Знаймо

Додати знання

приховати рекламу

Цей текст може містити помилки.

Радіотелескоп



План:


Введення

Радіотелескоп - астрономічний інструмент для прийому власного радіовипромінювання небесних об'єктівСонячній системі, Галактиці і Метагалактика) і дослідження їх характеристик: координат, просторової структури, інтенсивності випромінювання, спектра і поляризації [1].

Радіотелескоп займає початкова, за діапазоном частот, положення серед астрономічних інструментів досліджують електромагнітне випромінювання, - більш високочастотними є телескопи теплового, видимого, ультрафіолетового, рентгенівського і гамма випромінювання [2].

Радіотелескопи переважно розташовувати далеко від головних населених пунктів, щоб максимально зменшити електромагнітні перешкоди від мовних радіостанцій, телебачення, радарів та ін випромінювальних пристроїв. Розміщення радіообсерваторіі в долині або низині ще краще захищає її від впливу техногенних електромагнітних шумів.


1. Пристрій

Радіотелескоп складається з двох основних елементів: антенного пристрою і дуже чутливого приймального пристрою - радіометра. Радіометр посилює прийняте антеною радіовипромінювання і перетворює його у форму, зручну для реєстрації та подальшої обробки. [3]

Конструкції антен радіотелескопів відрізняються великою різноманітністю, що обумовлено дуже широким діапазоном довжин хвиль, використовуваних в радіоастрономії (від 0,1 мм до 1000 м). Антени радіотелескопів, які беруть мм, см, дм і метрові хвилі, найчастіше є параболічні відбивачі, подібні дзеркалам звичайних оптичних рефлекторів. У фокусі параболоїда встановлюється опромінювач - пристрій, що збирає радіовипромінювання, яке направляється на нього дзеркалом. Опромінювач передає прийняту енергію на вхід радіометра, і, після посилення і детектування, сигнал реєструється на стрічці самопишущего електровимірювального приладу [4]. На сучасних радиотелескопах аналоговий сигнал з виходу радіометра перетвориться в цифровий і записується на жорсткий диск у вигляді одного або декількох файлів.

Для напряму антен в досліджувану область неба їх встановлюють зазвичай на Азимутальних монтування, що забезпечують повороти по азимуту і висоті (повноповоротні антени). Існують також антени, що допускають лише обмежені повороти, і навіть повністю нерухомі. Напрямок прийому в антенах останнього типу (зазвичай дуже великого розміру) досягається шляхом переміщення опромінювачів, які сприймають відбите від антени радіовипромінювання.


2. Принцип роботи

Принцип роботи радіотелескопу більше схожий принципом роботи фотометра, ніж оптичного телескопа. Радіотелескоп не може будувати зображення безпосередньо, він лише вимірює енергію випромінювання, що приходить з напряму, в якому "дивиться" телескоп. Таким чином, щоб отримати зображення протяжного джерела, радіотелескоп має проміряти його яскравість в кожній точці.

Зважаючи дифракції радіохвиль на апертурі телескопа, вимірювання направлення на точкове джерело відбувається з деякою помилкою, яка визначається діаграмою спрямованості антени і накладає фундаментальне обмеження на роздільну здатність інструменту:

\ Theta_ {min} = \ frac {\ lambda} {D} ,

де λ - Довжина хвилі, D - Діаметр апертури. Висока роздільна здатність дозволяє спостерігати більш дрібні просторові деталі досліджуваних об'єктів. Щоб покращити роздільну здатність, потрібно або зменшити довжину хвилі, або збільшити апертуру. Проте використання малих довжин хвиль підвищує вимоги до якості поверхні дзеркала (див. критерій Релея). Тому зазвичай йдуть по шляху збільшення апертури. Збільшення апертури також дозволяє поліпшити ще одну важливу характеристику - чутливість. Радіотелескоп повинен володіти високою чутливістю, щоб забезпечити надійну реєстрацію як можна більш слабких джерел. Чутливість визначається рівнем флуктуацій щільності потоку Δ P :

\ Delta P = \ frac {P} {S \ sqrt {\ Delta f t}} ,

де P - Потужність власних шумів радіотелескопа, S - Ефективна площа (збирає поверхню) антени, Δ f - Смуги частот і t - Час накопичення сигналу. Для підвищення чутливості радіотелескопів збільшують їх збирає поверхню і застосовують малошумні приймачі та підсилювачі на основі мазеров, параметричних підсилювачів і т. д.


