Диапазонный крестообразный радиотелескоп ДКР-1000

В 1958 г. был построен макет секции антенны «Восток — Запад» (Ю. П. Илясов, М. М. Тяптин), с помощью которого:

• была измерена эффективная площадь и параметры облучателя антенны в диапазоне частот 30‒120 МГц;
• были отработаны конструкции диполей и фидерных устройств облучателя антенны;
• было принято космическое радиоизлучение от калибровочных источников Кассиопея А (Cas A) и Лебедь А (Cyg A) на двухчастотном радиометре.

Изготовление и монтаж облучателя антенны «Восток — Запад» проводились в 1961‒1962 гг. Наладка электрического привода и радиотехнических систем этой антенны была закончена в 1963 г. Для каждой из её 35 секций было выполнено согласование с трактом во всем диапазоне частот, а также измерены эффективные площади на частотах 47 МГц и 110 МГц по калибровочным источникам.

Антенна «Восток — Запад» была введена в эксплуатацию в 1964 г. К 1967 г. на ней было установлено 18 усилительных пунктов для компенсации потерь в магистральных трактах (длина каждого тракта — 500 м). Тем самым, чувствительность данной антенны была увеличена почти на порядок, что позволило существенно расширить количество наблюдательных программ.

Антенна «Восток — Запад» использовалась как основной антенный элемент радиоинтерферометра с переменной базой, созданного сотрудниками ФИАН в 1971 г. для работы на частоте 85,5 МГц. Для выносного пункта была сконструирована передвижная антенна в виде синфазной решётки, состоявшей из 128 излучателей типа волнового канала. Сигнал, принятый на выносном пункте, и частота гетеродина приёмника этого пункта транслировались по радиорелейному каналу на основной пункт — к радиотелескопу ДКР-1000 ФИАН. Максимально достижимая база интерферометра определялась приёмо-передающими параметрами этого канала и составляла 30‒40 км в зависимости от трассы. На этом интерферометре были изучены структуры нескольких сот дискретных источников с разрешением в 20" на длине волны 3,5 м.

Во второй половине 1960-х гг. сотрудниками ПРАО были сооружены ещё две антенны метрового диапазона длин волн размерами около 250  м × 10 м каждая. Одна из них располагалась в районе г. Старица Тверской области, а другая антенна — на берегу Плещеева озера (г. Переславль-Залесский). Эти антенны предназначались для одновременных с антенной «Восток — Запад» ДКР-1000 наблюдений межпланетных мерцаний радиоисточников. Использование данных инструментов позволило впервые измерить скорость солнечного ветра на высоких гелиоширотах^[3].

В середине 1960-х гг. были предложены принципы электрического управления антенной системой «Север — Юг» на основе фазовращателей с релейным переключением кабельных задержек. В трактах фазируемых антенных решёток (ФАР) при рассогласовании возникают отражённые волны. При смене фазовой длины ветвей трактов они создают фазовые ошибки по элементам решётки и большие боковые лепестки диаграммы направленности (ДН) антенны. Для решения этой проблемы в трактах антенны «Север — Юг» были установлены гибридные кольца, в которых отражённые от элементов ФАР волны гасятся в поглощающей нагрузке. При этом не происходит снижения эффективной площади всей антенны.

Для антенны «Север — Юг» были разработаны система внутрисекционного сканирования и межсекционная система фазирования. В системе внутрисекционного сканирования секция антенны, облучаемая 16 вибраторами (в антенне 36 таких секций), управляется 7 фазовращателями. Диаграмма направленности секции перемещается в 32 дискретных положения с шагом около 3^º независимо от частоты. Межсекционная система фазирования позволяет фазировать сигналы от 36 секций^[4].

Антенна «Север — Юг» обеспечивала высокое разрешение по склонению и высокую скорость переустановки направления приёма космического радиоизлучения за счёт электрических систем фазирования антенны, подключённых к ЭВМ. Благодаря этому, открылись уникальные возможности для исследования радиолиний ионизированного углерода в метровом диапазоне длин волн. Результаты этих наблюдений составили важную часть работы по рекомбинационным радиолиниям (РРЛ), за которую Р. Л. Сороченко, И. И. Берулису, Л. Г. Содину, А. А. Коноваленко, Г. Т. Смирнову и др. была присуждена Государственная премия СССР 1988 г.^[5]

После завершения работ над диапазонной системой сканирования антенны «Север — Юг» и созданием рабочего образца многоканального корреляционного приёмника на диапазон частот 100‒110 МГц были выполнены пуско-наладочные работы по полному крестообразному включению радиотелескопа ДКР-1000 ФИАН. Они были завершены в 1985 г. При этом была сформирована трёхлучевая «карандашная» ДН с шириной луча 10' на длине волне 3 м, а также достигнута проектная чувствительность порядка 1 Ян.

Большая часть наблюдений на радиотелескопе ДКР-1000 ФИАН осуществляется при раздельном использовании его антенн. В частности, пульсары и дискретные источники наблюдаются, в основном, на антенне «Восток — Запад», а спектральные исследования проводились на антенне «Север — Юг» (в конце 1990-х гг. эта антенна была разрушена охотниками за цветным металлом, и с тех пор она не восстановлена).

• Рефлектор: параболический цилиндр (размеры 1000 м х 40 м) с механическим поворотом по углу места с фокусным расстоянием 14,5 м, поднятый над землёй на 37 мачтах на высоту 20 м.
• Облучатель: линейный из шунтовых широкополосных (30‒120 МГц) диполей, размещённых под контррефлектором.
• Поляризация: линейная (восток — запад).
• ДН (на частоте 100 МГц): 11' х 4,5º (соответственно в Е- и Н-плоскостях).
• Фидерная система: частотно-независимая с включением малошумящих усилителей.
• Эффективная площадь: ~8000 м² на частоте 60 МГц и ~6000 м² на частоте 100 МГц.
• Диапазон рабочих частот: 30‒120 МГц.
• Чувствительность: 6 Ян на частоте 40 МГц и 5 Ян на 60 МГц.

