Начало

Около него собрался коллектив сподвижников: Иосиф Николаевич Бернштей, Владимир Николаевич Мансуров и другие люди, которые были увлечены такой красивой идеей. Это было время счастливого поиска неизвестного. К решению этой задачи подключились талантливые сотрудники обсерватории, такие как Эдуард Александрович Витриченко, Георгий Николавевич Алексеев, Виктор Леонидович Афанасьев, Григорий Самойлович Царевский, Григорий Меерович Бескин, братья Семён Аронович и Лев Аронович Пустильники, Анатолий Михайлович Богудлов, Олег Евсеев, Станислав Игнатьевич Синянский, Борис Иосифович Левитан. Работы проводилсь в подразделении и при сильной заинтересованности Игоря Дмитриевича Караченцева. Вклад каждого был незаменим в том интеллектуальном порыве. Развиваемое направление исследований получило название эксперимент МАНИЯ (Многоканальный Анализ Наносекундных Изменений Яркости). В нём отмечался экспериментальный характер самой работы, а не возможность проводить эксперименты во Вселенной.

В качестве светорегистрирующих приборов, которые как-то могли решить проблему, первые годы использовались электрофотополяриметр, разработанный Г.С Царевским и одноканальный электрофотометр ЭФИР, созданный В.Л. Афанасьевым, работающие в режиме счёта фотонов. Пока не было аппаратуры для приёма данных, пытались применить бытовой магнитофон, в записях которого надеялись на слух обнаружить избыток коротких интервалов по изменению тональности дробового тона от фотонов. Потом применяли анализатор импульсов АИ-256, полученный от физиков-ядерщиков. Но тонкие эффекты от быстрой переменности в пуассновских потоках получаемых фотоотсчётов этими средствами не наблюдались.

ПВКА и Стробируемый Индикатор Реального времени

Полноценные наблюдения начались только с получением Преобразователя Время-Код-Аналог, разработанного специально для задач поиска ЧД Якушевым в Минском институте физического приборостроения. Он позволял измерять интервалы времени между зарегистрированными квантами, сохранять во внутренней кольцевой памяти. В наше время такая организация памяти называется FIFO. Память состояла из четырех 24х разрядных слов и считывалась вычислительной машиной ЭВМ М-222, где полученные отсчёты накапливались на магнитной ленте и были доступны для последующей обработки. Аналоговый режим был предусмотрен для возможности рассмотрения распределения длительностей интервалов на экране осциллографа, пока отсутствовали их запись и анализ в ЭВМ. Впервые наблюдательные данные стали как бы замораживаться в памяти вычислительной системы. Основной метод обработки данных заключался в получении распределений массивов накопленных интервалов между квантами по длительностям и сопоставнении их с такими же распределениями от звезды сравнения или теоретически ожидаемыми. Вначале для получения этих распределений использовался алгоритм классического просева, оптимизированный с
учётом специфики этих распределений. Затем В.Л. Плохотниченко нашел алгоритм, основанный на особенностях системы машинных команд ЭВМ М-222, что позволило за одну операцию вычислять номер “ячейки” гистограммы, в которой надо учесть данный интервал. Время обработки сократилось в два раза. Этот алгоритм был модифицирован для различных архитектур вычислительных машин и используется в разных модификациях при обработки данных до сих пор.

Первые же полноценные накопления потоков отсчётов от звёзд показали, что искомая переменность находится у них у всех!!! В диапазоне от 2 до 20 мкс наблюдается большой, ~10% от общей суммы, избыток коротких интервалов, вызванный вторичной электронной эмиссией. Но он гасится, если рассматривать потоки отсчётов, начало которых положено квантом, зарегистрированным одним фотоэлектронноым умножителем, а конец, другим. Или наоборот. Стало ясно, что эффект образуется в самой фотоприемной аппаратуре. И свёл его к минимуму, ~0.1%, Алексей Алексеевич Пимонов, оптимизировавший распределение напряжений на динодах ФЭУ. Возможно, обнаружение этого эффекта было первым полезным применением принципа накопления индивидуальной информации о каждом зарегистрированном фотоне.