2.1. Радіоінтерферометрії

Крім збільшення діаметру апертури, існує ще один спосіб збільшити роздільну здатність (або звузити діаграму спрямованості). Якщо взяти дві антени, розташованих на відстані d (база) один від одного, то сигнал від джерела до однієї з них буде приходити трохи раніше, ніж до іншого. Якщо потім сигнали з двох антен проінтерферіровать, то з результуючого сигналу за допомогою спеціальної математичної процедури редукції можна буде відновити інформацію про джерело з ефективним дозволом λ / d . Така процедура редукції називається апертурним синтезом. Інтерференція може проводитися як апаратно, шляхом подачі сигналу по кабелях і хвилеводів в загальний змішувач, так і на ЕОМ з попередньо оцифрованими по мітках точного часу та збереженими на носій сигналами. Сучасні технічні засоби дозволили створити систему РНДБ, яка включає в себе телескопи розташовані на різних материках і рознесені на кілька тисяч кілометрів.


3. Перші радіотелескопи

3.1. Початок - Карл Янський

Точна копія радіотелескопу Карла янського в натуральну величину. Національна радіоастрономічної обсерваторії (NRAO), Грін Бенк, Західна Вірджинія, США

Історія радіотелескопів бере свій початок з експериментів Карла янського, проведених в 1931 р. У той час Янський працював радіоінженером на полігоні фірми Bell Telephone Labs. Йому було доручено дослідження напрямку приходу грозових перешкод. Для цього Карл Янський побудував вертикально поляризовану односпрямовану антену типу полотна Брюса. Розміри конструкції становили 30.5 м в довжину і 3.7 м у висоту. Робота велася на хвилі 14.6 м (20.5 МГц). Антена була з'єднана з чутливим приймачем, на виході якого стояв самописець з великою постійною часу [5].

Запис випромінювань, отримана Янський 24 лютого 1932. Максимуми (стрілки) повторюються через 20 хв. - Період повного обороту антени.

У грудні 1932 р. Янський вже повідомляв про перші результати, отримані на своїй установці [6]. У статті повідомлялося про виявлення "... постійного шипіння невідомого походження", яке "... важко відрізнити від шипіння, що викликається шумами самої апаратури. Напрямок приходу шиплячих перешкод змінюється поступово протягом дня, роблячи повний оборот за 24 години". У двох своїх наступних роботах, у жовтні 1933 і жовтні 1935, Карл Янський поступово приходить до висновку, що джерелом його нових перешкод є центральна область нашої галактики [7]. Причому найбільший відгук виходить, коли антена спрямована на центр Чумацького Шляху [8].

Янський усвідомлював, що прогрес в радіоастрономії зажадає антен великих розмірів з більш гострими діаграмами, які повинні бути легко орієнтуються в різних напрямках. Він сам запропонував конструкцію параболічної антени з дзеркалом 30.5 м в діаметрі для роботи на метрових хвилях. Однак його пропозиція не отримала підтримки в США, і радіоастрономія зачахла [5].


3.2. Друге народження - Гроут Ребер

Меридіанний радіотелескоп Гроут Ребера

В 1937 Гроут Ребер, радіоінженер з Уетона ( США, штат Іллінойс) зацікавився роботою янського і сконструював у задньому дворі будинку своїх батьків антену з параболічним рефлектором діаметром 9,5 м. Ця антена мала меридіанний монтировку, тобто була керована лише по куту місця, а зміна положення пелюстки діаграми по прямому сходженню досягалося за рахунок обертання Землі. Антена Ребера була меншою, ніж у янського, але працювала на більш коротких хвилях, і її діаграма спрямованості була значно гостріше. У антени Ребера промінь мав конічну форму з шириною 12 за рівнем половинної потужності, у той час як у променя антени янського була веерообразная форма шириною 30 за рівнем половинної потужності в найбільш вузькому перерізі [5].

