DOI: 10.17586/1023-5086-2023-90-06-38-49
УДК 520.248
Илья Емельянович Кожеватов1, Евгений Антонович Руденчик2,Дмитрий Евгеньевич Силин3*, Сергей Евгеньевич Стукачев4,Елена Хусаиновна Куликова5
1, 3, 4Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук, Нижний Новгород, Россия
2Институт земного магнетизма, ионосферы и распространения радиоволн им. Н.В. Пушкова Российской академии наук, г. Троицк, Москва, Россия
5Национальный исследовательский Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Нижний Новгород, Россия
1kozh-ie@mail.ru https://orcid.org/0000-0003-1169-7547
3silindm@list.ru https://orcid.org/0000-0001-5962-2080
4stukachev@ipfran.ru https://orcid.org/0000-0002-4307-5542
5keх-2010@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-5183-2024
Аннотация
Предмет исследования. В работе описывается анализатор поляризации оптического излучения, разработанный для солнечного спектромагнитографа космического базирования «Тахомаг-МКС». Статья является третьей из серии статей, посвящённых разработке солнечного магнитографа, планируемого к размещению на российском сегменте международной космической станции. В первых двух статьях серии, опубликованных ранее в этом же журнале, представлены описание солнечного телескопа и оптического дифракционного спектрографа, также являющихся составными частями спектромагнитографа «Тахомаг-МКС». Цель работы заключалась в разработке анализатора поляризации параллельного типа для спектромагнитографа «Тахомаг-МКС», который бы при измерении всех компонент вектора Стокса в выбранных спектральных линиях обладал необходимым разрешением и точностью, а также быстродействием для исследования динамики быстро протекающих процессов в фотосфере Солнца. Метод. В работе впервые представлен анализатор поляризации для космического солнечного магнитографа, работающий по принципу одновременного получения данных во всех поляризациях. Характерным отличием прибора является не только отсутствие в составе традиционных модуляторов поляризации, но и достаточно малые габаритно-весовые характеристики, что важно именно для космических приборов. Основные результаты. Показано, что даже в космическом исполнении анализатор поляризации параллельного типа обеспечивает построение изображений спектра в различных поляризациях с требуемыми угловым разрешением 0,35І по критерию Рэлея на поле зрения 5ў и спектральным разрешением 30 мÅ в диапазоне 2,52 Å, что соответствует характеристикам солнечного оптического телескопа и спектрографа спектромагнитографа «Тахомаг-МКС». Практическая значимость. Разработка спектромагнитографа «Тахомаг-МКС» поможет в решении актуальных задач физики Солнца и физики плазмы и создаст задел для подготовки к более сложным миссиям, связанным с исследованиями Солнца с близких расстояний.
Ключевые слова: солнечный магнитограф, анализатор поляризации параллельного типа, параметры Стокса, калибровка, компенсация аберраций
Благодарность: работа выполнена в рамках Федеральной космической программы за счёт финансовых средств государственного контракта «МКС (Эксплуатация) — Эксплуатация-3» и была поддержана Министерством науки и высшего образования РФ (проект № 0030-2021-0015).
Ссылка для цитирования: Кожеватов И.Е., Руденчик Е.А., Силин Д.Е., Стукачев С.Е., Куликова Е.Х. Анализатор поляризации для космического спектромагнитографа «Тахомаг-МКС» // Оптический журнал. 2023. Т. 90. № 6. С. 38–49. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-38-49
Коды OCIS: 120.5410, 350.1260, 350.6090, 220.4830, 220.1000.
