Исследование линейчатых спектров Солнца в крайней ВУФ-области спектра в экспериментах проекта КОРОНАС тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМ. П.Н.ЛЕБЕДЕВА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи УДК. 523.77:522.45:53.082.5

КУЗИН СЕРГЕЙ ВАДИМОВИЧ

Исследование линейчатых спектров Солнца в крайней ВУФ-области спектра в экспериментах проекта КОРОНАС

Специальность 01.04.05 — оптика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва-2004

Работа выполнена в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН (ФИАН, г. Москва)

Научный руководитель

доктор физико-математических наук И.А Житник

доктор физико-математических наук Владимир Гдальевич Курт кандидат физико-математических наук Ираида Сергеевна Ким

Официальные оппоненты:

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт ядерной физики Московского Государственного университета.

Защита состоится "27 " сентября 2004 г. в "12" часов "00" минут на заседании диссертационного совета К.002.023.02 в Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН, по адресу: Москва, Ленинский пр-т, 53

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке

Физическом институте им. П.Н.Лебедева РАН

Автореферат разослан " "_2004 г.

Ваш отзыв на реферат в двух экземплярах просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета ФИАН: 119991, Москва, Ленинский пр-т, 53, Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор физико-математических наук В. А. Чуенков

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Детальное изучение структуры и динамики атмосферы Солнца важно как для решения общих, фундаментальных проблем физики солнечной и звездных корон, таких как понимание механизмов нагрева коронального вещества в спокойном состоянии и во время вспышек, генерация и ускорение солнечного ветра, формирование межпланетной среды, так и для решения задач солнечно-земных связей, определяющих структуру и динамику процессов в верхней атмосфере, ионосфере и магнитосфере Земли1*2. Исследование излучения солнечной короны и диагностика параметров плазмы, являются важными составляющими в решении этих проблем.

Крайний вакуумный ультрафиолетовый (ВУФ) диапазон спектра (10/1000 А) является наиболее удобным для проведения этих исследований, что связано с тем, что излучен Солнца этой области формируется линиями многозарядных ионов с электронными температурами возбуждения 104/107 К, соответствующими кэроне на высотах от переходного слоя3, а так же с практическим отсутствием непрерывного спектра. В комплексе с наблюдениями Солнца и межпланетной среды в других спектральных диапазонах эти исследования важны дм изучения солнечно-земных связей и реакции атмосферы на солнечную активность, предсказания геоэффективных событий и решения некоторых прикладных задач.4,5

Экспериментальные исследования солнечной короны в крайнем ВУФ диапазоне спектра начались в середине прошлого века с развитием космической техники. Первоначально они развивались по двум параллельным направлениям: исследование пространственной структуры короны с помощью широкополосных изображающих инструментов6 и определение параметров плазмы методами спектроскопии высокого разрешения7.

Позднее был реализован метод изображающей спектроскопии крайнего ВУФ диапазона, основанный на получении изображений полного Солнца с высоким пространственным, спектральным и временным разре-

1962

'Шкловский, Физика солнечной короны, Государственное над-во фиэ.-мат. Литературы, Москва,

Гибсон, Э., Спокойное Солнце, 1977, над-во «Мир», Москва Phillips, KJ.H., The Guide to the Sun, Cambridge Univ. Press, 1992 Веселовский и др. »Космические исследования, 2004, в печати Житник и др.. Астрономический вестник, 2003, т.37, №4, стр.1 Мандельштам и др, Искуссттенные спуте ики Земли, 1961 Hintereggcr,H.E, Space astrophysics, 1961, р.34

fffi ¿^ОПАЛЬНАЯ 1 БИБЛИОТЕКА 1

03 3«fi *j»0 I

шекием. Анализ данных, полученных с помощью этого метода, позволяет определять основные параметры плазмы: электронную и ионную плотности и температуры, обилие элементов, температурное распределение излучающего вещества (дифференциальную меру эмиссии), в различных коро-нальных структурах, а также исследовать их тонкую структуру и динамику.

Для определения параметров плазмы могут быть использованы данные как широкополосных (телескопических), так и спектральных наблюдений в монохроматических линиях. Интерпретация телескопических данных основана на анализе изображений Солнца, зарегистрированных в различных спектральных диапазонах, одновременно или с небольшой временной задержкой. С использованием моделей, описывающих параметры плазмы в различных солнечных структурах можно оценить дифференциальную меру эмиссии (ДМЭ) и определить электронную температуру плазмы (Те), используя отношение интенсивностей одних и тех же участков изображения в разных спектральных интервалах. Этот метод применяется при обработке данных солнечных телескопов Yohkoh/SXT 8 и SOHO/ЕГГ 9. Ограничения этого метода заключаются в больших погрешностях, связанных с выбором конкретной модели, что. в свою очередь, связано с неопределенностью обилия элементов в солнечной короне, а также с наличием в спектральных диапазонах инструментов большого количества неидентифици-рованных линий.

Более точными являются методы, основанные на анализе спектроскопических данных. Для определения плотности плазмы используются

плотностно-зависимые отношения интенсивностей двух линий одного ио-

10,11,12 г на , что позволяет исключить неопределенности, связанные с обилиями элементов и ионизационной температурой. Совместное применение плотностной диагностики и восстановление ДМЭ позволяют оценить объем, занимаемый излучающей плазмой. Сопоставление ДМЭ, полученных по линиям ионов различных элементов, позволяет оценивать относительные обилия элементов.

