Устройства предназначены для улавливания одной из составляющих космического излучения — вакуумного ультрафиолета, что позволит телескопу получать ранее недоступные данные о Вселенной. Такая информация нужна для исследования атмосферы экзопланет, в том числе для поиска биологических маркеров (признака внеземной жизни), установления физических процессов звездообразования (молодые звезды излучают в основном в ультрафиолете), а также для понимания тепловой и химической эволюции Вселенной, поиска темного барионного вещества.
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.

Фотокатоды цезий-йод
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, а 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 Научно-производственное объединение им. С. А. Лавочкина, за оптические элементы и зеркала телескопа отвечает АО «Лыткаринский завод оптического стекла», за разработку электронных блоков — Институт космических исследований РАН, Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики берет на себя ответственность за комплектацию блока спектрографов и элементов блока камер поля. Головной научной организацией по проекту «Спектр-УФ» выступает Институт астрономии РАН (ИНАСАН). ИФП СО РАН изготавливает электронно-оптические преобразователи для блока камер поля — «глаз» телескопа. Калибровка фотокатодов — ключевой части электронно-оптических преобразователей — была проведена недавно в Институте ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН.
«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 профессор РАН, доктор физико-математических наук 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 профессор РАН, доктор физико-математических наук Михаил Евгеньевич Сачков.

Телескоп “Спектр-УФ”
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.
«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 — 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 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 звезд. Для других длин волн мы тоже 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 российский проект «Спектр-УФ» позиционируется как 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 десять к одному, то есть из десяти заявок реализуется только одна. “Спектр-УФ” полностью импортонезависим, у нас есть всё необходимое», — резюмирует Михаил Сачков.
По материалам пресс-службы ИФП СО РАН
Фото Надежды Дмитриевой
Больше информации по Академгородку 2.0 и СКИФ — в нашем Телеграм!