Попытки наблюдений пульсара в Крабовидной Туманности показали, что регистрировать надо не интервалы, а времена прихода квантов, так как из-за сбоев некоторые отсчёты терялись и сбивалась фаза периодического процесса. И такой прибор был создан опять же А.А. Пимоновым. Он назывался Стробируемый Индикатор Реального Времени. Организация памяти там тоже была типа FIFO. Подключили его к ЭВМ М-222 по идее Бориса Иосифовича Левитана вместо одного из магнитофонов и процесс записи данных “с неба” выполнялся как перепись с одной магнитной ленты на другую. Только первый магнитофон оставался неподвижен, хотя на нём и загоралась индикация выбора, а второй производил запись очередной порции данных. В таком виде работа продолжалась до 1980 года.

Работа на СМ-4

После реконфигурации вычислительной техники САО для наблюдений стала использоваться вычислительная машина СМ-4, разработанная в СССР с участием дядюшки Г.М.Бескина, являющаяся аналогом PDP-11 фирмы DEC. Отсутствие внешних устройств для записи данных было компенсировано Б.И.Левитаном и В.П.Рядченко, разработавшими и изготовившими КАМАК-модуль для управления магнитной лентой. В это же время А.А. Пимонов разработал КАМАК-модуль для считывания данных со стробируемого индикатора реального времени.

СМ-4 заметно отставала по возможностям работы с магнитной лентой от ЭВМ М-222, поэтому пришлось использовать в качестве промежуточного носителя массив из 4х дисков со специально написанным для этого драйвером. Суммарная память этого массива дисков соответствовала ёмкости одной магнитной ленты. Вся экспозиция накапливалась на дисках параллельно с приёмом данных, почти без потери их стыках и после их заполнения переписывалась на магнитную ленту в течении 40 минут, а телескоп в это время мог перенаводиться на другой объект. Также можно было совмещать накопление новых данных с переписью на магнитные ленты ранее принятых, следя за тем, чтобы новые не наложились на ранее принятые. Всё программное обеспечение для приёма и анализа данных написал В.Л. Плохотниченко. Большую помощь в наладке всего комплекса оказал В.С. Шергин.

С 1980 г задачи эксперимента МАНИЯ, кроме поисков Горизонта Событий, стали включать в себя исследования пульсара в Крабовидной Туманности и вспыхивающих звёзд. Был налажен вывод индикативной кривой блеска на самописец, а также организована кольцевая память на диске, которая заполнялась данными по-кругу в ожидании вспышки, а после окончания её накопление прерывалось и на ленту данные записывались в развёрнутом виде от точки разрыва, включая предвспышечное состояние, саму вспышку и её угасание. Сейчас по такому алгоритму работают дорожные регистраторы. Первый вариант анализа кривых блеска вспыхивающих звёзд на ЭВМ ЕС 1035 был создан С.А. Чехом под руководством Л.А. Пустильника.

В это же время В.Плохотниченко на ЕС 1035 были разработаны программы анализа наблюдательных данных пульсаров. Был разработан алгоритм подгонки периода и значений его топографических производных для получения оптимальной свёрнутой кривой блеска с использованием алгоритма поиска максималного соответствия кривых. Также найден метод веерного поиска периодов пульсаров, ускоряющий время обработки данных примерно в 500 раз, по сравнению с простым перебором периодов, на основе возможности размещения в оперативной памяти множества последовательных кривых блеска, полученных за короткие промежутки и замены перебора периодов соответствующим им циклическим сдвигами кривых по отношению к первой, компенсирующих возможный уход фаз.

Квантохрон 3

Необходимость перехода к работе с многоканальными, а в перспективе и с панорамными приборами потребовала разработки нового поколения время-измерительной техники для регистрации потоков фотонов. Так как к этому времени у нас уже не было разработчиков электронной аппаратуры высокого уровня, то пришлось создавать устройство на стандартных КАМАК-счётчиках и регистрах с небольшой “ретушью”. Так в 1989 году А.В. Журавковым под руководством В.Л. Плохотниченко был создан Квантохрон 3-8, работающий с 8-ми разрядной линией входных данных, а затем, в 1991 году 16-ти разрядный Квантохрон 3-16 на основе предложения Б.Левитана по организации буферной памяти на микросхемах. По сути Квантохроны представляют собой хронометрические устройства с тактовыми и нониусными счётчиками для измерения времени с разрешением 100мкс и 20нс, привязанные к Мировому времени с точностью работы службы времени, а также буферной памятью типа Flip-Flop для оперативного хранения получаемых координатных отсчётов и их временных меток. Название Квантохрон было предложено Викторием Шварцманом, как наиболее адекватно характеризующее суть прибора. Задним числом ПВКА и СтИРВ стали считаться как первые версии Квантохронов.