Optical radiation polarization analyzer for Takhomag-International Space Station space-based spectromagnetograph
Ilya Kozhevatov1, Evgeniy Rudenchik2, Dmitry Silin3*, Sergey Stukachev4, Elena Kulikova5
1, 3, 4A.V. Gaponov-Grekhov Institute of Applied Physics of the Russian Academy of Sciences, Nizhny Novgorod, Russia
2Pushkov Institute of Terrestrial Magnetism, Ionosphere, and Radio Wave Propagation of the Russian Academy of Sciences, Troitsk, Moscow, Russia
5Lobachevsky National Research State University of Nizhny Novgorod, Nizhny Novgorod, Russia
1kozh-ie@mail.ru https://orcid.org/0000-0003-1169-7547
3silindm@list.ru https://orcid.org/0000-0001-5962-2080
4stukachev@ipfran.ru https://orcid.org/0000-0002-4307-5542
5keх-2010@mail.ru https://orcid.org/0000-0001-5183-2024
Abstract
Subject of study. The paper describes an optical radiation polarization analyzer developed for the Tachomag-International Space Station space-based solar spectromagnetograph. The article is the third in the series of articles devoted to the development of a solar magnetograph planned for deployment on the Russian segment of the International Space Station. The first two articles of the series, published earlier in this Journal, describe the solar telescope and the optical diffraction spectrograph, which are also components of the Tachomag-International Space Station spectromagnetograph. Aim of study was to develop a parallel-type polarization analyzer for the Tachomag-International Space Station spectromagnetograph, which when measuring all components of the Stokes vector in selected spectral lines would have the necessary resolution and accuracy as well as speed for studying the dynamics of fast processes in the solar photosphere. Method. The paper presents for the first time a polarization analyzer for a space solar magnetograph, which operates on the principle of simultaneous acquisition of data in all polarizations. A characteristic difference of the device is not only the absence of traditional polarization modulators in the composition, but also rather small overall and weight characteristics, which is important specifically for space devices. Main results. It is shown that even in the space version a parallel polarization analyzer provides spectrum imaging in various polarizations with the required angular resolution of 0.35І according to the Rayleigh criterion in a field of view of 5ў and a spectral resolution of 30 mÅ in the range of 2.52 Å, which corresponds to the characteristics of the solar optical telescope and spectrograph of the Tachomag- International Space Station spectromagnetograph. Practical significance. The development of the Tachomag-International Space Station spectromagnetograph will help in solving urgent problems of solar and plasma physics and will create a reserve for preparing for more complex missions related to solar research from close distances.
Keywords: solar magnetograph, parallel type polarization analyzer, Stokes parameters, calibration, aberration compensation
Acknowledgment: the work was carried out within the framework of the Federal Space Program at the expense of the state contract "ISS (Operation) — Operation-3" and was supported by the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation (Project No. 0030-2021-0015).
For citation: Kozhevatov I.E., Rudenchik E.A., Silin D.E., Stukachev S.E., Kulikova E.Kh. Optical radiation polarization analyzer for Takhomag-International Space Station space-based spectromagnetograph [In Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2023. V. 90. № 6. P. 38–49. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2023-90-06-38-49
OCIS сodes: 120.5410, 350.1260, 350.6090, 220.4830, 220.1000.
Список литературы
1. Гибсон Э. Спокойное солнце. М.: Мир, 1977. 407 с.
2. Зирин Г. Солнечная атмосфера. М.: Мир, 1969. 504 с.
