Способ исследования атмосферы Солнца и устройство для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК G01J7/00 

Изобретение относится к астрофизическим измерениям и может быть использовано для исследования физических условий в атмосфере Солнца.

Известен способ измерения лучевой скорости, основанный на использовании теллурических спектральных линий в качестве спектральных реперов 1. Поскольку собственные смещения теллурических линий незначительны, а смещения инструментального происхождения такие же, как для линий солнечного спектра, то становится возможным учесть внутренние шумы спектрографа. Однако применение метода жестко ограничено теми участками спектра, где имеются близко расположенные теллурические и солнечные линии. Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ, по которому для измерения

дифференциальной лучевой скорости изображение Солнца раздваивают и модулируют пространственное положение разнополяризованных спектральных компонент 2. При этом за счет подавления внутренних шумов спектрографа достигается высокая чувствительность измерения лучевых скоростей, недоступная пока другим методам. Однако при этом стараются использовать немагниточувствительные спектральные линии для того, чтобы избежать погрешностей, вносимых расщеплением и поляризацией последних в магнитном поле. Подавляющее большинство спектральных линий солнечного спектра являются магни- точувствительными (т.е. подвержены зффек- ту Зеемана). Из нескольких десятков тысяч набирается всего около сотни линий, не расщепляющихся в магнитном поле. Поэтому

VJ

4 (Л

i

со

не всегда в нужном участке спектра можно подобрать немагнитную линию, удовлетворяющую наблюдателя (отсутствие бленд, симметричный контур, нужная глубина образования и т.д.). Если этим способом измерять дифференциальную скорость по магниточувствительной линии, то измерения будут подвержены влиянию магнитного поля, так как форма и поляризация результирующего контура такой линии вследствие расщепления сильно зависит от величины и направления магнитного поля. В итоге вынуждены ограничиться в измерениях дифференциальной лучевой скорости использованием немагнитных спектральных линий, что сужает возможности метода. Кроме того, отсутствие данных о магнитном поле снижает информационную ценность измерений дифференциальной лучевой скорости.

Целью изобретения является повышение точности измерений и расширение функциональных возможностей метода.

Цель достигается тем, что по способу измерения дифференциальной лучевой скорости, основанному на поляризационном раздвоении изображения, модуляции пространственного положения спектральных компонент и фотоэлектрической регистрации колебаний интенсивности, дополнительно осуществляют низкочастотную модуляцию циркулярной поляризации солнечного света. При этом в крыле магниточувст- вительной спектральной линии дополнительно регистрируют фазомодулиро- ваннуго составляющую сигнала, по которой судят о величине и знаке средней напряженности магнитного поля, регистрируют составляющую с постоянной фазой, по которой судят о дифференциальной лучевой скорости.

Цель достигается также чем, что в устройство, содержащее поляризационную призму, модулятор пространственного положения спектральных компонент, спектрограф, последовательно соединенные фотоэлектрический фотометр, синхронный детектор сигнала дифференциальной скорости, задающий генератор, соединенный с модулятором, введены электрооптический модулятор циркулярной поляризации солнечного излучения, оптически связанный с поляризационной призмой и ориентированный так, что его индуцированные оси составляют угол 45° с направлением раздвоения лучей в поляризационной призме, дополнительный синхронный детектор, переключатель фазы опорного сигнала и делитель частоты, при этом делитель низкой частоты соединен с входом электрооптического модулятора циркулярной поляризации и с управляющим входом переключателя фазы опорного сигнала, входы которого соединены с противофазными выходами задающего генератора, а выход - с управляющим входом дополнительного синхронного детектора.