По началу Квантохрон 3-16 был подключен через КАМАК-контроллер к ЭВМ СМ-4. Затем его удалось подключить и к персональному компьютеру типа AT 286 через КАМАК-контроллер, изготовленный в Риге, работавший с ISA шиной персонального компьютера. Но вскоре обнаружилось, что российская промышленность такого не делает и все перспективы развития закрываются, поэтому В.П. Рядченко и В.Л. Плохотниченко разработали самодельный КАМАК-контроллер, выполняющий ограниченное количество операций, но позволявший принимать потоки 16-ти разрядных данных до 350 000 отсчетов/сек в режиме почти прямого доступа с использованием групповой операции приёма данных. Платы этого контроллера собрал А.Рябуха.

С использованием Квантохрона 3-16 наблюдение проводились с 1990 года в течение 15 лет, причём последние 6 лет из них и для работ с КЧД.

Балконный и 4-х цветный фотометры.

В 90е годы Сергеем Неизвестным, Вячеславом Зиньковским и Николаем Викульевым был сделан фотометр для балкона Н-1 БТА, на котором проводились наблюдения почти 10 лет. В это же время в наблюдениях в первичном фокусе БТА мы использовали Казанский 4-х цветный электрофотометр.

О проекте панорамного 6-ти канального фотометра

В начале 90х годов в САО РАН группой сотрудников, в лице В.Зинковского, А.Журавкова, Б.Левитана, В.Фатеева, В.Комарова и Н.Викульева под руководством С.И.Неизвестного, в сотрудничестве с А.Пичиони разрабатывался панорамный 6-ти канальный электрофотометр, который должен был позволить работать с полем зрения порядка 100 мм в первичном фокусе БТА. Всё поле зрения должно быть доступно обзору благодаря большому бесструктурному ЭОПу “Бозон”. Потоки света от исследуемого объекта и звезды сравнения должны были перебрасываться из фокальной плоскости телескопа аттенюаторми на входы световодов и далее поступать на дихроичные зеркала цветоделителей, и затем на катоды ФЭУ. Исследуемая объект при этом должен был располагаться на оси прибора и свет от неё попадать на осевой аттенюатор, а для работы со звездой сравнения, находящуюся в поле зрения подсмотра, предполагалось использовать второй, подвижный аттенюатор, перемещаемый в свободной области вблизи осевого, и таким образом пускать поток света от неё на другую систему цветоделителей и ФЭУ. Эти аттенюаторы имели световые индикаторы своего положения, которые заменяли бы на подсмотре перехваченные изображения исследуемого объекта и звезды сравнения. В качестве системы регистрации данных предполагалось использовать Квантохрон-3 со всем его программным обеспечением.

После отъезда из САО РАН ключевых участников рабочей группы прибор был доведен до выхода на телескоп благодаря конструктивной подсказке С.И.Синянского по построению блока управления кинематикой на основе параллельно-последовательного порта UART и даже проведены первые наблюдения осевого объекта на телескопе Цейсс-1000, но работы по нему были прекращены с появлением первого рабочего варианта КЧД и началом создания панорманого фотометра на основе КЧД. Но нельзя считать неудачной попытку создания этого фотометра. Во-первых, приобретённый опыт всегда полезен, во-вторых, накопленные в ходе его реализации комплектующие, как то, дихроичные зеркала, объектив переброса и TV CCD камера подсмотра и, наконец, сама платформа с качественным подвижками, на которой собирался фотометр, были использованы при создании многомодового панорамного спектро-фотополяриметра. А ЭОП Бозон работал до исчерпания ресурса в системе быстрой регистрации ТОРТОРА.???

Наблюдения с МАМА-камерой

В середине 90х годов начато сотрудничество с группой исследования пульсаров университета города Галуэй (Ирландия). Было проведено много совместных наблюдений на БТА. Для этого усовершенствована оптическая схема фотометра прямого фокуса с добавлением сцветоделительного блока, что позволило проводить наблюдения в трёх цветовых полосах одновременно. Было перенесено программное обеспечение сбора данных из MS DOS в линукс.