Навесні 1939 Ребер виявив на хвилі 1,87 м (160 МГц) випромінювання з помітною концентрацією в площині Галактики і опублікував деякі результати [9] [10].

Радіокарти небосхилу, отримана Гроут Ребер в 1944 р. [11]

Удосконалюючи свою апаратуру [12], Ребер зробив систематичний огляд неба і в 1944 році опублікував перші радіокарти небосхилу [11]. На картах чітко видно центральні області Чумацького Шляху і яскраві радіоджерела в сузір'ї Стрільця, Лебідь A, Кассіопея A, Великого Пса і Корми [13]. Карти Ребера досить гарні навіть у порівнянні з сучасними картами.

Після Другої Світової війни були зроблені суттєві технологічні поліпшення в області радіоастрономії вченими в Європі, Австралії і США. Таким чином почався розквіт радіоастрономії.


4. Класифікація радіотелескопів

Широкий діапазон довжин хвиль, різноманітність об'єктів досліджень в радіоастрономії, швидкі темпи розвитку радіофізики і радіотелескопостроенія, велике число незалежних колективів радіоастрономів привели до великої різноманітності типів радіотелескопів. Найбільш природно класифікувати радіотелескопи за характером заповнення їх апертури і за методами фазирования СВЧ поля ( рефлектори, рефрактор, незалежна запис полів) [14] :


4.1. Антени з заповненою апертурою

Антени цього типу схожі на дзеркала оптичних телескопів і є найбільш простими та звичними у використанні. Антени з заповненою апертурою просто збирають сигнал від спостережуваного об'єкту і фокусують його на приймачі. Записаний сигнал вже несе в собі наукову інформацію і не потребує синтезі. Недоліком таких антен є низька роздільна здатність. Антени з незаповненою апертурою можна розділити на декілька класів за формою їх поверхні і методу монтування.


4.1.1. Параболоїди обертання

Практично всі антени такого типу встановлюються на Альт-азимутальних монтування і є повноповоротні. Головною їх перевагою є те, що такі радіотелескопи можуть, як і оптичні, наводитися на об'єкт і вести його. Таким чином, спостереження можуть проводитися в будь-який час, поки досліджуваний об'єкт знаходиться над горизонтом. Типові представники: Радіотелескоп Грін-Бенк, РТ-70, Калязінський радіотелескоп.


4.1.2. Параболічні циліндри

Будівництво повноповоротних антен пов'язане з певними труднощами, пов'язаними з величезною масою таких конструкцій. Тому будують нерухомі і полуподвіжние системи. Вартість і складність таких телескопів росте набагато повільніше з їх зростанням розмірів. Параболічний циліндр збирає промені не в точці, а на прямій, паралельної його утворює (фокальна лінія). Через це телескопи даного типу мають несиметричну діаграму спрямованості і різний дозвіл з різних осях. Ще одним недоліком таких телескопів є те, що зважаючи обмеженою рухливості для спостереження їм доступна тільки частину неба. Представники: радіотелескоп Іллінойського університету [15], індійський телескоп в Уті [16].

Хід променів у телескопі Нансе

4.1.3. Антени з плоскими відбивачами

Для роботи на параболическом циліндрі потрібно, щоб на фокальній лінії було розміщено кілька детекторів, сигнал з яких складається з урахуванням фаз. На коротких хвилях це зробити непросто через великі втрат у лініях зв'язку. Антени з плоским відбивачем дозволяють обійтися лише одним приймачем. Такі антени складаються з двох частин: рухомого плоского дзеркала і нерухомого параболоїда. Рухоме дзеркало "наводиться" на об'єкт і відбиває промені на параболоїд. Параболоїд концентрує промені в точці фокусу, де розташовується приймач. Такому телескопу доступна тільки частина неба для спостережень. Представники: радіотелескоп Крауса [17], Великий радіотелескоп в Нансе [17].


4.1.4. Земляні чаші

Прагнення здешевити конструкцію привело астрономів до думки про використання природного рельєфу як дзеркало телескопа. Представником цього типу став 300-метровий радіотелескоп Аресібо. Він розташований в карстової воронки, дно якої вимощено алюмінієвими листами у формі сфероїда. приймач на спеціальних опорах підвішується над дзеркалом. Недоліком даного інструменту є те, що йому доступна область неба в межах 20 від зеніту.


