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. Разработка превосходит испанские аналоги,
которые планировалось использовать для телескопа раньше.
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.
Телескоп «Спектр-УФ»
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
АО «НПО Лавочкина», за оптические элементы и зеркала телескопа отвечает АО
«Лыткаринский завод оптического стекла», за разработку электронных блоков —
Институт космических исследований РАН (ИКИ РАН). 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
им. Г.И. Будкера СО РАН (ИЯФ СО РАН).
Фотокатоды цезий-йод — ключевая часть
электронно-оптических преобразователей для глаз 1. «Спектр-УФ»
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 поглощённые фотоны. Результаты недавней калибровки,
проведённой в ИЯФ СО РАН, показали, что квантовая эффективность первых тестовых
устройств составляет 40 процентов — (упрощённо 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 Терещенко.
Заведующий лабораторией ИФП СО РАН доктор
физико-математических наук профессор РАН Олег Терещенко
«Необходимое и достаточное значение
квантовой эффективности для нас — 20 процентов. Звёзды — слабый источник
излучения, и мы боремся за каждый процент, поэтому эффективность в 40
процентов — это идеально. Таких параметров достигали ранее только в
Японии, в компании Hamamatsu Photonics», — подчёркивает
директор ИНАСАН доктор физико-математических наук профессор РАН Михаил
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 звёздообразования (молодые звёзды излучают в основном в
ультрафиолете). А также для понимания тепловой и химической эволюции Вселенной,
поиска тёмного барионного вещества.
В кооперацию по проекту «Спектр-УФ» входит множество
ведущих научных и производственных организаций России, ранее одним из партнёров
была испанская компания, которая разрабатывала фотокатоды для «глаз» телескопа.
Но сотрудничество прекратилось и потребовалось отечественное решение, которое
предложили специалисты ИФП СО РАН.
Директор ИНАСАН доктор физико-математических наук
профессор РАН Михаил Сачков
«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
идёт 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.
Старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН
кандидат физико-математических наук Антон Николенко
В данном случае мы измеряли
эффективность фотокатодов при их облучении фотонами с определённой 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 ( примерно121,6 нанометров),
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 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.
Источник: пресс-служба ИФП СО РАН.