КЧД и первый панорамный фотополяриметр на его основе

В 1998 году Вячеславу Гелиевичу Дебуру удалось наладить работу первого в САО Координатно-Чувствительного Детектора с клинополосным анодом. С этого момента началось создание панорамного фотометра на его основе. Первое время 24-х разрядные данные принимались с помощью Квантохрона 3-16. Недостаток разрядности компенсировался считыванием получаемых отсчётов за два такта, как было предложено Г.М. Бескиным. Когда же перешли к работе с квадрантным анодом, для оцифровки данных которого использовалось уже 40 разрядов, то отсчёты пришлось принимать за 3 такта. Это снижало предельное быстродействие системы регистрации, но тем не менее позволило успешно изучать особенности детектора, оптимизировать его, отрабатывать элементы построения более совершенного фотометра и проводить плановые наблюдения на БТА. В качестве программы сбора данных использовалась адаптированная под изменившиеся возможности программа для работы с МАМА камерой, перенесённая ранее в линукс.

С появлением в САО первого действующего КЧД началась работа по созданию панорамного фотополяриметра. В начале было изготовлено простейшее устройство с подсмотром в виде TV CCD матрицы с управляемой длительностью экспозиции, поляроидом в виде пластины Савара и набором полосовых фильтров, последовательно устанавливаемых в принимаемый пучёк и УФ-объективом переброса изображения из фокальной плоскости телескопа на катод КЧД с увеличением масштаба в 3 раза. Для удобства управлений кинематикой прибора В.В. Павловой был написан графический интерфейс, который позволял менять конфигурацию оптической системы с помощью мышки на экране компьютера. В это время появились жесткие диски объёмом 20Гб и более, что позволило проводить полноценные наблюдения, не осложняемые необходимостью сохранять данные в долговременной памяти.

Квантохрон-4

Как уже отмечалось выше, КЧД с квадрантным анодом и выходом из эксплуатации компьютеров с ISA шиной требовал замены системы регистрации данных на более совершенную. С этой целью совместно с сотрудниками Минского Института Физики Высоких Энергий А.В. Солиным и А.Г. Тихоновым была создано новое 48-разрядное устройство регистрации потоков стохастических отсчётов, Кавнтохрон 4-48, работающее непосредственно в слоте PCI-шины компьютера. Это хронометрические устройства в виде счётчиков тактов (10 кГц) и нониуснов (33 мГц, частота PCI шины), имеющее собственную памятью типа FIFO на 64 слова по 64 разряда для хранения измеренных нониусных отсчетов и обобщенных координад зарегистрированных кванов. Суммарная разрядность отсчётов состоит из 48ми разрядов принимаемого кода фотоотсчёта и 16 разрядов отсчетов, выделяемых для нониусного времени. Вся работа Квантохрона тактируется импульсами 10 кГц частоты, получаемых от GPS, антенна которой на время наблюдений крепится непосредственно на кабине первичного фокуса БТА. Значения счётчика частоты 10кГц записываются в начале принятой очередной порции отсчетов. Каждые 10мс во внутренней памяти устройства записывается тактовый отсчёт времени, который затем используется для распаковки данных и формирования Мирового времени прихода последующих фотоотсчётов. Старт процесса получения данных серверным компьютером начинается по сигналу PPS (Pulse per Second). На время выполнения измерений в принимающем компьютере останавливаются все процессы, включая внутренний таймер. Первоначально каждая микроэкспозиция длилась 0.8 сек, а оставшееся до начала новой секунды время использовалось для записи данных на диск.

После приобретения опыта работы с этим устройством была изготовлена ещё одна такая плата и на их основе собрана полноценная система регистрации, включающая в себя 2 платы, размещённые в слотах PCI шин двух одинаковых компьютеров, которые по типу их взаимодействия мы называем серверными. В этой схеме измерения на каждом компьютере производятся порциями, длительностью несколько большей 1 сек для контроля отсутствия пропусков отсчётов по их совпадению на стыках записей, затем делается почти секундный перерыв для передачи накопленных данных в клиентский компьютер сбора, а в это время данные собирает второй серверный компьютер. Таким образом собрана схема типа Flip-Flop, позволяющая вести накопление данных сколь угодно долго, без потерь времени для записи их на диски. Для управления сбором данных написан графический интерфейс, позволяющий в процессе наблюдений видеть накапливаемые изображения с дискретностью 1 сек. Сами же потоки фотонных отсчётов наблюдаемых полей вместе с хронометрической информацией с временным разрешением 30мкс и привязкой к Мировому времени 100 нс “ замораживаются” на дисках и становятся доступными для последующего анализа различными программными средствами, имитирующими необходимую астрофизическую аппаратуру. Появление дисков объёмом в десятые доли терабайт позволило хранить данные многих ночей наблюдений непосредственно на самих дисках.