Способ осуществляют следующим образом. Вследствие эффекта Зеемана в солнечном свете могут присутствовать лучи в левой и правой круговой поляризацией. С помощью модулятора циркулярной поляризации поляризованные по кругу а-и

компоненты зеемановского расщепления спектральной линии превращают в ортогональные линейно-поляризованные таким образом, чтобы их поляризация совпала с направлением поляризации раздвоенных

изображений. Частоту модуляции циркулярной поляризации Q выбирают из условия

- Q о) , где со - частота модуляt

ции пространственного положения спект- ральных компонент; т - постоянная интегрирования сигнала. При одной фазе модулирующего напряжения частоты Q от элемента А через входную щель спектрографа проходят лучи а -компоненты, а от элемента В - а -компоненты. При другой

фазе от элемента А проходят лучи а -компоненты, соответственно от элемента В лучи а -компоненты. При этом регистри- руют в крыле магниточувствительиой линии колебания интенсивности на частоте а). В общем случае (наличие поля и дифференциальной скорости) сигнал на частоте ы содержит две составляющие: Sv и SH, где Sv - сигнал дифференциальной скорости, его фаза не зависит от Ои связана со знаком дифференциальной скорости; SH - сигнал, фаза которого периодически с частотой Q меняется на противоположную, а амплитуда про- порциональна величине средней напряженности магнитного поля в элементах А и В.

При отсутствии магнитного поля. т.е.

при НА Нв 0, модулятор циркулярной поляризации не оказывает никакого влияния на световой пучок, так как в этом случае он полностью неполяризован, и фазомоду- лирующая составляющая в сигнале отсутствует. Как в этом, так и во всех других случаях сигнал дифференциальной лучевой скорости образуется тем же путем, что и в прото- типе. Регистрацию SH осуществляют, выделяя фазомодулирующую составляющую сигнала на частоте ш , по знаку и амплитуде которой судят о направлении и величине средней напряженности магнитного поля.

Регистрацию сигнала Sv осуществляют, выделяя составляющую сигнала ш с постоянной (не зависящей от Q) фазой. Если бы модуляция циркулярной поляризации отсутствовала, то отличить две составляющие было бы невозможно, поскольку они были бы либо в фазе, либо в противофазе в зависимости от направления поля и знака дифференциальной скорости.

Расщепление спектральной линии и ее поляризация влияли бы на измерения диф- ференциальной скорости через искажение суммарного контура. В нашем случае мы имеем дело с отдельными ст-компонента- ми, контуры которых не искажены, а поляризация преобразуется направленным образом.

На чертеже представлена схема устройства, реализующего предлагаемый способ, где 1 -электрооптический модулятор циркулярной поляризации, 2 - поляризационная призма, 3 - входная щель спектрографа, 4 - электрооптический модулятор пространственного положения спектральных компонент, 5 - дифракционный спектрограф, 6 - фотоэлектрический фотометр, 7 - синхрон- ный детектор сигнала дифференциальной лучевой скорости, 8 - синхронный детектор сигнала магнитного поля, 9 - задающий генератор частоты, 10 - делитель частоты, 11 - переключатель фазы опорного сигнала,

Электрооптический модулятор 1 циркулярной поляризации представляет собой фазовый модулятор, выполненный на основе ДКДР, кристалла Z-среза, ориентирован- ный так, чтобы индуцированные оси составляли угол 45° с направлением поляризации лучей в призме 2, Поляризационная призма 2 дополнена четвертьволновой фазовой пластиной, превращающей линейную поляризацию выходящих лучей в круго- вую. Электрооптический модулятор 4 пространственного положения спектральных компонент электрически связан с задающим генератором 9 частоты со , а модулятор 1 поляризации соединен с дели- телем 10 частоты и управляется частотой

Q - , где п - коэффициент деления, При

выборе частота и Q исходят из следующих практическихтребований:для того.,чтобы из- бежать влияния высокочастотных составляющих атмосферных нестабильностей, частота (О выбирается в интервале 1-3 кГц, обычно п 10. Форма управляющих

сигналов прямоугольная, вида меандр. Амплитуда должна быть достаточной для создания знакопеременного четвертьволнового фазового сдвига. Для ДКДР эта величина составляет ± 1800 В В качестве делителя 10 частоты можно использовать любое пересчетное устройство, дополнив его высоковольтным выходным каскадом.

Устройство работает следующим образом.