' Hara II., Tsuneta S., Letnen J. R., Acton L. W, McTicrnan J. M., Publications of the Astronomical Society of Japan, 1992, v. 44, p. 1J5-L140

' Zhang, Jie, Thesis (PbD). University of Mm/land, College Park, Source DAI-B 60/12,19996, p. 6155 " Jordan C„ AAA, 1974, v. 34, p. 69

11 Dere K. P., Mason H. E., Widing K. G., Bhatia A. K., Astophys. J. Suppl. Ser., 1979, v. 40, p. 341 111.Zhitnik, et aL, Mon. Not R. Astron. Soc., 1999,30, p.228

Исследование спектров излучения Солнца является важным для целей фундаментальной спектроскопии и атомной физики, так как условия в солнечной короне идеальны для формирования спектров многозарядных ионов. В частности, результаты диагностики солнечной плазмы позволяют

13

проверять точность расчетов теоретических атомных констант .

Пионерские работы в области изображающей спектроскопии Солнца в крайнем ВУФ диапазоне были проведены на орбитальной станции Skylab в эксперименте S 80A14. Были получены изображения полного диска Солнца в отдельных спектральных линиях (спектрогелиограммы) в диапазоне 171/630 А, что позволило составить каталог спектральных линий этого диапазона, уточнить обилие элементов в солнечной короне и определить дифференциальную меру эмиссии для некоторых солнечных структур. Ограничениями этого эксперимента являлись оптическая схема с вогнутой дифракционной решеткой нормального падения и использование фотопленки в качестве детектора. Это привело к относительно низкой дисперсии и переналожению изображений Солнца (размер диска в шкале длин волн составлял ~25 А), а также обусловило недостаточную точность фотометрии зарегистрированного потока излучения. Диапазон 171/210 А был исследован относительно плохо, что было связано с низкой эффективностью инструмента и большим числом спектральных линий в этой области. Эти факторы определили погрешности полученных данных и сложности их интерпретации.

В последние 20 лет наиболее значительный прогресс в солнечной рентгеновской астрономии был связан с развитием новых методов регистрации и анализа экспериментальных данных. В частности, многократное улучшение пространственного разрешения и чувствительности рентгеновских телескопов и спектрометров позволило им приблизиться по характеристикам к лучшим наземным телескопам. Это развитие обусловлено в наибольшей мере прогрессом в разработке рентгеновской оптики высокого разрешения на основе зеркал скользящего падения и многослойных зеркал нормального падения15, детекторов изображений на осноье ПЗС-матриц, а

" Undi Е.. Landini М., А&А,997, v. 327, р. 1230

м Tousey, R-, XUV results from SKYLAB, In: ] ntematioml Conference on X-Rays in Space - Cosmic, Solar, and Auroral X-Rays, Calgary, Alberta, Canada, August 14-21,1974, Proceedings. Volume 1, p. 472-J17 " Зеркальна! рентгеновская от -жа, под ред. А.В. Виноградова, Л-д, Машиностроение, 1989

также миниатюрных компьютеров, позволивших существенно увеличить объёмы регистрируемой информации.

Эксперименты по исследованиям солнечной короны в крайней ВУФ области спектра ведутся в Физическом институте РАН в рамках российско-украинской программы КОРОНАС (Комплексные ОРбитальные Околоземные Наблюдения Активности Солнца). Особое внимание при проведении этих экспериментов уделяется получению линейчатых спектрогелиометри-ческих данных совместно с мультиспектральными телескопическими наблюдениями.

Первая орбитальная станция КОРОНАС-И была выведена на околоземную орбиту в 1994 г. В состав аппаратуры входил многоканальный комплекс, состоящий из телескопа ТЕРЕК и спектрогелиометра РЕС (РЕнтгеновский Спектрогелиометр) на диапазон 1.8/304 А. Аппаратура обладала широким динамическим диапазоном и возможностями перепрограммирования (в том числе и в полете) режимов наблюдений, что позволило провести детальные исследования отдельных явлений в солнечной короне с целью разделения локальные и глобальных проявлений солнечной активности. В эксперименте были впервые проведены систематические наблюдения Солнца в спектральных диапазонах

А с высоким пространственным разрешением - до 1". Также впервые были получены монохроматические изображения Солнца в диапазонах 8.41-5-8.43 А и 180+209 А.

Дальнейшим развитием этой программы явилось создание в ФИАН спектрогелиометрического и телескопического комплекса СПИРИТ (СПектрометр Изображающий / Рентген эвскИй Телескоп) для орбитальной станции КОРОНАС-Ф, выведенной на околоземную орбиту в июле 2001 года16. СПИРИТ явился существенным развитием предыдущего комплекса, в первую очередь, за счет использования в его составе широкоапертурной оптики, более чувствительных детекторов с улучшенным пространственным разрешением, более мощного бортового компьютера, позволившего увеличить потоки передаваемой на Землю информации и реализовать режим управления с учетом текущей солнечной активности и состояния аппаратуры.

" Ораевский В Н., Собельман И.И., Письма в Астрой. Журнал. 2002, Т.28, №6, с.457-467

Совместный анализ изображений, полученных приборами ТЕРЕК, РЕС, СПИРИТ, с изображениями, полученными на космических станциях Yohkoh, SOHO, TRACE и данными наземных наблюдений в оптическом и радио диапазонах обеспечивает ЕОЗМОЖНОСТЬ изучения тонкой структуры корональных образований в широком диапазоне высот — от фотосферы до верхней короны, а длительный период наблюдений — от минимума до максимума солнечной активности - исследовать глобальные изменения сол-

1718

нечных структур на протяжении полного солнечного цикла ' . Цель работы заключается в решении следующих основных задач:

1. Разработке комплекса космических инструментов и используемых в нем элементов рентгеновской оптики для реализации метода изображающей спектроскопии в крайнем ВУФ диапазоне спектра регистрируемого излучения.

