Радиотелескопы метровых волн ФИАН

Глубина и эффективность фундаментальных исследований в радиоастрономии во многом определяется состоянием наблюдательной базы, главным обратом чувствительностью и разрешающей силой радиотелескопов. Как показал анализ [1], с 60-х по 90-е годы их разрешающая способность увеличилась:

— для радиотелескопов с заполненной апертурой — более чем на два порядка благодаря строительству инструментов с прецизионными зеркальными поверхностями, работающими на коротких сантиметровых и миллиметровых волнах;

— для радиотелескопов с незаполненной апертурой — более чем на шесть порядков за счет создания крестообразных радиотелескопов и систем апертурного синтеза, включая глобальные решетки РСДБ.

Как известно, результаты наблюдений в диапазоне метровых и декаметровых волн имеют большое значение для изучения радиогалактик и квазаров, межзвездной и межпланетной сред /остатков вспышек сверхновых, пульсаров, Солнца и околосолнечного пространства. Инструменты этого диапазона волн активно сооружались ведущими обсерваториями и радиоастрономическими центрами мира в 50−70 гг., несмотря на большие технические трудности создания громоздких конструкций радиотелескопов и высокий уровень помех.

Начало радиоастрономическим наблюдениям на метровых волнах в СССР было положено работами В. В. Виткевича и его группы на Крымской научной станции ФИАН. Современная фундаментальная отечественная наблюдательная база метровых волн была создана на Радиоастрономической научной станции Физического института им. П. Н. Лебедева (РАС ФИАН, с 1996 г. Пущинская радиоастрономическая обсерватория — ПРАО АКЦ ФИАН), основанной В. В. Виткевичем в Пущине в 1956 г. Под его научным руководством здесь были созданы два крупных радиоастрономических инструмента ФИАН: Диапазонный крестообразный радиотелескоп (ДКР — 1 ООО) и Большая сканирующая антенна (БСА). Было построено и несколько специализированных антенн метровых волн [2,3]. В настоящее время ПРАО АКЦ ФИАН является одной из передовых радиообсерваторий мира, где создана наблюдательная база метрового диапазона волн отечественной радиоастрономии, не уступающая современным зарубежным центрам по потенциалу и уровню оснащенности .

Цель работы.

Основная цель работы состояла в разработке и создании крупных радиотелескопов метровых волн, имеющих важное научное и народнохозяйственное значение, с параметрами, позволяющими эффективно решать проблемы наблюдательной радиоастрономии и обеспечивать успешное развитие отечественных фундаментальных исследований в наиболее перспективных направлениях астрономии и астрофизики.

В работу входят разделы, где рассматриваются :

— требования к современным радиотелескопам (угловое разрешение чувствительность, рабочий диапазон);

— концепции и принципы построения радиотелескопов метровых волн с заполненной и незаполненной апертурами;

— научно-технические проблемы фазирования и управления системами радиотелескопов, работающих в широком диапазоне частот;

— инженерно-технические решения по унификации экономичных и надежных узлов к блоков радиотелескопов ДКР-1 ООО и БСА ФИАН;

— направления развития радиотелескопов метровых волн;

— результаты первых наблюдений по основным научным программам на радиотелескопах ДКР-1 ООО и БСЛ ФИАН.

Научная новизна и значимость.

Созданы радиотелескопы для диапазона метровых волн с незаполненной (ДКР-1 ООО) и заполненной (БСА) апертурами. Подведены итоги большого цикла научно-технических работ, выполненных при их реализации. Рассмотрены проблемы наблюдательной радиоастрономии и определены требования к радиотелескопам метровых волн. Выделены задачи для систем с заполненной апертурой и показана перспективность создания таких инструментов на метровых волнах. Эффективная работа радиотелескопов ДКР-1 ООО и БСА ФИАН показала правильность принятых технических решений.

Решены проблемы построения диапазонных радиотелескопов с перекрытием по частоте 4:1. Реализованы оригинальные пути построения широкодиапазонных антенных систем.

Проведены исследования взаимных связей в вибраторных фазируемых антенных решетках, результаты которых использованы при построении фазирующих систем радиотелескопов ДКР-1 ООО и БСА ФИАН.

Изучены способы создания антенных фазируемых решеток для радиоастрономии. Исследованы методы электрического управления направлением приема в антеннах метровых волн. Разработаны и внедрены широкодиапазонные системы сканирования на основе как фазово-частотных, так и частотно — временных методов с дискретной переустановкой направления приема.