При подаче управляющего сигнала частоты а) на модулятор 4 пространственного положения и частоты Q на модулятор 1 циркулярной поляризации при условии, что дифференциальная скорость в элементах А. В не равна нулю, на выходе фотометра 6 появляется сигнал на частоте (О . Его фаза определяется знаком дифференциальной скорости и не зависит от работы модулятора 1, Сигнал дифференциальной скорости Sv накапливается и выделяется с помощью синхродетектора 7, на управляющие входы которого подается от генератора 9 опорный сигнал неизменной фазы. Этот же самый сигнал на синхродетекторе 8 дает нулевой

вклад за период-гл , так как через половину

периода опорный сигнал ча синхродетекторе 8 меняет фазу на обратную при помощи переключателя 11 фазы, При наличии в элементах А, В магнитного поля в одну фазу напряжения на модуляторе 1 через входную

щель спектрографа проходят а -компонента от элемента А и о -компонента от элемента В. В другую фазу картина меняется на обратную. Это приводит к тому, что поляризация спектральных компонент на входе спектрографа меняется на ортогональную, а следовательно, фаза сигнала на частоте со меняется на 180° в такт с работой модулятора 1. Этот сигнал, называемый фа- зомодулированным, на синхродетекторе 7

дает нулевой вклад за период -о , и напротив, копится синхродетектором 8, опорный сигнал которого меняет фазу в такт с входным сигналом.

Таким образом, за счет привлечения магниточувствительных линий к измерениям дифференциальной скорости увеличивается диапазон возможностей метода.

Кроме того, с использованием настоящего предложения удается одновременно измерить дифференциальную лучевую скорость и напряженность магнитного поля. Поскольку при этом используется только одна спектральная линия и только один фотометр, то в измерениях отсутствуют погрешности, связанные с различием контуров спектральных линий и разной чувствительностью фотометров.

Формула изобретения

1.Способ исследования атмосферы Солнца, включающий поляризационное раздвоение изображения Солнца, модуляцию пространственного положения спектральных линий, фотоэлектрическую регистрацию колебаний интенсивности в крыле спектральной линии, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения функциональных возможностей метода, дополнительно осуществляют низкочастотную модуляцию циркулярной поляризации излучения Солнца, при этом в крыше магниточувствительной спектральной линии регистрируют фазовомодули- рованную составляющую сигнала, по которой судят о величине и знаке средней напряженности магнитного поля атмосфе- ры Солнца, регистрируют составляющую с постоянной фазой, по которой судят о дифференциальной лучевой скорости.

2,Устройство для исследования атмосферы Солнца, содержащее поляризацион- ную призму, модулятор пространственного положения спектральных компонент, спектрограф, последовательно соединенные фотоэлектрический фотометр, синхронный детектор сигнала дифференциальной скорости и задающий генератор, соединенный с модулятором, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений и расширения функциональных возможностей, оно дополнительно содержит электрооптический модулятор циркулярной поляризации излучения Солнца, оптически связанный с поляризационной призмой и ориентированный так, что его индуцированные оси составляют 45° с направлением раздвоения лучей в поляризационной призме, дополнительный синхронный детектор, переключатель фазы опорного сигнала и делитель частоты, при этом выход делителя частоты соединен с входом электрооптического модулятора циркулярной поляризации и с управляющим входом переключателя фазы опорного сигнала, входы которого соединены с противофазными выходами задающего генератора, а выход - с управляющим входом дополнительного синхронного детектора, при этом выход задающего генератора соединен с входом делителя частоты.

Использование: астрофизика, экспериментальные исследования атмосферы Солнца. Сущность изобретения: осуществляют модуляцию поляризации солнечного света, а в выходном сигнале фотометра регистрируют две составляющих, одна из которых имеет постоянную фазу и связана с дифференциальной лучевой скоростью, а другая меняет фазу с частотой модуляции поляризации и связана со средней величиной продольной напряженности магнитного поля. Таким образом, кроме возможности измерять дифференциальную лучевую скорость в любом участке солнечного спектра метод обеспечивает одновременные измерения двух параметров с помощью одного фотометра. 2 с.п. ф-лы, 1 ил. fe