2. Проведении долговременных орбитальных наблюдений и накопле-

' нии экспериментального материала для анализа параметров плазмы

солнечной короны.

3. Создании каталога спектральных линий крайнего ВУФ диапазона, наблюдаемых в излучении солнечной короны.

4. Разработке методики измерения параметров плазмы по отношению спектральных линий FeXII.

5. Определении параметров корональной плазмы в различных структурах солнечной атмосферы по данным экспериментов РЕС и СПИРИТ.

Положения, выносимые на защиту;

1. Создание космических инструментов, впервые в отечественной и мировой практике обеспечивших комплексные исследования солнечной атмосферы с высоким спектральным, временным и пространственным разрешением: телескопов Гершеля, орэгтовских спектроге-лиометров и спектрогелиометра с объективней плоской решеткой;

2. Разработка технологии изготовления и методики контроля основных параметров глементов рентгеновской оптики; исследование изобра-

" В В. Гречнев н др., в кн.: «Магнитные поля и трёхмерная структур солнечной атмосферы». Всероссийская конференция, посвященная 9Э-летню со дня рождения ялен-корр. РАЛ В.Е. Степанова. Тезисы докладов. Иркутск, 2003, с. 27-28.

" О.И. Бугаенко и др., Изв. Крымской Астрофиз. Обе., 2003, т. 99, стр. 14

жающих и спектральных свойств различных элементов рентгеновской оптики;

3. Результаты наблюдений излучения мягкого рентгеновского и крайнего ВУФ диапазонов в периоды минимума 22-го цикла солнечной активности, максимума и спада 23-го цикла;

4. Каталоги зарегистрированных и отождествлённых линий в областях 176/209 А и 279/335 А;

5. Результаты измерения физических параметров корональной плазмы по данным экспериментов программы КОРОНАС.

Научная новизна.

1. Разработаны спектрогелиометры для регистрации изображений полного Солнца с высоким спектральным, временным и пространственным разрешением в крайнем ВУФ диапазоне.

2. Созданы новые элементы рентгеновской оптики: брэгговские кристаллические сферические зеркала, плоские дифракционные решетки, оптимизированные для работы в крайнем ВУФ диапазоне.

3. Разработаны методики измерения спектральных и изображающих характеристик оптических элементов и приборов.

4. Обнаружены 27 эмиссионных линий, не наблюдавшиеся ранее в спектрах излучения активных областей и вспышек. Предложена идентификация 102 линий, наблюденных в обоих спектральных диапазонах. 18 линий наблюдаются только во вспышках.

5. Оценены параметры плазмы по наблюдениям нескольких активных областей в период минимума активности Солнца на орбитальной станции КОРОНАС-И. Измеренные отношения интенсивностей пар линий, выбранных для диагностики, соответствуют величине электронной концентрации (3/10)-109 см-3.

Научное и практическое значение работы.

1. Получил дальнейшее развитие метод изображающей спектроскопии. Обоснован состав спектрогелиометрических и телескопических комплексов орбитальных станций проекта КОРОНАС, разработаны их оптические схемы и исследованы характеристики.

2. По результатам наблюдений излучения активных областей и вспышек составлен каталог эмиссионных линий в области 176/209А и 279/335 А, содержащий 165 линий по сравнению с ~140, зарегистрированными ранее.

3. По данным экспериментов РЕС и СПИРИТ уточнены параметры плазмы различных солнечных структур.

4. Получено более 300 000 квазимонохроматических рентгеновских изображений и спектров излучения Солнца, соответствующих различным фазам 22 и 23 циклов солнечной активности.

5. Разработаны методики контроля и технологии изготовления брэггов-ских фокусирующих зеркал; методики исследования изображающих и спектральных свойств различных элементов рентгеновской оптики: дифракционных решеток, брэгговских зеркал, многослойных рентгеновских зеркал нормального падения.

6. Полученные данные могут служить для уточнения теоретических расчетов атомных констант ионов высокой кратности.

7. Изложенные в диссертации инструментальные и методические решения, разработанные элементы рентгеновской оптики и созданные на их основе приборы способствовали исследованиям в других областях солнечной физики и в спектроскопии плазмы. Дальнейшее развитие этих экспериментов проводится в широкой международной кооперации в рамках проектов исследования Солнца КОРОНАС-ФОТОН и Интергелиозонд.

Апробация работы.

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на семинарах отдела Спектроскопии отделения Оптики ФИАН, национальных и международных конференциях, в том числе:

• SPIE International Symposium, SPIE's 39th Annual Meeting, San-Diego, USA, 17-28 July 1994.

• 2nd Swedish-Russian seminar 'High-resolution VUV Spectroscopy of Complex Atoms', 1997, Oct. 1-4, Lund, Sweden.

• "Solar Variability: From Core To Outer Frontiers", Praha, Czech, 9-14 September, 2002.

• "Solar Variability as an input to the Earth's Environment", Tatranska Lomnica, Slovakia, 23-28 June 2003.

• 34th COSPAR Scientific Assembly - The Second World Space Congress, Houston; TX, USA, 10-19 October 2002.

• Конференции «Актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности». Н.Новгород, 2-7 июня 2003.

• Конференции памяти академика Андрея Борисовича Северного «Солнце и космическая погода», 9-14 июня 2003 года, п. Научный, Украина.

• Совещаниях «Рентгеновская оптика», Нижний Новгород, в 1997, 1998,2000,2002-2004 гг.

• Научной сессии МИФИ-2004,19-23 января 2004 года, Москва.

• Всероссийской астрономической конференции ВАК-2004, 3-10 июня 2004, Москва.

• IAU Symposium 223,14-19 июня 2004 года, Санкт-Петербург.