Обоснованы, разработаны и внедрены в практику методы настройки и юстировки крупных антенных систем большой протяженности. Предложены, внедрены и реализованы экономичные конструктивные решения элементов антенных систем, значительно удешевивших их стоимость и сокративших объем и сроки строительства.

Разработаны, созданы и внедрены в мелкосерийное производство диапазонные антснно-фидерные узлы и элементы, установленные на радиотелескопах метровых волк ФИАН.

Разработана и осуществлена автоматизация управления радиотелескопами на основе фазирующих систем дискретного типа с использованием ЭВМ.

По большинству экспериментальных программ с участием автора проведены пусковые наблюдения и получены первые научные результаты.

Практическая ценность работы.

Разработанные принципы и технические решения внедрены при создании радиотелескопов метровых волн. Под руководством и при непосредственном участии автора разработаны и построены антенные системы радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН, а также малые, удаленные от Пущино, «выносные «радиотелескопы для исследования солнечного ветра и околосолнечного пространства. Основная ценность работы состоит в пополнении наблюдательной базы отечественной радиоастрономии уникальными радиотелескопами ДКР-1000 и БСА ФИАЛ, работающими на метровых волнах около 30 лет с высокой научной загрузкой и эффективностью.

На созданных радиотелескопах метровых волн проводились и ведутся наблюдения специалистами российских радиоастрономических организаций (ФИАН, ИКИ РАН, НИРФИ, ГАИШ, ИЗМИР АН и др.), а также радиоастрономами бывших республик СССР (РИА Украинской АН, БАО Армянской АН, РАО Латвийской АН и др.). На радиотелескопах метровых волн ФИАН ведутся работы по программам совместных исследований с радиоастрономами Англии, Австралии, Германии, США, -Японии и др. стран мира.

В результате исследований с использованием радиотелескопов ДКР-1 ООО и КС, А ФИАН получены новые фундаментальные данные: ¦ по внегалактическим источникам радиоизлучения: скоплениям галактик, квазарам и радиогалактикам, межгалактическому газуя галактическим объектам: пульсарам, остаткам вспышек сверхновых, межзвездной среде и спектральным линиям ионизированного углеродая объектам солнечной системы: Солнцу и планетам, околосолнечному пространству и межпланетной плазме.

Две работы сотрудников ФИАН, выполненные с использованием радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН, были удостоены Государственных премий СССР:

• по сверхкороне и солнечному ветру (В, В. Виткевич -1968г.),.

• по радиоизлучению ионизированных атомов вещества (Р. Л. Сороченко и др.- 1988 г.).

При ведущем участии автора с помощью радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН проведены работы по построению новой Пульсарной шкалы времени, имеющие большое значение для астрономии и фундаментальной метрологии. Полученные, результаты в большинстве являются новыми благодаря использованию уникальных радиотелескопов метровых волн ФИАН, аналогов которым нет ни в одном из радиоастрономическом центров мира.

Основные положения, которые выносятся на защиту.

На защиту выносятся следующие новые результаты и основные научные положения:

1 .Результаты определения пороговой чувствительности радиотелескопов, обусловленные дробовыми шумами (эффект «путаницы») при наблюдении дискретных источников.

2.Обоснование возможности создания и эффективной работы на метровых волнах радиотелескопов с заполненной апертурой для решения. новых задач радиоастрономии: исследований пульсаров, компактных источников с высоким угловым разрешением методами мерцаний на неоднородностях межпланетной плазмы, а также собственно межпланетной плазмы.

Результаты определения пороговой чувствительности инструментов с заполненной апертурой при наблюдении мерцающих источников на неоднородностях межпланетной плазмы.

3.Результаты исследования электромагнитных взаимных связей между антенными элементами радиотелескопа ДКР-1000 ФИАН в режимах сканирования диаграммой направленности в диапазоне частот. росе^йсюя ГОСУДАРСТВЕННА БИБЛИОТ&КА.

4.Антенные системы диапазонного крестообразного радиотелескопа ДКР- 1000 ФИАН, эффективно работающего более 30 лет в широкой полосе частот 30 — 120 МГц. Созданный инструмент качественно отличается от подобных ему, работающих в дскаметровом, метровом и дециметровом диапазонах волн, своей диапазонностью и высокой чувствительностью.