3. Tsuneta S., Ichimoto K., Katsukawa Y. et al. The Solar optical telescope for the hinode mission: An overview // Solar Physics. 2008. V. 249. P. 167–196. https://doi.org/10.1007/s11207-008-9174-z
4. Scherrer P.H., Schou J., Bush R.I. et al. The helioseismic and magnetic imager (HMI) investigation for the solar dynamics observatory (SDO) // Solar Physics. 2012. V. 275. P. 207–227. https://doi.org/10.1007/s11207-011-9834-2
5. Cao W., Gorceix N., Coulter R., Ahn K., Rimmele T.R., Goode P.R. Scientific instrumentation for the 1.6 m New Solar Telescope in Big Bear // Astron. Nachr. 2010. V. 331. № 6. P. 636–639. https://doi.org/10.1002/asna.201011390
6. Montilla I., Béchet C., Le Louarn M., Tallon M., Sánchez-Capuchino J., Collados Vera M. Multi-conjugate AO for the European Solar Telescope // Proceedings of the SPIE. Adaptive Optics Systems III. 2012. V. 8447. 84475H. https://doi.org/10.1117/12.925744
7. Müller D., St. Cyr O.C., Zouganelis I. et al. The Solar Orbiter mission. Science overview // Astronomy & Astrophysics. 2020. V. 642. A1. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038467
8. Oraevsky V.N., Galeev A.A., Kuznetsov V.D., Zelenyi L.M. Russian payload for “interhelioprobe” (“interhelios”) mission // Advances in Space Research. 2002. V. 29. P. 2041–2050. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00149-7
9. Kuznetsov V.D., Zelenyi L.M., Zimovets I.V. et al. The Sun and Heliosphere explorer — the interhelioprobe mission // Geomagnetism and Aeronomy. 2016. V. 56. P. 781–841. https://doi.org/10.1134/S0016793216070124
10. Кожеватов И.Е., Силин Д.Е., Стукачев С.Е. Солнечный оптический телескоп для спектромагнитографа космического базирования «Тахомаг-МКС» // Оптический журнал. 2021. Т. 88. № 9. C. 52–62. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2021-88-09-52-62
11. Кожеватов И.Е., Руденчик Е.А., Силин Д.Е., Стукачев С.Е., Куликова Е.Х. Оптический спектрограф для спектромагнитографа космического базирования «Тахомаг-МКС» // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 7. С. 59–71. https://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-07-59-71
12. Кожеватов И.Е., Иошпа Б.А., Обридко В.Н., Руденчик Е.А., Куликова Е.Х. Вторая версия солнечного спектромагнитографа ИЗМИРАН. Ч. 1. Конструкция прибора // Приборы и техника эксперимента. 2011. № 4. С. 130–138.
13. Lites B.W., Akin D.L., Card G. et. al. The hinode spectro-polarimeter // Solar Physics. 2013. V. 283. P. 579–599. https://doi.org/10.1007/s11207-012-0206-3
14. Hagayard M.J., Kineke J.I. Improved method for calibrating filter vector magnetographs // Solar Physics. 1995. V. 158. P. 11–28. https://doi.org/10.1007/BF00680832
15. Varsik J.R. Calibration of the Big Bear Videomagnetograph // Solar Physics. 1995. V. 161. P. 207–228. https://doi.org/10.1007/BF00732067
16. Skumanich A., Lites B.W, Pillet V.M., Seargraves P. The calibration of the advanced stokes polarimeter // The Astrophysical Journal Supplement Series. 1997. V. 110. P. 357–380. https://doi.org/10.1086/313004
17. Руденчик Е.А., Кожеватов И.Е., Черагин Н.П., Куликова Е.Х., Безрукова Е.Г. Метод абсолютной калибровки эталонных пластин для интерферометрического контроля поверхностей // Оптика и спектроскопия. 2001. Т. 90. № 2. С. 127–135.
18. Руденчик Е.А., Обридко В.Н., Кожеватов И.Е., Безрукова Е.Г. Вторая версия солнечного спектромагнитографа ИЗМИРАН. Ч. 2. Алгоритмы предварительной обработки данных // Приборы и техника эксперимента. 2011. № 4. С. 139–147.