• Международный симпозиум SEE, 12-14 июля 2004 г., Москва.

• 35th COSPAR Scientific Assembly, Pаris, France, 19-25 июля 2004 года Практической апробацией полученных в диссертации результатов

явилось проведение длительных (около 3-х лет) орбитальных наблюдений Солнца, в ходе которых был получен большой объем данных и проведены комплексные наблюдения в кооперации с наземными (БСТ/КрАО, ССРТ/ИСЗФ, РАТАН/ГАО) и космическими (SOHO, TRACE, RHESSI) инструментами. Публикации.

По теме диссертации опубликовано (в 1993-2004 гг.) 21 работа. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 94 наименований, 3 приложении, содержит 80 страниц машинописного текста, 29 рисунков, 10 таблиц.

Содержание работы

Во Введении сформулированы задали исследований, дан обзор ранее выполненных работ в области исследования Солнца в крайнем ВУФ диапазоне (экспериментов и их результатов), кратко изложено содержание работы.

В первой главе (§ 1.1) дается обоснование выбранных для исследования диапазонов спектра. Диапазоны были определены исходя из физической задачи эксперимента: необходимости проведения спектральной диагностики плазменных образований на разных высотах солнечной короны, исследования их тонкой структуры и динамики развития. Диапазоны спек-трогелиометрических каналов «XUV» 195+15 А и 310+25 А содержат ин-

тенсивные линии ионов наиболее обильных в солнечной короне элементов (Не, Fe, Si и др.). Электронные температуры максимумов светимости линий этих диапазонов позволяют исследовать плазменные структуры с температурами от 0.05 до 20МК, что соответствует высотам солнечной атмосферы начиная от переходного слоя и выше. В этих спектральных диапазонах присутствует большое количество как плотностно-зависимых, так и плот-ностно-независимых линий ионов одной степени ионизации (т.е. темпера-турно-независимых), что позволяет измерять электронную плотность и, по отношениям интенсивностей линий различных ионов, дифференциальную меру эмиссии. В спектральном диапазоне в районе 8.42 А присутствует горячая резонансная линия излучения иона магния MgXII, соответствующая температурному диапазону Т ~ 5+20 МК. Поскольку вблизи этой линии в спектре нет других интенсивных линий, этот диапазон очень удобен для исследования «горячих» квазимонотемпературных структур солнечной короны, определения их динамических свойств и уточнения данных гаек^-гелиометров крайнего ВУФ диапазона.

Выбор оптических схем каналов аппаратуры РЕС, ТЕРЕК и СПИРИТ определялся диапазонами спектра, требованиями к пространственному, спектральному и временному разрешению, существующим уровнем технологии, а также спецификой проведения космического эксперимента. В разработанной аппаратуре использованы различные оптические схемы: изображающий спектрометр на основе Брэгговского сферического кристаллического зеркала, изображающий спектрометр с объективной дифракционной решеткой скользящего падения и фокусирующим рентгеновским многослойным зеркалом, телескопы Гершеля и Ричи-Кретьена на основе рентгеновских многослойных зеркал.

В § 1.2 обоснована оптическая схема спектрогелиометра «МgХП» (диапазон 8.41-8.43 А, дублет резонансной линии иона MgXII) на основе кристаллических зеркал, проанализированы ее особенности. В инструменте в качестве одновременно фокусирующих и диспергирующих элементов были использованы сферически изогнутые кристаллы. Такая оптика имеет высокий коэффициент отражения и дисперсию, обеспечивает высокую светосилу схемы. Ориентация кристаллической плоскости кристалла была подобрана таким образом, что для рабочей длины волны обеспечивался угол Брэгга, близкий к нормальному (-82°), а присущая данной установке зеркала сферическая аберрация обеспечивала высокую дисперсию схемы.

В § 1.3 обоснована оптическая схема спектрогелиометра крайнего ВУФ диапазона спектра (спектрогелиометр «ХЦУ») и проанализированы её особенности. В приборе была реализована оптическая схема бесщелевого спектрометра с объективной плоской дифракционной решеткой на входе. Излучение, дифрагировавшее на дифракционной решетке, установленной под скользящим углом падения, фокусируется многослойным зеркалом нормального падения на чувствительную площадку приемника изображений. Замечательным свойством этой схемы является эффект "спектрального уменьшения" угловой апертуры дифрагированного излучения (в 10-5-20 раз), которое пропорционально отношению синусов углов дифракции и скольжения. Это позволяет уменьшить переналожение изображений полного диска Солнца в отдельных спектральных линиях.

В § 1.4 обоснованы оптические схемы телескопов крайнего ВУФ диапазона. Использовано два типа схем - однозеркальная схема Гершеля и двухзеркальная схема Ричи-Кретьена. Оба телескопа обеспечивают получение изображений Солнца с угловым разрешением 1...4" в сравнительно широких спектральных диапазонах (ХУДА. <, 30). В телескопе ВР-2 в эксперименте КОРОНАС-Ф/СПИРИТ впервые реализован коронограф крайнего ВУФ диапазона.

Вторая глава посзящена разработке и исследованиям изображающих и спектральных характеристик основных оптических элементов аппаратуры.

В § 2.1 рассмотрена технология изготовления и методика контроля кристаллических зеркал для канала «М^П». К ним предъявляются высокие гребования с точки зрения их изображающих свойств, что необходимо для обеспечения требуемых параметров канала. Разрешение, обеспечиваемое этими зеркалами, должно быть не хуже 2" в рабочей области спектра. Поэтому при их изготовлении особое внимание уделялось оптическим свойствам зеркал. Контроль зеркал проводился как оптическими, так и рентгеновскими методами.