5.Антенные системы радиотелескопа БСА ФИАН, обеспечившие ему рекордную чувствительность, оперативность переустановки направления приема при невысокой стоимости его сооружения. Этот радиотелескоп, один из самых крупных в мире, работает более 25 лет и эффективно используется как российскими, так и зарубежными радиоастрономами.

6. Системы фазирования и управления диаграммами направленности радиотелескопов метровых волн. Диапазонные системы сканирования, диаграмме — образующие схемы с дискретной переустановкой направления приема, разработанные и созданные для радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН. Комплексы автоматизированного управления антенными системами радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН от ЭВМ.

7.Разработанные и внедренные методы настройки и юстировки радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН.

Личный вклад автора.

Вклад автора работы в создание радиотелескопов метровых волн ФИАН заключается в следующем: определены пороговые чувствительности радиотелескопов метровых волн и установлены оптимальные параметры инструментов этого диапазона для различных классов наблюдаемых объектови изучено влияние дробовых шумов на чувствительность глубоких обзоров дискретных источниковисследованы влияния взаимных связей между элементами фазируемых антенных систем на характеристики радиотелескопов метровых волн ФИАН при сканированиипроведены расчеты для обоснования возможности создания радиотелескопа с заполненной апертурой с антенной фазируемой решеткой большой эффективной площади (БСА ФИАН) для решения ряда конкретных задач наблюдательной радиоастрономии (пульсары, мерцающие источники) — разработаны и созданы диапазонные антенные системы крестообразного радиотелескопа ДКР-1000 ФИАНя разработана и создана под руководством автора антенная система в виде ФАР с комбинированным фазово-временным управлением диаграммой направленностиисследованы, разработаны и внедрены диапазонные и полосовые дискретные схемы управления диаграммой направленности, в том числе системы фазирования и управления направлением приема с применением «развязанных» фидерных схем с рассогласованными излучателямиразработаны и созданы элементы и узлы антенно-фидерных устройств различных классови разработаны и внедрены методы настройки и юстировки крупных фазируемых антенных системпроведена автоматизация антенных систем радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН на основе управляющей ЭВМ и интерфейсных блокова осуществлено научно-техническое руководство коллективом разработчиков и создателей антенных систем радиотелескопов метровых волн ФИАН.

Апробация работы.

Представленный доклад отражает содержание 61 научной публикации автора по теме диссертации.

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции по теории и технике антенн (Москва 1960 г.), на Всесоюзных конференциях по радиоастрономии: Горький 1972 г., Пущино 1975 г., 1993, Ереван 1978 г., Ереван 1982 г., Иркутск 1986 г., на Общем собрапии Совета по проблеме «Радиоастрономия» — Ленинград 1969 г., и опубликованы в книге «Советские радиотелескопы и радиоастрономия Солнца» (М., Наука.1990г.), а также в журналах: Известия вузов, «Радиофизика», «Электросвязь», Сб. «Антенны» (под редакцией A.A. Пистолькорса), Трудах ФИАН (тома: 28, 38, 47. 62 и 159), препринтах ФИАН.

В диссертации приводятся результаты работы автора, полученные им более чем за 30 лет, начиная с 1957 г., направленные на развитие радиоастрономических исследований в метровом диапазоне волн. К началу проектирования крестообразного радиотелескопа ФИАН в 1955 г. сложилось представление, что для наблюдений дискретных радиоисточников более всего подходят радиотелескопы с незаполненной апертурой, у которых чувствительность и разрешающая способность могут быть подобраны в оптимальном соотношении. В результате первых обзоров дискретных источников, проведенных в Кембридже (М.Райл) и Сиднее (Б.Милс) было установлено, что предельно наблюдаемое число радиоисточников ограничивается флуктуациями суммарного потока мощности неразрешенных источников, находящихся в поле зрения инструмента, так называемым эффектом «путаницы» (сопйхзюп). Это вызвано дробовым шумом от дискретных источников радиоизлучения, распределение вероятности случайного числа которых на выделенной площадке неба подчиняется закону Пуассона. Путаница источников, приведшая к расхождениям в их первых каталогах, явилась следствием воздействия таких шумов на радиотелескоп и определивших порог его чувствительности по обнаружению предельно слабых по потоку объектов.

