Параболические рефлекторы
 





Параболические рефлекторы


Сохраните себе на страницу:





Принцип действия параболического рефлектора практически ничем не отличается от такого же устройства в оптике. Напомним, что параболическая форма придается зеркалу для того, чтобы отраженный от него параллельный пучок света собрался в фокусе. С помощью сферического зеркала собрать широкие пучки в общий для всех лучей фокус невозможно; фокус размывается в кружок. Этот недостаток называется сферической аберрацией зеркала; присущ он и простым линзам.

Рассмотрим действие параболические рефлекторы подробнее. Пусть у нас есть параболический рефлектор идеальной формы. Тогда в его фокусе соберутся в одной и той же фазе все отраженные лучи пучка, падающего строго вдоль оси рефлектора. Теперь направим на него тоже параллельный пучок света, но идущий под некоторым, пусть небольшим, углом к оси зеркала. Отраженные лучи теперь пройдут мимо фокуса и вообще не пересекутся в одной точке. Но тем не менее точки пересечения каждой пары лучей займут небольшой объем вблизи фокуса. Чем больше отклонение пучка от оси рефлектора, тем больший объем займут эти точки пересечения, т. е. тем больший разнобой будет в фазах волн в каждой точке.

Отсюда следует, что наилучшее собирание лучей в возможно меньший объем и согласование их по фазе можно осуществить только для пучка, идущего вдоль оси рефлектора. А это означает, что если направить на параболическое зеркало излучение со всех сторон, то оно выберет из него и сведет в фокус только тот пучок излучения, который идет вдоль его оси.

Однако сделать принимаемый пучок очень узким нельзя даже в принципе. Все дело в волновой природе излучения, точнее — в явлении дифракции. Онисанная выше картина отражения от идеального рефлектора была бы правильной, если бы лучи распространялись строго по прямым линиям. В действительности электромагнитные волны, как и волны любого типа, могут огибать препятствия, отклоняясь от прямолинейного распространения,— это и есть дифракция.

Если размер препятствия много больше длины волны, то дифракция не очень заметна. Если же размер препятствия становится сравнимым, хотя и большим длины волны,— дифракция становится существенной. Наконец, если размер препятствия меньше длины волны, то волна как бы не «замечает» препятствия.

Дифракция приводит к тому, что параболический рефлектор собирает в фокус не только излучение, идущее строго вдоль его оси, но и излучение, распространяющееся под некоторым углом к оси, и даже, как это ни странно на первый взгляд, излучение, попадающее на обратную сторону рефлектора! (Это излучение, испытывая дифракцию на краях рефлектора и отражаясь затем от его поверхности, попадает в его фокус.)

Явление дифракции проявляется в любом рефлекторе, в любом диапазоне длин волн. Только із оптике, где длины волн очень малы (лямбда ~ 10"7 м), а диаметры телескопов могут быть сделаны достаточно большими — в несколько метров — ее влияние не так сильно «портит» рефлектор. В радиодиапазоне, где длина волны измеряется сантиметрами и даже метрами, а диаметр радиотелескопов не больше нескольких десятков метров, роль дифракции очень велика.

Дифракция, в частности, приводит и к тому, что излучение, падающее на рефлектор вдоль его оси, собирается не в одной точке — в фокусе, а в некоторой области, размеры которой имеют порядок длины волны. В оптике эту область называют фокальным пятном. Излучение, идущее под некоторым углом к оси, тоже может, по крайней мере частично, собираться в этой же области. А это означает, что мы теперь не можем отличить радиоволны, идущие вдоль оси рефлектора, от радиоволн, идущих под некоторым небольшим углом к этой оси.

Поэтому каждый рефлектор характеризуется разрешающей силой — способностью различать излучения, идущие под разными углами. Так как размер фокального пятна примерно равен длине волны, то угол в радианах между двумя направлениями излучения, которые еще можно различать, должен быть больше отношения длины волны X к диаметру рефлектора D. Иными словами, два источника космического излучения можно разделить, если угловое расстояние между ними больше

Параболические рефлекторы

 

Эти соображения и формулы для разрешающей способности справедливы для всех телескопов, в частности, и для синфазных антенн. Сказанное следует из принципиальных свойств электромагнитного излучения, а отнюдь не связано с недостатками конструкции радиотелескопов. При неудачной конструкции телескопа можно значительно ухудшить его разрешающую способность по сравнению с теоретическим пределом, но улучшить ее по сравнению с (34) при тех же размерах телескопа никогда не удастся.

Параболические рефлекторы

 

Галактики, а не интенсивное излучение Солнца, идущее в очень небольшом угловом интервале. Разрешающая способность первых антенн была очень малой.

Итак, первая и одна из главных задач при создании радиотелескопов сводится к максимальному повышению разрешающей способности, т. е. к получению минимального возможного угла. Это можно сделать либо путем выбора малой длины волны X, либо путем увеличения размеров радиотелескопов.