• Рефлектор: неподвижный параболический цилиндр (размеры 1000 м х 40 м) с фокусным расстоянием 14,5 м с 60-метровым разрывом в центре.
• Поляризация: линейная (восток — запад).
• ДН (на частоте 100 МГц): 11' х 4,5º (соответственно в Е- и Н-плоскостях).
• Фидерная система: частотно-независимая.
• Эффективная площадь: ~4000 м² на частоте 60 МГц и ~2000 м² на частоте 100 МГц.
• Диапазон рабочих частот: 30‒120 МГц^[9].

В конце 1964 г. на антенне «Восток — Запад» радиотелескопа ДКР-1000 ФИАН В. В. Виткевич и его коллеги начали регулярные наблюдения рассеяния Крабовидной туманности и некоторых других радиоисточников на неоднородностях околосолнечной плазмы, используя метод «просвечивания». С 1965 г. Виткевич и его сотрудники начали систематические наблюдения мерцаний компактных радиоисточников из-за рассеяния их излучения неоднородностями солнечного ветра и межпланетной плазмы.

Используя две специально сооружённые антенны (в Калининской, ныне Тверской, и Ярославской областях) меньших размеров, вместе с антенной «Восток — Запад», составившие треугольник со сторонами около 200 км, сотрудники Виткевича измерили направления и величины скорости солнечного ветра. Им впервые удалось измерить скорость солнечного ветра на сравнительно близких к Солнцу расстояниях и на высоких гелиографических широтах^[10].

Параллельно с изучением околосолнечной и межпланетной плазмы Виткевич проявлял интерес к исследованию дискретных источников радиоизлучения. В этой области в конце 1950-х — начале 1960-х гг. им были выполнены работы по интерпретации кембриджских подсчётов радиоисточников. Во второй половине 1960-х гг. на радиотелескопе ДКР-1000 ФИАН под руководством Виткевича были измерены плотности источников радиоизлучения каталога 3C (Третьего Кембриджского каталога радиоисточников) на нескольких длинах волн метрового диапазона^[11].

Виткевич внёс заметный вклад в исследования спектров излучения и структуры радиогалактик и квазаров. В 1965—1967 гг. под его руководством В. С. Артюх и Р. Д. Дагкесаманский измерили на антенне «Восток — Запад» радиотелескопа ДКР-1000 ФИАН плотности потоков излучения всех радиоисточников каталога 3C на частоте 86 МГц и проанализировали их спектры в диапазоне частот 86-1400 МГц. На основе полученных данных Дагкесаманский в 1968—1970 гг. впервые установил зависимость среднего спектрального индекса внегалактических радиоисточников низкочастотной выборки от их плотности потока. При этом он показал, что данная зависимость отражает эволюцию среднего спектрального индекса радиогалактик и квазаров с космологической эпохой.

С 1968 г. научная деятельность Виткевича была почти полностью сфокусирована на изучении пульсаров. Вскоре после их открытия в 1967 г. радиотелескоп ДКР-1000 ФИАН был оснащён необходимой приёмной аппаратурой для наблюдения этих астрофизических объектов. Для проведения регулярных наблюдений пульсаров Виткевич сформировал группу астрофизиков (Ю. И. Алексеев, В. Ф. Журавлёв, Н. С. Соломин, Ю. П. Шитов), благодаря работе которой были получены следующие научные результаты^[12]:

• найдены убедительные свидетельства в пользу вращательной модели пульсара, которая уже к середине 1970-х гг. стала общепризнанной;
• открыт первый «пущинский» пульсар PP 0943 (ныне PSR B0943+10), имеющий ярко выраженный «вспышечный» характер излучения;
• установлено, что вариации импульсов пульсаров с характерным временем порядка секунд вызваны явлениями в самих пульсарах, а не мерцаниями вследствие прохождения их излучения через неоднородную околосолнечную плазму;
• обнаружена высокая степень линейной поляризации радиоизлучения пульсара MP 0628, найдена величина фарадеевского вращения плоскости поляризации и получена оценка продольной составляющей напряжённости межзвёздного магнитного поля;
• выявлены основные параметры неоднородностей межзвёздной плазмы на основе исследования характеристик мерцаний пульсаров и др.

В 1978 г. в обсерватории Джодрелл-Бэнк (Англия) была зафиксирована РРЛ возбуждённого водорода с n = 301. В поисках ответа на вопрос, могут ли существовать РРЛ с ещё более высоким уровнем возбуждения, сотрудниками РАС ФИАН под руководством Сороченко были развёрнуты работы по поиску радиолиний при n > 400 c частотами, приходящимися на метровый диапазон. Для этого была использована антенна «Север — Юг» радиотелескопа ДКР-1000 ФИАН.

В 1983 г. радиоастрономам ФИАН (группа Р. Л. Сороченко) и ГАИШ МГУ (группа Е. Е. Лехта) с помощью антенны «Север — Юг» впервые в мире удалось обнаружить радиолинии в направлении на мощный источник низкочастотного радиоизлучения Кассиопея А, но не водорода, а углерода: С 427α (λ = 3,56 м), C 486α (λ = 7,12 м), C 528α (λ = 7,12 м) и С 612β (λ = 3,56 м). В 1989 г. в спектре этого источника сотрудниками группы Сороченко совместно с сотрудниками группы Лехта была зарегистрирована радиолиния поглощения атома углерода С 478β^[13].