В § 2.2 изложена методика контроля эффективности дифракции и уровня рассеянного света в рабочем спектральном диапазоне дифракционных решеток. С использованием этих методик был проведен первичный анализ свойств решеток различных типов, по результатам которого были отобраны для оптимизации голографические дифракционные решетки. Оптимизация проводилась варьированием профиля штриха, который контро-

лировался по значению эффективности дифракции Ев на длине волны 4416 А. Было показано, что максимальную эффективность дифракции при рабочих углах скольжения на длине волны 172 А имеют решетки с Ев ~ 2530%.

В § 2.3 рассмотрены методики контроля изображающих и спектральных свойств многослойных рентгеновских зеркал нормального падения. Измерения разрешения проводились в оптическом диапазоне спектра, при этом все зеркала показали разрешение, близкое к дифракционному пределу по критерию Рэлея. Контрольные исследования в рабочем диапазоне длин волн показали, что разрешение зеркал соответствует предъявляемым к ним требованиям (до 1"). Особое внимание было уделено исследованиям спектральной функции коэффициента отражения многослойных зеркал. Эта функция почти полностью определяет спектральную функцию всего прибора, так как у всех остальных компонент - дифракционных решеток, приемников излучения и фильтров спектральные функции в рабочей области спектра меняются сравнительно слабо.

В § 2.4 представлены оптические и спектральные калибровки инструментов. Эти калибровки необходимы для выбора оптимальных режимов работы приборов в полете, а также для обработки данных. Телескопы ТЕРЕК и СПИРИТ, спектрогелиометр «МgХII» юстировались в оптическом диапазоне длин волн. Были проведены измерения точного фокусного расстояния, разрешения в оптическом диапазоне и масштаба изображения. В ходе юстировок определялся диапазон положений детектора, в котором разрешение определялось пределом измерений. Детектор устанавливался в среднее положение этого диапазона. На этапе юстировок было показано, что разрешение не выходит за пределы расчетных погрешностей.

Исследования спектрогелиометра «ХиУ» проводились в рабочем диапазоне спектра. При проведении спектральных калибровок в качестве источника использовалось излучение лазерной искры на различных типах мишеней, а в качестве детектора - приемник изображений с открытой МКП, аналогичный летному. В ходе этих исследований была уточнена спектральная функция всего инструмента и определено спектральное разрешение канала, которое составило 0.19 А, а также была отработана методика выделения спектров из спектрографических изображений.

Третья глава посвящена анализу и интерпретации результатов, полученных в ходе космических эксперимента».

В § 3.1 представлен обзор полученных данных. В ходе эксперимента со спектрогелиометром «ХЦУ» на спутнике КОРОНАС-И было получено более 60 спектрогелиограмм Солнца в минимуме активности (рис. 1). Спектрогелиометр «ХЦУ» в составе комплекса КОРОНАС-Ф/СПИРИТ работает с августа 2001 года. За это время получено более 1000 спектроге-лиограмм в 2-х спектральных диапазонах. В частности, было зарегистрировано более 20 вспышек разного балла. Одновременно регистрировались спектрогелиограммы в линии М|;ХП и телескопические изображения в крайнем ВУФ диапазоне. Всего в ходе эксперимента СПИРИТ получено более 300 тысяч телескопических изображений и спектрогелиограмм в период максимума и спада солнечной активности.

Спектры выбранных областей на Солнце были получены сканированием полученных гелиограмм в направлении дисперсии с последующим нормированием на пространстЕенно-спектральную чувствительность прибора. С помощью этой методики были выделены спектры различных коро-нальных структур, присутствующих на диске, а также переходных областей между ними. Полученные с помощью телескопов и спектрогелиометра «MgXII» в близкие моменты времени изображения диска Солнца и солнечной короны с высоким пространственным разрешением были использованы для точного определения положения исследуемой области, ее тонкой структуры и динамики развития.

Проведен ряд наблюдений короны на расстоянии до 4 солнечных радиусов. Показано, что на дальних расстояниях светимость короны определяется в основном линией НеП, в то время как на высотах до нескольких десятых радиуса - излучением более «горячих» ионов (в частности, 81X1, БеХУ).

В ближней короне «горячие» плазменные структуры, которые отчетливо наблюдаются в спектрогелиометре «MgXП», ассоциированны с постэруптивными аркадами,. По комплексному анализу данных с привлечением наблюдений в радчодиапазоне были уточнены электронная плотность и температура плазмы этих структур.

Показано, что ряд выбросов коронального вещества формируется «холодной» плазмой переходногэ слоя, наблюдаемой в линии НеП, при этом излучение горячих корональных линий в этих выбросах не обнаружено.

195 200 Длина волны. Л

Рис. 1. Спектрогелиограмма в диапазоне 180/209А, полученная 4 июня 1994г., 17:20 UTи спектр активной области (область сканирования указана стрелками)

В § 3.2. представлена процедура обработки данных и каталог зарегистрированных линий. Обработка данных состоит в устранении фона, построении спектра, определении параметров наблюдаемых линий, определении шкалы длин волн, нормировке на спектральную чувствительность прибора.

Для данных спектрогелиометра «ХЦУ» КОРОНАС-И/РЕС первичная привязка спектра по длинам волн была осуществлена по результатам лабораторных калибровок и уточнена по наиболее сильным изолированным линиям этого диапазона, неоднократно наблюдавшимся ранее: 188.2, 195.1 и 202.4 А. Длины волн были определены с точностью ±0.1 А.