Для пущинского радиотелескопа метрового диапазона В. В. Виткевичем была принята крестообразная схема Милса. В отличие от прототипа была выбрана система с двумя рефлекторами в виде параболических цилиндров шириной 40 м и протяженностью около 1 км (антенны линий восток-запад и север-юг, далее ВЗ и СЮ, соответственно). Первая из них наклонялась по углу места с помощью электромеханического привода. Для управления диаграммой направленности второй антенны по этому углу предполагалось разработать фазирующую систему. Механическая часть радиотелескопа была разработана и построена под руководством гл. конструктора П. Д. Калачева [ 4 ].

Геометрическая поверхность апертуры инструмента порядка 80 000 м² и разрешение около 10 уг.мин.на волне 3 м поставили его в ряд ведущих в мире. В целях высокой эффективности использования такого сооружения было предложено разработать и установить на радиотелескопе антенно-фидерную систему, работающую в широком диапазоне волн от 2,5 до 10 м [ 5,6 ]. Это сделало инструмент уникальным и многопрофильным.

Первые наблюдения дискретных источников на ДКР-1000 ФИАН были выполнены под руководством В. В. Виткевича сразу по вводу в эксплуатацию антенны восток-запад, уже в 1965 г. [ 7 ].

С момента первых известий об открытии пульсаров на радиотелескопе ДКР-1000 (антенне ВЗ) начались активные исследования этих объектов с высокой эффективностью, прежде всего за счет высокой чувствительности, а диапазонности [ 8 ]. Наблюдения пульсаров на ДКР-1000 ведутся непрерывно с 1968 г. с высокой научной результативностью до сего времени .

Возможность проводить наблюдения на ДКР-1000 в широком диапазоне частот создала хорошие перспективы и принесла фундаментальные результаты в исследовании радиолиний ионизированного углерода на метровых волнах. Использование для этих задач антенной система СЮ, работающей в диапазоне частот, дающей длительную экспозицию и высокое разрешение по склонению, а также высокую скорость переустановки направления приема за счет электрических систем фазйровки антенны, подключенных к ЭВМ, дали уникальные возможности и для решения этого круг, а задач [ 9 ].

Проблемы диапазонности антенно-фидерных систем успешно решены автором вместе с руководимым им коллективом разработчиков. При создании и модернизации радиотелескопа ДКР-1000 были найдены оригинальные решения: по облучателям рефлекторов ДКР-1000 на основе шунтового вибратора Айзенберга — Кузнецова, фидерным элементам, широкополосным симметрирующим трансформаторам и гибридным сумматорам с использованием ферритовых материалов. Были предложены методы их расчета на основе теории связанных линий.

Обнаружение радиоастрономами новых объектов в конце 60-х гг. (пульсары, мерцающие источники), пространственная плотность которых была невысокой, позволило пересмотреть требования на «заполненность» апертуры радиотелескопов метровых волн. Проведенные В. В. Виткевичем совместно с автором расчеты обосновали возможность создания крупного радиотелескопа с заполненной апертурой, нацеленного на исследования пульсаров, мерцающих компактных источников и межпланетной неоднородной плазмы [ 10 ]. Для такого инструмента была выбрана схема вибраторной фазируемой антенной решетки.

Технические системы этого радиотелескопа, получившего название Большой сканирующей антенны (БСА ФИАН), разрабатывались автором вместе с руководимым им коллективомс использованием накопленного опыта при создании ДКР-1000. В частности, проект системы электрического фазирования антенной СЮ был использован и для БСА ФИАН. На основе гибридных сумматоров были разработаны фазирующие диаграммо-образующие системы (матрица Батлера) для многолучевой диаграммы направленности (ДН) и электрического дискретного переключения направления приема. В последующем это позволило радиоастрономам реализовать метод построения карт интенсивности мерцаний (крупномасштабной структуры неоднородного околосолнечного пространства) за счет наблюдения большого числа дискретных мерцающих источников в течение одних суток [11,12].

За время продолжительной работы по созданию радиотелескопов метровых волн ФИАН автором был накоплен большой опыт юстировочных и пуско-наладочных работ. Разработаны методы измерений параметров секций радиотелескопов по реперным источникам, методы и схемы фазировки фидерных трактов большой протяженности, а также методы зондирования трактов радиотелескопов короткими импульсами. Эти методики вошли в число основных и до сих пор эффективно используются при эксплуатации радиотелескопов метровых волн ФИАН.

