Мозаичный охлаждаемый оптико-электронный преобразователь для телескопа

Одним из основных направлений развития астрономических телескопов как наземного, так и космического базирования является увеличение проницающей способности: максимально возможной звёздной величины наблюдаемого объекта. Повысить её можно за счёт увеличения диаметра входного зрачка телескопа, чувствительности фотоприёмников и времени накопления сигнала. Рост первых двух параметров ограничен физическими пределами и техническими ограничениями. Поэтому максимизируем время накопления. Описанный путь также содержит в себе трудности: проблема точной стабилизации телескопа по угловым скоростям и появление значительного темнового сигнала при больших временах накопления (десятки и сотни секунд), необходимых для съемки звезд с величинами +20 и более [1]. Большой темновой сигнал способен полностью заполнить зарядовую яму пикселя ПЗС-матрицы и значительно зашумляет изображение. Парировать это можно глубоким охлаждением ПЗС-матриц (фотоприемников), что реализовано во многих крупных телескопах как наземного (J-Pas, Magellan), так и космического базирования (Gaia, Euclid).
Рассмотрим типовую скорость накопления темнового сигнала в пикселе 8000 электронов/с при температуре 293 К. По оценкам, для времени накопления 20 с и охлаждении ПЗС-матриц с +20С до минус 40 С темновой сигнал упадет с 160 тысяч до 290 электронов, а СКО шума темнового уменьшится с 400 до 17 электронов. Дальнейшее охлаждение до минус 100 С сократит темновой сигнал до 1 электрона при времени накопления полчаса.
В НПП «ОПТЭКС» проработан облик охлаждаемой фокальной плоскости на основе кадровых фотоприемников. Существующие образцы как наземного, так и космического базирования имеют рабочую температуру -120…-70 С, что, как правило, достигается применением жидкого азота в системе охлаждения [2]. Поэтому температура -100 С (173 К) принята как рабочая в прорабатываемом НПП «ОПТЭКС» оптико-электронном преобразователе (ОЭП) со сборной фокальной плоскостью-«мозаикой». Имеют место следующие проблемы:
• Выбор принципа охлаждения фотоприемных матриц;
• Теплоизоляция основания фокальной плоскости;
• Специфические требования к фотоприемнику.

Рассмотрим каждый из этих вопросов подробнее. Совместно с АО «НПП «ЭЛАР» проработан кадровый ПЗС-фотоприёмник (матрица) с размером пикселя 15 мкм и форматом 2048*2048 пикселей со следующими особенностями:
• Минимальное значение темнового сигнала и шума считывания;
• Реализация полнокадрового считывания в два переключаемых выхода: малошумящий и высокоскоростной (частота считывания 1 и 12 МГц соответственно);
• Возможность работы в вакууме;
• Минимальное расстояние между фотозонами соседних матриц в сборке;
• Возможность замены матрицы в фокальной плоскости без снятия соседних: установка в фокальную плоскости не на клей, а «сухая посадка» на два штифта;

Сборные фокальные плоскости могут быть применены в телескопах как для съёмки очень тусклых объектов с большим временем накопления, так и для наблюдения за космическим мусором на околоземной орбите. Если в первой задаче приоритетно обеспечение низких шумов, то во второй для прогноза орбитального движения объектов требуется относительно высокая кадровая частота (0,5…1 кадр/с). Для обеспечения универсальности фотоприёмник разрабатывается с двумя переключаемыми выходными устройствами, каждое из которых способно считывать полный кадр. Основание «мозаики» вместе с фотоприемниками размещается в вакуумированом объеме ОЭП, что исключает конвективные теплопритоки при работе в наземном телескопе. Отметим, что фотоприемники устанавливаются не на само основание напрямую, а рядами на линейки-держатели, что позволяет избежать снятия периферийных матриц при замене центральных. Фотозона ОЭП состоит из 49 матриц (7*7) и имеет общий размер 225,7*247,32 мм. Расстояние между фотозонами соседних матриц составляет 1,78 мм по одной оси и 5,38 по второй, что позволяет достичь коэффициента заполнения (fill factor) 0,828.
Охлаждение фотоприёмников осуществляется холодным газообразным азотом, протекающим по трубкам коллектора. Сеть трубок устанавливается на основание фокальной плоскости, а на нее, в свою очередь, монтируются линейки-держатели матриц. Температура фокальной плоскости управляется двумя способами: изменением сечения трубки вентилем и, для наземного образца, мощностью нагревателя жидкого азота в сосуде Дьюара (азотного питателя). Достигнутая неравномерность температуры по полю фокальной плоскости не превышает ±5 К.
Все 7 держателей матриц устанавливаются на общее основание и соединяются с коллектором системы охлаждения. Минимизация термосопротивления на переходе «линейка-коллектор» обеспечивается точной притиркой поверхностей и стягивающими винтами. Термопасты не применяются, так как их поведение при криогенных температурах и отсутствии атмосферы труднопредсказуемо.
По результатам проведённой проработки показано, что создание мозаичных фокальных плоскостей на основе охлаждаемых фотоприёмников принципиально решаема с применением только отечественных комплектующих. Отметим, что реализация азотного охлаждения с доведением рабочей температуры фокальной плоскости до минус 100 С усложняет конструкцию ОЭП и его применение в составе телескопа, значительно увеличивает массу и габариты аппаратуры. Это порождает необходимость проведения дополнительных работ по уточнению рабочей температуры, достаточной для выполнения целевых задач.