По результатам анализа суммарного спектра 40 пространственных участков, включающих различные плазменные образования (активные области, участки спокойного Солнца на диске, надлимбовые структуры), были выявлены характерные максимумы интенсивности, интерпретированные как спектральные линии. По этим данным составлен каталог, включающий 51 линию в диапазоне 180/209 А. Предварительная идентификация линий проводилась на основе базы данных Кьянти19 путем отбора по интенсивности, рассчитанной в интервале плотностей в предположении постоянной меры эмиссии. Этот каталог был уточнен в диапазоне 176/206 А по данным эксперимента КОРОНАС-Ф/СПИРИТ.

Обсуждены особенности наблюдаемых спектров, в частности, распределение интенсивностей в триплете и 5/2 с длинами волн соответственно 192.4,193.5 и 195.1 А. Эти линии являются наиболее сильными в исследуемом диапазоне. Распределение их относительных интенсивностей меняется в пределах от 0.25:0.5:1 до 0.35:0.7:1 для спектров разных объектов и разных моментов времени; среднее соотношение составляет 0.31:0.68:1. Последнее экспериментальное значение весьма близко к отношению статистических весов соответствующих переходов - 0.33:0.67:1, и значительно отличается от теоретических расчетов - 0.23:0.6:120,21. В этом же триплете было зарегистрировано значительное подавление относительной интенсивности линии 195.1 А в спектре вспышки, зарегистрированной 16 сентября 2003 года. Это может быть объяснено особенностями структуры и ориентации источника излучения, имеющего в направлении наблюдения значительную оптическую толщу.

По результатам наблюдений на спектрогелиометре КОРОНАС-Ф /СПИРИТ составлен каталог эмиссионных линий в области 279+335 А, зарегистрированных во вспышках и в готивных областях. Спектральное разрешение составляет 0.1 А, точность измерения длин волн 0.04 А. Каталог содержит 100 линий (по сравнению с 80 линиями на том же участке спектра в каталоге линий вспышек, составленным ранее по данным спектроге-лиометра S 80A22). Из них 15 наблюдаются только во вспышках, что выяс-

19 Dere K.P., Land! Е., Mason N.E., Monsigiiori Fossi B.C., Young P.R., Astron. Astrophys. Suppl. Ser. 1997. v,12J.p.!29.

Keenan F.P., Thomas RJ., Neupert W.M., Foster VJ., Brown P.J.F., Tayal S.S., Mon. Not R. Astron. Soc., 1996, v. 278, p. 773.

" BrickhouM N.S., Raymond J.C, Smith B.W., Astrophys. J. Suppl. Ser. 1995. v.97. p. 551

a Dere K.P.. ApJ, 1978,221, 1062

нено путём сопоставления спектров активных областей и вспышек.

В §3.3 рассмотрена диагностика плазмы активных областей в солнечной короне по данным спектрогелиометров «ХЦУ» КОРОНАС-И/РЕС и КОРОНАС-Ф/СПИРИТ. По спектрам, зарегистрированным 2 июля 1994 года проведена оценка параметров корональной плазмы для 5 активных областей, видимых на диске в этот период. Для анализа были отобраны 10 спектральных линий иона БеХП. Анализируемые далее переходы и соответствующие им отношения приведены в таблице 1.

Таблица 1. Спектральныелинии, выбранные для проведения диагностики

Переход Длина волны (Л) Отношение

К=1(Л.)/1(193.52А)

За2Зр3 203/1 - 352Зр2(3Р)Зс1 %п+ 136.86+186.88

Зв'Зр3 2В5ГТ- 3823р2(эр)3(! 2¥ш

ЗБ2Зр3 "Бзя - 3523р2(,8)3ё Ъ т 190.06

Зз2Зр3 %п-Зз2Зр2(3Р)Зс14Р,д 192.39 Яз

Зв'Зр3 %п-3в23р2(3р)3<14Р112 193.52 .

Зз2Зр3 %п- 3з23р2(3р)3<1 %а+ 195.12 + 195.19

Зз2Зр3 203/2 - 3з23р2('0)3с1 •

Зв2Зр3 ^5/2- 3з23р2(10)3с1205/2 196.64 Я5

Зв2Зр3 205/г- 3з23р2('0)3с12Ош 196.87 ^

ЗБ'ЗР3 2Р3/2 - 3з23р2('0)3ё 2Р3/2 201.12

На рис. 2 приведены отношения эмиссионных линий, указанных в таблице, как функции электронной плотности на максимуме температуры БеХП в ионизационном уравнении, Те = Т™ = 1.4x10* К23. Анализ кривых показывает, что отношение существенно изменяются с изме-

нением электронной плотности, и, таким образом, удобны для N5 диагностики. Например, К; меняется в 46 раз при изменении от 108 до 1012 см*3, а К5 меняется в 33 раз в том же интервале. Отношения К2,К3 и К4 меняются крайне мало в зависимости от плотности и могут обеспечить проверку используемых атомных данных или качество полученных данных.

" Агаш<1 М„ Лаутопа Д.С., Ар;, 1992,398,39-1

Таблица 2. Отношения интенсивностей линий FeXII для различных активных областей на Солнце 02 июня 1994года

Отношение А01 А02 АОЗ А04 А05 Теория" Теория"

0.22 0.25 0.41 0.41 0.31 027 0.45

Ъ 0.32 0.30 0.21 0.20 0.20 0.09 0.10

Яз 0.52 0.59 0.44 0.44 0.48 0.37 0.38

И4 1.54 1.59 1.64 1.69 1.68 1.72 1.77

0.17 0.18 0.26 0.24 0.22 0.11 0.16

и« 0.08 - - - - 0.01 0.02

0.31 0.51 0.62 0.54 0.58 0.02 0.04

'Отношения рассчитаны дляЫе=10?5ст3, Те=Тт<а=1.4х1(?К22 "Отношениярассчитаны дляМе=1010ст'3, Те=Тт<а=1.4х10РК22

8 9 10 11 12 В 9 10 11 12

Ю9Ч, "Ч".