4.1.5. Антенні решітки (синфазні антени)

Такий телескоп складається з безлічі елементарних опромінювачів (диполів або спіралей) розташованих на відстані меншій, ніж довжина хвилі. Завдяки точному керуванню фазою кожного елемента, вдається домогтися високої роздільної здатності та ефективної площі. Недоліком таких антен є те, що вони виготовляються під строго певну довжину хвилі. Представники: радіотелескоп БСА в Пущино.


4.2. Антени з незаповненою апертурою

Найбільш важливими для цілей астрономії є дві характеристика радіотелескопів: роздільна здатність і чутливість. При цьому чутливість пропорційна площі антени, а дозвіл - максимального розміру. Таким чином, найпоширеніші круглі антени дають найгірше дозвіл при тій же ефективної площі. Тому в радіоастрономії з'явилися телескопи з малою

Телескоп ДКР-1000, з незаповненою апертурою

площею, але великою роздільною здатністю. Такі антени отримали назву антен з незаповненою апертурою, так як вони мають "дірки" в апертурі, що перевершують довжину хвилі. Щоб отримати зображення з таких антен, спостереження потрібно проводити в режимі синтезу апертур. Для апертурного синтезу достатньо двох синхронно працюючих антен, розташованих на деякій відстані, яку називають базою. Щоб відновити зображення джерела, потрібно поміряти сигнал на всіх можливих базах з деяким кроком аж до максимальної [14].

Якщо антени всього дві, то доведеться проводити спостереження, потім міняти базу, проводити спостереження в такій точці, знову змінювати базу і т. д. Такий синтез називається послідовним. За таким принципом працює класичний радіоінтерферометра. Недолік послідовного синтезу полягає в тому, що він вимагає багато часу і не може виявити змінність радіоджерел на коротких часи. Тому найчастіше застосовується паралельний синтез. У ньому бере участь відразу багато антен (приймачів), які одночасно проводять вимірювання для всіх потрібних баз. Представники: "Північний хрест" в Італії, радіотелескоп ДКР-1000 в Пущино.

Великі масиви типу VLA часто відносять до послідовного синтезу. Однак, зважаючи на велику кількість антен, практично всі бази вже представлені, і додаткових перестановок звичайно не потрібно.

Радіотелескоп
антени із заповненою апертурою антени з незаповненою апертурою
паралельний синтез паралельний синтез послідовний синтез системи з незалежною
записом сигналів
рефлектори Рефрактори рефлектори Рефрактори рефлектори Рефрактори
- Параболоїди вращ.
- Сферичні чаші
- Антена Огайо
- Антена Нансі
- Синфазні полотна
- Циліндри
- Ант. "Клевер.ліст"
- Антена Хорнера
- АПП набл. в зен.
- Грати
- Хрести
- Кольц.ант. в Кулгуре
- АПП
- Перископічний інтерферометр
- Двухелем. інтерферометр
- Суперсінтез Райла
- система VLA

