Результаты моделирования многолучевых диаграмм направленности и поля изображения ESMT в фокусе Кассегрена на волне 2–3 мм

Г. А. Макоев, В. Б. Хайкин

САО РАН, г. Санкт-Петербург, Россия

Оптимальные диапазоны работы Eurasian SubMM Telescopes (ESMT) [1] в РФ и Узбекистане — 100–350 ГГц, на Тибете — 100–1500 ГГц, а достижимое поле зрения составляет 10' × 10'. Как показало механическое и тепловое моделирование, выполненное EIE Group, диаметр антенны ALMA для проекта ESMT можно увеличить до 15 м, применив масштабирование конструкции, но, чтобы увеличить диаметр антенны до 21 м, требуется оптимизация оптической схемы и ферменного каркаса телескопа [2]. Для реализации широкого поля зрения 10' × 10' предложено применить многоволновые (многоцветные) KID матрицы предельной чувствительности с числом пикселей 104 [3]. Выполненное оптическое моделирование показало, что с третичной оптикой в составе двух/трех асферических зеркал достижимо число Штреля 0.6/0.9 на длине волны 0.86 мм на краю поля зрения 10' × 10' [1]. Коэффициент увеличения m = 3 такой антенной системы является оптимальным для согласования поля изображения с максимальным физическим размером матрицы KID камеры 125 × 125 мм и снижения в нем аберраций, включая кривизну поля изображения (КПИ). Это дает дифракционное изображение точечного источника, расположенного в дальней зоне телескопа с радиусом диска Эйри r = 3.1 мм на волне 0.86 мм [1]. Для волн короче 0.86 мм предложено применить более сложную оптическую систему с двумя асферическими зеркалами и корректирующей линзой из полимерного материала (полиметилпентен, ZEONEX и т. п.) или монокристаллического высокоомного кремния c полимерным просветляющим покрытием [1].

Цель данной работы — получить многолучевые двумерные ДН ESMT в диапазоне 2–3 мм и размер поля изображения в схеме Кассегрена с вторичным зеркалом d = 1.8 м и m = 10, что позволит оценить возможности использования малоформатных матриц в фокусе Кассегрена ESMT для антенных измерений и калибровочных наблюдений. Методом прямого интегрирования апертурного поля (IAF) с помощью быстрого алгоритма двумерного численного интегрирования в среде Matlab построены трехмерные и двумерные многолучевые ДН ESMT в поле зрения 10' × 10', которому соответствует размер поля изображения в фокусе Кассегрена 250 × 250 мм, что в 2 раза превышает максимально достижимый размер KID матрицы. При этом все полевые аберрации незначительны кроме КПИ, что требует искривления приемной матрицы данного и большего размера. Размер поля изображения с допустимой КПИ в фокусе Кассегрена ESMT на волне 2–3 мм составляет ±75–100 мм, что позволяет разместить плоскую приемную матрицу 7 × 7 элементов в волноводном исполнении с шагом 25 мм на волне 2 мм и 5 × 5 элементов с шагом 40 мм на волне 3 мм. Использование широкоформатных матриц с числом элементов 102 и более на волне 0.86 мм и короче требует применения 2-зеркальной асферической третичной оптики с линзой для оптического согласования поля изображения с физическим размером матрицы, исправления КПИ, коматической, астигматизма и других видов аберраций.

Литература

1. Хайкин В. Б., Шиховцев А. Ю., Шмагин В. Е. и др. О проекте евразийских субмиллиметровых телескопов (ESMT) и возможности применения адаптивной оптики для улучшения качества субмм изображений. Журнал радиоэлектроники. 2022. № 7. doi: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2022.7.9.
2. Marchiori G., Rampini F., Tordi M., et al. Towards the Eurasian submillimeter telescope (ESMT): telescope concept outline and first results // Ground-Based Astronomy in Russia. 21st Century, Proc. of the All-Russian Conf. held 21–25 September 2020, Nizhny Arkhyz. 2020. P. 378–383.
3. Duan R., Li Z., Zhang L., et al. KID based sub-millimeter instrument for Eurasian Sub-Millimeter Telescopes // Proc. All-Russian Conf. “Terrestrial astronomy in Russia. XXI century”, Nizhny Arkhyz. 2020. P. 384–389. doi: 10.26119/978-5-6045062-0-2_2020_384.