Рис. 2. Теоретическиеотношениялиний ионаFeXII Экспериментальные отношения от К1 до К7 приведены в табл. 2, так же как и теоретические отношения для Ие = 109,5 и 10|осм"3, что соответствует диапазону плотностей N0, рассчитанному для активных областей. Экспериментальное значение Ь^ очень близко к теоретическому и соответствует плотностям в диапазоне N0 -109-5 - 101С см . Отношения К2,К6 и К7 много больше теоретических. Это может быть следствием того, что линии 190 06 А и 201.12 А блендированы линиями БеХ 190,04 А и БеХП 201.13 А соответственно. Линии, наблюдаемые около 197 А, могут не являться линией 196,87 А БеХП, которая не наблюдалась в данных SERTS. Возможным

кандидатом является линия CoXIV 3sJ3p2 3Рг - 3s23p3d5P, 197.01 А24. Экспериментальные отношения R3 и R4 находится в хорошем соответствии (плотностная независимость) с теоретическими отношениями.

В Заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертации:

1. В рамках отечественной программы исследования Солнца КОРОНАС разработаны космические солнечные телескопы и спек-трогелиометры ТЕРЕК, РЕС и СПИРИТ.

2. Успешно проведен эксперимент орбитальной станции КОРОНАС-И с марта по июль 1994 года аппаратурой ТЕРЕК и РЕС.

3. С августа 2001 в рамках эксперимента СПИРИТ проводятся долговременные наблюдения солнечной короны в широких временных (от секунд до месяцев) и спектральных (от 8 до 335 А) и интервалах.

4. Получено более 300000 рентгеновских широкополосных изображений и спектров Солнца, соответствующих различным фазам активности.

5. Составлены каталога линий диапазонов 176/209 А и 279/335 А.

6. Показана возможность определения физических параметров плазмы в широком диапазоне температур и высот. По отношению интенсив-ностей линий FeXlI диапазона 180/209 А определено значение электронной плотности Ne плазмы ряда активных областей.

Личный вклад автора

В ходе разработки и постановки экспериментов по изображающей

спектроскопии Солнца в крайнем ВУФ диапазоне спектра автором были

выполнены следующие работы:

1. Адаптированы под крайнюю ВУФ область спектра и условия космического эксперимента схемы телескопов Гершеля, брэгговских спек-трогелиометров и спектрогелиометра с объективной плоской решеткой.

2. Разработана технология изготовления и контроля характеристик брэгговских фокусирующих зеркал и дифракционных решеток для работы в крайнем ультрафиолете.

3. Исследованы изображающие и спектральные свойства различных элементов рентгеновской оптики: дифракционных решеток, брэггов-

54 Kelly RX, Palumbo L.J., NRL Report 6599, 1973

ских зеркал, многослойных рентгеновских зеркал нормального падения, детекторов изображений.

4. Выполнена сборка отладка и калибровка летной аппаратуры ТЕРЕК, РЕС, СПИРИТ.

5. Составлен каталог эмиссионных линий диапазона 176/209 А и 279/335 А

6. На примере спектров FeXII исследованы возможности определения физических параметров плазмы по наблюдениям относительной интенсивности линий.

При существенном участии автора начаты совместные исследования

солнечных процессов и явлений по данным космической обсерватории

КОРОНАС-Ф в сотрудничестве с ИЗМИРАН, ИСЗФ СО РАН, ГАО РАН,

САО РАН, Харьковским национальным университетом, НИИЯФ МГУ,

КрАО, по результатам которых уже опубликован ряд работ.

Публикации по теме диссертации;

1. Житник, И.А., Кузин, СВ., Митропольский, М.М., Рагозин, Е.Н., Слемзин В.А., Сухановский В.А., Исследования характеристик многослойных рентгеновских зеркал для диапазона X =19 нм с помощью лазер-плазменного источника, Квантовая электроника, 1993, т.20, стр 89.

2. Sergey V. Kuzin, Evgeny EAndreev, Viatcheslav V.Komeev, et. al., X-ray spectroheliographs with the Bragg focusing optics for the CORONAS project: design, fabrication and optical testings, Proc. SPIE, 1994, v.2283, p.242.

3. И.И. Собельман, И.А.Житник, А.П.Игнатьев, В.Ю.Клепиков, В.В.Корнеев, В.В.Кругов, С.В.Кузин, и др., Рентгеновская спектроскопия Солнца в диапазоне 0.83-30.4 нм в экспериментах ТЕРЕК н РЕС на спутнике КОРОНАС-И, ПАЖ, 1996, т. 22, № 8, стр. 604.

4. S. V. Kuzin, I. A. Zhitnik, A. A. Pertsov et al. Grazing incidence XUV spectroheliograph RES-C for the CORONAS mission, The Journal of X-Ray Science and Technology, 1997, v. 7, p. 233.

5. I.Zhitnik, S. Kuzin, APertsov et al., Manufacture and testing ofX-ray optical elements for the TEREK-C and RES-C instruments (the «CORONAS-I» mission), SPIE selected papers, New Methods and In-

struments for Space and Earth-based spectroscopy in XUV, UV, IR and MM-waves, 1998, v. 3406, p.20.

6. I.Zhitnik, S. Kuzin, A.Pertsov et al., Instruments for XUV-imaging spectroscopy of the Sun on board the CORONAS-I satellite, SPIE selected papers, New Methods and Instruments for Space and Earth-based spectroscopy in XUV, UV, IR and MM-waves, 1998, v. 3406, p.l.