References
1. Gibson E.G. The quiet Sun. Washington: National Aeronautics and Space Administration, 1973. 407 p.
2. Zirin H. The Solar atmosphere. Waltham: Blaisdell Publishing Company, 1966. 504 p.
3. Tsuneta S., Ichimoto K., Katsukawa Y. et al. The Solar Optical Telescope for the Hinode Mission: An Overview // Solar Physics. 2008. V. 249. P. 167–196. https://doi.org/10.1007/s11207-008-9174-z
4. Scherrer P.H., Schou J., Bush R.I. et al. The helioseismic and magnetic imager (HMI) investigation for the Solar Dynamics Observatory (SDO) // Solar Physics. 2012. V. 275. P. 207–227. https://doi.org/10.1007/s11207-011-9834-2
5. Cao W., Gorceix N., Coulter R., Ahn K., Rimmele T.R., Goode P.R. Scientific instrumentation for the 1.6 m New Solar Telescope in Big Bear // Astron. Nachr. 2010. V. 331. № 6. P. 636–639. https://doi.org/10.1002/asna.201011390
6. Montilla I., Béchet C., Le Louarn M., Tallon M., Sánchez-Capuchino J., Collados Vera M. Multi-conjugate AO for the European Solar Telescope // Proceedings of the SPIE. Adaptive Optics Systems III. 2012. V. 8447. 84475H. https://doi.org/10.1117/12.925744
7. Müller D., St. Cyr O.C., Zouganelis I. et al. The Solar Orbiter mission. Science overview // Astronomy & Astrophysics. 2020. V. 642. A1. https://doi.org/10.1051/0004-6361/202038467
8. Oraevsky V.N., Galeev A.A., Kuznetsov V.D., Zelenyi L.M. Russian payload for “interhelioprobe” (“interhelios”) mission // Advances in Space Research. 2002. V. 29. P. 2041–2050. https://doi.org/10.1016/S0273-1177(02)00149-7
9. Kuznetsov V.D., Zelenyi L.M., Zimovets I.V. et al. The Sun and Heliosphere Explorer — The Interhelioprobe Mission // Geomagnetism and Aeronomy. 2016. V. 56. P. 781–841. https://doi.org/10.1134/S0016793216070124
10. Kozhevatov I.E., Silin D.E., Stukachev S.E. The solar optical telescope for the Takhomag-International Space Station space-based spectromagnetograph // Journal of Optical Technology. 2021. V. 88. P. 520–526. https://doi.org/10.1364/JOT.88.000520
11. Kozhevatov I.E., Rudenchik E.A., Silin D.E., Stukachev S.E., Kulikova E.Kh. Optical spectrograph for the Takhomag-International Space Station space-based spectromagnetograph // Journal of Optical Technology. 2022. V. 89. P. 409–417. https://doi.org/10.1364/JOT.89.000409
12. Kozhevatov I.E., Ioshpa B.A., Obridko V.N., Rudenchik E.A., Kulikova E.Kh. Second version of the IZMIRAN solar spectromagnetograph. Part I. Instrument design // Instruments and Experimental Techniques. 2011. V. 54. P. 568. https://doi.org/10.1134/S0020441211040051
13. Lites B.W., Akin D.L., Card G. et. al. The hinode spectro-polarimeter // Solar Physics. 2013. V. 283. P. 579–599. https://doi.org/10.1007/s11207-012-0206-3
14. Hagayard M.J., Kineke J.I. Improved method for calibrating filter vector magnetographs // Solar Physics. 1995. V. 158. P. 11–28. https://doi.org/10.1007/BF00680832
15. Varsik J.R. Calibration of the Big Bear Videomagnetograph // Solar Physics. 1995. V. 161. P. 207–228. https://doi.org/10.1007/BF00732067
16. Skumanich A., Lites B.W, Pillet V.M., Seargraves P. The calibration of the advanced stokes polarimeter // The Astrophysical Journal Supplement Series. 1997. V. 110. P. 357–380. https://doi.org/10.1086/313004
17. Rudenchik E.A., Kozhevatov I.E., Cheragin N.P., Kulikova E.Kh., Bezrukova E.G. Method for absolute calibration of reference plates for interferometric inspection of surfaces // Optics and Spectroscopy. 2001. V. 90. P. 113–120. https://doi.org/10.1134/1.1343555
18. Rudenchik E.A., Obridko V.N., Kozhevatov I.E., Bezrukova E.G. Second version of the IZMIRAN solar spectromagnetograph. Part II. Algorithms for preliminary data processing // Instruments and Experimental Techniques. 2011. V. 54. P. 577. https://doi.org/10.1134/S0020441211040063