С появлением надежных управляющих отечественных ЭВМ класса М-6000 автором были приняты меры по использованию на радиотелескопах такой ЭВМ. Задачи управления и контроля фазирующих систем радиотелескопов ДКР- 1000 (антенны ВЗ и СЮ) и БСА ФИАН решены на основе ЭВМ М-6000 и разработанных промежуточных блоков сопряжения УСО М-6000 и систем радиотелескопов [ 13 ].

Предложения автора по внедрению на радиотелескопах метровых волн ФИАН дискретных схем фазировки и высокочастотных переключателей на основе использования в/ч релейных узлов (фазовращатели, коммутаторы, схемы контроля и переключатели) обеспечили этим инструментам высокую надежность и возможность их успешной автоматизации на основе ЭВМ.

Работа состоит из введения, пяти глав и заключения.

— Во введении рассматривается общий подход и задачи перед телескопами метровых волн ФИАН, а также основные направления проводимых с их помощью фундаментальных исследований.

— В первой главе обсуждаются наблюдательные задачи метрового диапазона волн и требования к радиотелескопам этого диапазона. Проведен анализ дробовых шумов радиотелескопов и влияние их на чувствительность глубоких обзоров дискретных источников. Рассматриваются принципы построения антенных систем метровых волн большой эффективной площади: проблемы достижения высокой чувствительности и диапазонности, задачи фазирования антенн и электрического управления их диаграммой направленности, предусилители, помехозащищенность.

— Во второй главе рассмотрен крестообразный радиотелескоп ДКР-1 ООО ФИАН: его облучательная и фидерная системыдиапазонные антеннофидерные элементысистемы фазирования временного типа для антенны ВЗ и частотновременного типа для антенны СЮпроблемы режима крестообразного включения ДКР-1000- результаты его юстировки. Приведены основные параметры.

— В третьей главе рассмотрены задачи построения антенных систем радиотелескопа БСА ФИАН, вызванные «заполненностью» его апертуры и условиями работы в полосе частот: схемы фазирования и формирования многолучевой диаграммы направленностипринципы управления системами и повышение помехозащищенностизадача автоматизированного управления режимами работы БСАюстировка радиотелескопа. Приведены его основные параметры.

— В четвертой главе обсуждаются основные направления создания радиотелескопов метровых волн нового поколения. Как вариант, рассмотрен проект Системы апертуряого синтеза ФИАН (САС ФИАН -1973 г.). Этот проект сопоставлен с завершаемым в настоящее время Гигантским Радиотелескопом Метровых Волн (ОМЕТ) Национального центра радиоастрономии Индии. Этот инструмент оказался во многом подобным САС ФИАН.

В пятой главе кратко, обзорно, рассмотрены результаты радиоастрономических исследований на радиотелескопах метровых волн ФИАН, в частности те, в которых активно участвовал автор.

В Заключении подводятся итоги научно-технических работ автора и рассматривается его вклад в создание основных радиотелескопов метровых волн ФИАН: ДКР-1000 и БСА. Эти инструменты являются долгожителями среди им подобных. Они обеспечили успешное проведение исследований по целому ряду направлений астрофизики как радиоастрономам ФИАН, так и других организаций бывшего СССР и зарубежных центров.

Выводы к главе 5.

Широкий круг проблем современной радиоастрономии решается с помощью радиотелескопов метровых волн ДКР-1000 и БСА ФИАН на протяжении порядка 30 лет. С помощью этих инструментов проводились наблюдения дискретных источников радиоизлучения, измерены их спектры и изучена их структура.

Исследованы межпланетная и межзвездная среды. Получены данные о физических условиях в «холодных» межзвездных облаках, в которых обнаружен ионизованный углерод.

Отг*.л, 1ТЛ-ТГТ л^хмя тле? ^г^ огтплпиАы ттг 1хайттт/лтт<^тттггг>лттхгттт тгттгт которых диапазон метровых волн очень интересен, а радиотелескопы ДКР-1000 и БСА ФИАН обеспечивают высокую чувствительность на порядок выше, чем у аналогичных зарубежных инструментов.

В частности, на радиотелескопах ФИАН были поставлены первые работы по формированию Пульсарной шкалы времени, предложенной специалистами ФИАН и ВНИИФТРИ при ведущем участии автора. В этих исследованиях большую роль сыграла созданная под руководством автора Служба Единого Времени — СЕВ ПРАО ФИАН.