Проще, конечно, взять небольшую длину волны. Казалось бы, поэтому «сантиметровая» радиоастрономия может дать больше информации, чем «метровая». В какой-то мере это так, но на самом деле положение сложнее. Во-первых, в выборе длин волн мы ограничены: они могут определяться объектом исследования, так что нельзя будет произвольно выбрать диапазон. Например, корону и нетепловое излучение Галактики можно исследовать только на метровых или дециметровых волнах и переход в сантиметровый диапазон, несмотря на улучшение разрешающей способности, ничего не даст. Во-вторых, с уменьшением длины волны увеличиваются требования к качеству поверхности радиотелескопа. Остановимся на этом подробнее.

Как известно, если на зеркале есть царапины, вмятины и другие дефекты, то изображения очень портятся. Чем больше размер этих дефектов, тем хуже. С другой стороны, небольшие дефекты не могут заметно испортить изображение. Например, если размер дефектов в десять раз меньше длины волны, то они практически совсем не влияют на изображение, создаваемое зеркалом или линзой. Таким образом, если в зеркале рефлектора, предназначенного для отражения метровых волн, проделать дырки диаметром до 10 см, то рефлектор от этого не испортится. А это означает, что его вообще можно сделать из проволочной сетки при условии, что размер ее ячеек будет не больше, скажем, 10 см. В связи с этим напомним, что для того, чтобы заэкранироваться от света, нужен сплошной экран, а от радиоволн экранирует простая сетка.

Возможность изготовления радиотелескопа из сетки очень его удешевляет — в особенности потому, что вес такого телескопа меньше, чем сделанного в виде сплошного зеркала, а следовательно, проще становится и система вращения телескопа. Но на сантиметровых волнах эта выгода исчезает — легче сделать сплошную поверхность, чем сетку с диаметром ячеек около миллиметра. Кроме того, точность обработки этой поверхности и крепления сетки на каркасе тоже должна быть не хуже, чем в миллиметр.

И наконец, в-третьих, приемники сантиметровых волн построить сложнее, чем на метровые волны. Все же несмотря на все эти недостатки сантиметрового диапазона, выгоды, даваемые большей разрешающей способностью, очень велики. Наиболее интересные результаты исследований последнего времени были получены именно в сантиметровом и дециметровом диапазонах.

Параболические рефлекторы

 

Самый лучший вариант — это постройка телескопа с большим диаметром, поверхность которого пригодна для работы на всех длинах волн радиодиапазона.

 

 

 

 

 Рис. 7. Австралийский радиотелескоп диаметром 65 м. Он рассчитан на волну 21 см и более длинные, но может работать с меньшей площадью и на волне 6 см. Этот телескоп может принять радиоизлучение из любой точки неба, находящейся более чем на 30° выше горизонта. Чаша телескопа весит 300 т.

 

Но с увеличением диаметра телескопа стоимость его возрастает как третья степень размера, если не еще быстрее. Значительно увеличиваются и технические трудности изготовления телескопа. Поэтому этот лучший вариант, к сожалению, пока часто остается мечтой.

Параболические рефлекторы

 

Рис. 8. Внутренний вид чаши 65-метрового австралийского телескопа. Сплошная металлическая поверхность имеет диаметр 17 м. Над ней стальная сетка. Фокусное расстояние (высота кабины над чашей) — 26,5 м. В этой кабине помещается приемник излучения.

Большой диаметр параболические рефлекторы дает не только выигрыш в разрешающей способности — он позволяет увеличить и чувствительность телескопа. Чем больше площадь рефлектора, тем больший поток радиоизлучения в данном направлении он собирает, тем более слабые потоки излучения им можно регистрировать.

 

Параболические рефлекторы

 

Рис. 9. Вид с обратной стороны чаши 92-метрового американского телескопа. В отличие от телескопа на рис. 7 этот инструмент не вращается по азимуту. Сего помощью можно наблюдать радиоизлучение только в узкой полосе вдоль меридиана, начиная от северного полюса небесной сферы через зенит и кончая высотой 30° над южной точкой горизонта. Благодаря вращению Земли любая точка северного полушария небесной сферы и части ее южного полушария, расположенной между экватором и малым кругом, отстоящим от него на 21°, может наблюдаться в тот момент, когда она пересекает меридиан. Это позволило удешевить этот радиотелескоп (он стоит «всего лишь» 830 000 долларов). Весь телескоп весит 550 т.

Кстати, на вопрос, зачем нужны телескопы большого диаметра, часто отвечают: чтобы собрать электромагнитные волны с большой площади. Это, конечно, верно: для оптических телескопов Однако у очень больших радиотелескопов (пока таких радиотелескопов еще нет) слишком большая чувствительность будет даже мешать. В самом деле, с увеличением чувствительности радиотелескоп начинает принимать радиоизлучение от все более слабых, но зато все более и более многочисленных источников. При этом оказывается, что число слабых источников, излучение которых попадает в диаграмму направленности, не уменьшается, несмотря на соответствующее улучшение разрешающей способности при увеличении размера антенны, а может даже возрастать. В результате высокая разрешающая способность окажется неиспользованной, и придется искусственно уменьшать чувствительность. Это явление называется эффектом насыщения.

Автор: С. А. Каплан

Название книги: Элементарная радиоастрономия

Город: Москва

Год: 1966

 





Рефераты, шпаргалки, доклады, контрольные, книги и прочие учебные материалы
 

Сайт полезен тем, кто учится!