5. Список радіотелескопів

Розташування Тип антени Розмір Мінімальна робоча довжина хвилі
Сполучені Штати Америки США , Грін Бенк Параболічний сегмент з активною поверхнею 110x100 м 6 мм
Німеччина Німеччина , Еффельсберг Параболический рефлектор 100 м 7 мм
Британія Британія , Джодрелл Бэнк Параболический рефлектор 76 м 1.3 см
Україна Україна , Евпатория, РТ-70 Параболический рефлектор 70 м 1 см
Росія Росія , Калязинская радиоастрономическая обсерватория Параболический рефлектор 64 м 1 см
Росія Росія , Медвежьи Озера Параболический рефлектор 64 м 1 см
Австралія Австралія , Паркс Параболический рефлектор 64 м 7 мм
Японія Японія , Нобеяма Параболический рефлектор 45 м 1 мм
Італія Італія , Медичина Параболический рефлектор 32 м 1.3 см
Росія Росія , Светлое, РТФ-32 Параболический рефлектор 32 м 5 мм
Росія Росія , Зеленчукская, РТФ-32 Параболический рефлектор 32 м 5 мм
Росія Росія , Бадары, РТФ-32 Параболический рефлектор 32 м 5 мм
Іспанія Іспанія , Гранада Параболический рефлектор 30 м 1 мм
Пуерто-Ріко Пуерто-Ріко , Пуэрто-Рико, Аресибо Сферический рефлектор 300 м 10 см
Росія Росія , Зеленчукская, РАТАН-600 Антенна переменного профиля 588 м 3 мм
Росія Росія , Бадары, Сибирский солнечный радиотелескоп Массив антенн 128х128 элементов (крестообразный радиоинтерферометр) 622х622 м 5.2 см
Франція Франція , Нансі Двухзеркальный 2х40х300 м 11 см
Росія Росія , Пущино, ДКР-1000 Крест из двух параболических цилиндров 2х1000х40 м 2.5 м
Україна Україна , Харків, УТР-2 Система дипольных антенн, "Т" 1860х50 м, 90050 м 12 м
Індія Індія , Уті Параболічний циліндр 500х30 м 91 см
Італія Італія , Медічіна, "Північний хрест" "Т" з двох параболічних циліндрів 2х500х30 м 70 см
Росія Росія , Санкт-Петербург, Головна Астрономічна Обсерваторія РАН, Великий Пулковський Радіотелескоп Параболічний рефлектор 130х3 м [14] 2.3 см

Примітки

  1. Велика радянська енциклопедія - - СРСР: Радянська енциклопедія, 1978.
  2. Електромагнітне випромінювання
  3. Радіотелескоп / / Фізика космосу: Маленька енциклопедія - www.astronet.ru/db/FK86/ / Под ред. Р. А. Сюняева - 2-е вид. - М .: Рад. енциклопедія, 1986. - С. 560. - 783 с. - ISBN 524 (03).
  4. П. І. Бакулін, Е. В. Кононович, В. І. Мороз Курс загальної астрономії - М .: Наука, 1970.
  5. 1 2 3 Джон Д. Краус. Радіоастрономія - М .: Радянське радіо, 1973.
  6. Jansky KG Directional Studies of Atmospherics at Hight Frequencies. - Proc. IRE, 1932. - Т. 20. - С. 1920-1932.
  7. Jansky KG Electrical disturbances apparently of extraterrestrial origin .. - Proc. IRE, 1933. - Т. 21. - С. 1387-1398.
  8. Jansky KG A note on the source of interstellar interference .. - Proc. IRE, 1935. - Т. 23. - С. 1158-1163.
  9. Reber G. Cosmic Static. - Astrophys. J., June, 1940. - Т. 91. - С. 621-624.
  10. Reber G. Cosmic Static. - Proc. IRE, February, 1940. - Т. 28. - С. 68-70.
  11. 1 2 Reber G. Cosmic Static. - Astrophys. J., November, 1944. - Т. 100. - С. 279-287.
  12. Reber G. Cosmic Static. - Proc. IRE, August, 1942. - Т. 30. - С. 367-378.
  13. Кіп Торн. Чорні дірки і складки часу - М .: Видавництво фізико-математичної літератури, 2007. - С. 323-325. - 616 с. - ISBN 9785-94052-144-4.
  14. 1 2 3 Н. А. Есепкіна, Д. В. Корольков, Ю. Н. Парійський. Радіотелескопи і радіометри - М .: Наука, 1973.
  15. Радіотелескоп Іллінойського університету. - www.ece.illinois.edu/about/history/reminiscence/400ft.html
  16. Телескоп в Уті - rac.ncra.tifr.res.in / ort.html
  17. 1 2 Л. М. Гінділіс "SETI: Пошук позаземного розуму" - lnfm1.sai.msu.ru/SETI/koi/articles/lmg seti poisk/1.9.htm

Цей текст може містити помилки.

Схожі роботи | скачати

Схожі роботи:
Лавелл (радіотелескоп)
Марк 2 (радіотелескоп)
Еффельсбергскій радіотелескоп
Радіотелескоп МГТУ ім. Н. Е. Баумана
Грін-Бенк (радіотелескоп)
Very Large Array (радіотелескоп)
Сибірський сонячний радіотелескоп
© Усі права захищені
написати до нас
Рейтинг@Mail.ru