Радиотелескопы метровых волн ФИАН тема автореферата и диссертации по астрономии, 01.03.02 ВАК РФ

^ ' л

^ /• СИ ц

/

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. П.Н. ЛЕБЕДЕВА АСТРОКОСМИЧЕСКИЙ ЦЕНТР рИ11ШТПЦ*1Т Рл ЩТПАГГГР™'™''"™™- А Я ПКГРРЦДТПРИЯ

Президиум ВАК России 1

¡' на правах рукописи

I присудил ученую степень ДСКТ О

ечальник управления ВАК ?осудаь

Ил

- ЮрйЛ1е¥р

сов зич

РАДИОТЕ!ШЖОПЕПИЕТТОВЖ-:ЮГ№ФН$

(01.03.02 - астрофизика, радиоастрономия)

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени доктора технических наук

Посвящается памяти профессора В.В. Виткевича, основателя ПРАО ФИАН

Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н. Лебедева

лтх ОТ'ОЧйЧТ»!/ плчг^

*ц шч^Д^ладп паул..

Официальные оппонента: якз, гс^ми^ ■ \ 1'

РОССИЙСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННАЯ БИБЛИОТЕКА

Г Я о//

доктор физико-математических наук, профессор Н:.Н. Парийский, чл.-корр. РАН, доктор технических наук, профессор Л.Д. Бахрах, доктор физико-математических паук, заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор Н.А. Есепкина,

Ведущая организация : Институт солнечно - земной физики СО РАН.

Защита состоится « » „Хд-^г^' заседании Диссертационного се институте им, 1ХН. Лебе-с 117924. Москв'

Отзыв на автореферат г: учреждения, просим на Ученого секретаря сове-; С диссертацией в виде н библиотеке ФИАН

36

____ часов на

Д.002.39.01 при Физическом А; демии наук по адресу: ^ект 53, ФИАН

щресу, на имя .4 иться в

Диссертация в виде научного доклада разослана

1999 г.

Ученый секретарь Диссертационного совета Д.002.39.01 кандидат физ.-мат. наук рйЬ?

Ковалев Ю. А.

ОГЛАВЛЕНИЕ:

Стр

Общая характеристика работы. 5

Введение 11

Глава 1. Наблюдательная радиоастрономия и радиотелескопы

метровых воли 15

1.1. Научные задачи. 16

1.2 Проблемы построения радиотелескопов метровых волн. 18

1.2.1. Дробовые шумы и чувствительность радиотелескопов. 19

1.2.2. Помехозащищенность. 23

1.2.3. Фазирование антенных решеток радиотелескопов. 24

1.2.4. Антенные предусилители. 26 1.2.5: Диапазонные системы. 28

Выводы к главе 1 29

Глава 2. Диапазонный крестообразный радиотелескоп ДКР-1000 ФИАН. 30

2.1. Конструктивные особенности 30

2.2. Диапазонность ДКР-1000. 31

2.3. Диапазонные системы управления направлением приема.

: 2.3.1. Системы сканирования антенн ВЗ и СЮ ДКР-1000. 32

2.3.2. Диапазонные фидерные устройства. 37

2.3.3. Электромагнитные связи в антеннах ВЗ и СЮ ДКР 38

2.3.4. Аппаратурные комплексы ДКР-1000 и крестообразный режим его работы 41

Выводы к главе 2 50

Гт?аваЗ. Радиотелескоп БСА ФИАН. 51 ";-.]. Радиотелескопы с заполненной апертурой для радиоастрономии

на метровых волнах 51

1. Конструктивные особенности радиотелескопа БСА ФИАН. 52

3. Комплекс систем радиотелескопа БСА ФИАН 53

ш * í. Выходные параметры БСА ФИАН. 56

ь г ды к главе 3 . 60 с 4

Глава 4. Направления развития радиотелескопов метровых волн. 61

4.1. Система апертурного синтеза ФИАН (проект САС ФИАН). 61

4.2. Радиотелескопы РТ-100 и РТД -80 .(Проекты). 65 Выводы к главе 4. 6 /

Глава 5. Радиоастрономические исследования на радиотелескопах

метровых волн ФИАН. 68

5.1. Дискретные источники. 68

5.2. Межпланетная плазма и солнечные ветер. 70

5.3. Радиолинии на метровых волнах. 71

5.4. Пульсары. 72

5.5. Хронометрирование пульсаров. Пульсарная шкала времени. 72 Выводы к главе 5. 74

Заключение ' 75

Список работ Ю.П. йлясова по теме диссертации. 77

Цитируемая литература 84

Рисунки к диссертации 92

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы.

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 1956г . 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 газу; я галактическим объектам: пульсарам, остаткам вспышек сверхновых,

межзвездной среде и спектральным линиям ионизированного углерода; я 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.- 1988г.)

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 объектов;

и изучено влияние дробовых шумов на чувствительность глубоких обзоров дискретных источников;

■ исследованы влияния взаимных связей между элементами фазируемых антенных систем на характеристики радиотелескопов метровых волн ФИАН при сканировании;

■ проведены 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 ФИАН;

я разработана и создана под руководством автора антенная система в виде ФАР с комбинированным фазово-временным управлением диаграммой направленности;

■ исследованы, 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 излучателями;

■ разработаны и созданы элементы и узлы антенно-фидерных устройств различных классов;

и разработаны и внедрены методы настройки и юстировки крупных фазируемых антенных систем;

■ проведена автоматизация антенных систем радиотелескопов ДКР-1000 и БСА ФИАН на основе управляющей ЭВМ и интерфейсных блоков;

а 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 1960г.), на Всесоюзных конференциях по радиоастрономии: Горький 1972г., Пущино 1975г.,1993, Ереван 1978г., Ереван 1982г., Иркутск 1986г., на Общем собрапии Совета по проблеме «Радиоастрономия» - Ленинград 1969г., 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.

ВВЕДЕНИЕ

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 1955г. 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,