7. И.АЖитник, С.В.Кузин, В.Н.Ораевский , A.A. Перцов, И.И. Собель-ман, A.M. Урнов, Спектральный анализ солнечных изображений в области 180-210 А с помощью спектрогелиометра РЕС-К на орбитальной станции КОРОНАС-И, ПАЖ, 1998, т. 24, стр. 943.

8. I.Zhitnik, S. Kuzin, A. Urnov et al., FeXII emission lines in solar active regions observed by the RES-C spectroheliograph on the CORONAS-I mission, Mon. Not. R. Astron. Soc, 1999, v. 30, p.228.

9. I.Zhitnik, S. Kuzin and V. Slemzin, Multilayer and Crystalline Optics for Solar X-ray Astronomy, Surface investigation, 1999, Vol. 15, p.21.

10. LA. Zhitnik, O.I. Bougaenko, J.-P. Delaboudiniere, A.P. Ignatiev, VV. Korneev, V.V. Krutov, S.V. Kuzin, et al. Spirit x-ray tele-scope/spectroheliometer results. ESA SP-506 V2,2002, p.915.

11.B.A. Слемзин, И.А Житник, СЮ. Зуев, С.В. Кузня, А.В.Митрофанов. «Исследование временной стабильности характеристик многослойных рентгеновских зеркал для солнечного рентгеновского телескопа СРТ-К и рентгеновского спектрометра РЕС-К». Поверхность, 2002, № 1, стр. 84.

12. I.Zhitnik, O.Bugaenko, A Ignat'ev, V.Krutov, S Kuzin et al., Dynamic 10MK plasma structures observed in monochromatic full Sun images by the SPIRIT spectroheliograph on the CORONAS-F mission. Mon. Not. RAS,2003,v.331,p.67.

13.I.Zhitnik, A.Afanas'ev, S.Kuzin, et. al., EUV Observations of Solar Corona in the SPIRIT Experiment On Board the CORONAS-F Satellite, Adv. Space Res., 2003, vol. 32, No.4, p. 473.

14. LZhitnik, S.Kuzin, O.Bugaenko, et al. Results ofXUV Full Sun Imaging Spectroscopy for Eruptive and Transient Events by the SPIRIT Spectro-heliograph on the CORONAS-F Mission, Adv. Space Res., 2003, vol. 32, No.l2,p.2573.

15.О.И. Бугаенко, В.В. Гречнев, Р.К. Жигалкин, С.В.Кузин и др. Исследование солнечных образований на основе комплексных наблюдений

с Земли и на спутнике Коронас-Ф: 1. Методы наблюдений и анализа солнечных изображений, зарегистрированных в различных спектральных диапазонах излучения. 11зв. Крымской Астрофиз. Обе, 2003, т. 99, стр. 1.

16. A. Pertsov, I. Zhitnik, О. Bougaenko, A. Ignatiev, V. Krutov, S. Kuzin, A. Mitrofanov, S. Opann, V. Slemzin. High resolution temporal and spatial dynamics of solar flares from the SPIRIT MgXII 8,42A spectral images of the Sun. Proc. ISCS 2003 Symposium "Solar Variability as an input to the Earth's Environment", Tatranska Lomnica, Slovakia, 23-28 June 2003. ESASP-535,2003,p.239.

17. Житник И.А., Бугаенко О.И., Игнатьев А.П., Кузин СВ., Лисин Д.Н., Митрофанов А.В., Опарин С.Н., Перцов А.А., Слемзин В.А Эруптивные процессы в солнечной короне по данным эксперимента СПИРИТ на спутнике КОРОНАС-Ф. Труды конференции «актуальные проблемы физики солнечной и звездной активности».

H.Новгород, 2-7 июня 2003 г. т.1, стр. 11.

18. И. М. Черток, В. А. Слемзин, С. В. Кузин, В. В. Гречнев, О. И. Буга-енко, И. А. Житник, А. П. Игнатьев, А. А. Перцов. Солнечное эруптивное событие 4 ноября 2001 г. по данным телескопа СПИРИТ на спутнике КОРОНАС-Ф. АЖ, 2004, т.81, №5, с 447.

19.В.В. Гречнев, Боровик В.Н., Коржавин А.Н., Крин СВ., Занданов В.Г., Руденко Г.В., Уралов A.M., Григорьева И.Ю., Житник И.А., Перцов А.А., Слемзин В.А. Магнитные поля в постэруптивных аркадах. - В кн.: «Магнитные поля и трёхмерная структура солнечной атмосферы». Всероссийская конференция, посвященная 90-летию со дня рождения член-корр. РАН В Е. Степанова. Тезисы докладов. Иркутск, 2003, с. 27.

20. S.Bozhenkov, I.Zhitnik, S.Kuzin, A.Perzov, A. Ignatiev, O.Bugaenko,

I.Sobelman, A.Urnov, S.Oparin, Properties of solar flare plasma measured by RES - С spectroheliograph on CORONAS-F, Book of abstracts of IAU Symposium 223, St. Petersburg, 2004, p.28

21. S. Bogachev, V. Slemzin, O. Bugaenko, V. Grechnev, S. Bozhenkov, S. Kuzin, I. Zhitnik, A. Pertsov),On the methods of primary data processing during the XUV experiment SPIRTT/CORONAS-F, Book of abstracts of IAU Symposium 223, St. Petersburg, 2004, p.23

^5436

Подписано в почать И/ш 2004 г. Формат 60x84/16. Закел Ы» 72. Тираж ЮО вкз. П.л."<,25. Отпечатано в РИИС ФИШ с оригинал-макеть заказчика. 119991 Мэсква, Ленин зкий проспект, 53. Тел. 13251 28