/2006JE002695, 2006.

7. Fedorova, A.; Korablev, O.; Bertaux, J.-L.; Rodin, A.; Montmessin, F.; Belyaev, D.; Reberac, A. Solar Infrared Occultations by the Spicam Experiment on Mars-Express: Simultaneous Observations of H2O, CO2 and Aerosol Vertical Distribution. Icarus, Volume 200, Issue 1, March 2009, Pages 96-117, doi:10.1016/j.icarus.2008.11.006.

8. L. Maltagliati, F. Montmessin, A. Fedorova, O. Korablev, F. Forget, J.-L Bertaux, Evidence of water vapor in excess of saturation in the atmosphere of Mars, Science 333, 1868-1871, 2011.

9. Fedorova, A. A.; Lefèvre, F.; Guslyakova, S.; Korablev, O.; Bertaux, J.-L.; Montmessin, F.; Reberac, A.; Gondet, B, he O₂ nightglow in the martian atmosphere by SPICAM onboard of Mars-Express, Icarus, Volume 219, Issue 2, p. 596-608, 2012.