Описываемая здесь клиент-серверная конфигурация системы сбора данных была построена с помощью В.Шергина и В.Черненкова. Первый вариант графического интерфейса программы сбора и визуализации данных был написан З.В. Любецкой.

GaAs КЧД

С 2005 года В.Г.Дебуром и В.Л.Плохотниченко начали работы по исследованию 16-анодных GaAs КЧД и построению фотоприемных устройств на их основе. Первые влючения этих КЧД были в квадрантном варианте. 16 электродов объединялись в группы по 4 и использовалась ранее разработанная электроника для мультищелочных КЧД с 4-х элементным анодом. Эти КЧД требуют охлаждения до -10C для уменьшения темнового тока, поэтому устанавливаются в металлической обойме с отводом тепла Пельтье элементами.

Затем В.Плохотниченко предложил аналоговую предобработку получаемых с элементов анода отсчётов для определения моментов Mx и My распределений зарядов, попавших на них по осям X и Y, а также суммарного заряда Q. Для регистрации этих 12-ти разрядных отсчётов требуется всего 36 бит и такие данные могут быть считаны имеющимся у нас 48-ми разрядным квантохроном. И на этой основе совместно с А.В. Солиным и А.А. Солиным была разработана усилительно-измерительная электроника для новой версии фотоприёмного устройства. С 2013 года новое устройство используется в наблюдениях на БТА. Получаемое поле зрения имеет существенно меньшие искажения, чем в квадрантном КЧД.

MPPP - многомодовый панорамный фотополяриметр

Совокупность перечисленных выше работ позволила создать фотополяриметр, наиболее оптимально соответствующй первоначальным требованиям эксперимента МАНИЯ, прибор, который позволяет проводить многосторонние наблюдения быстропеременных слабых источников с необходимым временным разрешением в нужной конфигурации оптической схемы. А разнообразие наблюдательный задач и скудность интересных объектов на небе могут требовать переключения между различными вариантами фотометрических и спектральных блоков в течении сета наблюдений. . Так появилась идея сменных центральных оптических блоков, устанавливаемых в параллельный пучёк света, идущий от изучаемого объекта. После разложения пучка на поляризационные, цветовые или спектральные составляющие, вновь образованные пучки, проходя через коллективные объективы, формируют изображения в соответствии с выполеннным преобразованиям, на катодах одного или нескольких координатно-чувствительных детекторов, позволяя таким образом изучать регистрируемые потоки во широком многообразии их характеристик, наиболее близко подбираясь к выявлению физических особенностей наблюдающихся явлений.

В первом варианте прибора нужный оптический блок, определяющий способ работы с оптическими пучками, устанавливался на оптическую ось до начала наблюдений или в перерыве между экспозициями при наведении телескопа на АП. Однако такой режим трудно было обеспечивать астроному-оператору и он был практически невозможным в дистанционных наблюдениях. Все они должны были заранее размещены в одном приборе с возможностью оперативной дистанционной установки в рабочее положение нужного. Для этого Е.П. Городовым был разработан и изготовлен лифтовый узел, который позволяет загрузить в прибор “этажерку” с заранее подготовленными оптическим блоками и устанавливать требуемый дистанционно в процессе наблюдений, выбором нужного соответствующей ему кнопкой на экране программы графического интерфейса. На смену одного оптического блока на ближайший требуется всего 30 секунд.

Контроллер для управления кинематикой MPPP был разработан и изготовлен А,П, Любецким. Он же проводит и сопровождение этой электроники, дорабатывает новые платы по мере появления необходимости в этом. Переработкой графических интерфейсов программ управления и сбора данных в новые версии QT занимается В.В. Павлова.

Анализ данных на нынешнем этапе

С начала 2000х годов к разработке программного обеспечения анализа наблюдательных данных в различных аспектов, получаемых на панорамных детекторах подключился С.В. Карпов.

Он создал разветвлённый комплекс программ для выбора площадок получения анализируемых потоков в поле зрения детекторов, поиска стохастической и строгопериодичной переменности в потоках отсчётов из них, вычисление спектров мощности и выполнение Фурье-анализа, поиск выбросов, и пр. и пр..

Заключение

В нынешнем варианте панорамный быстрый спектро-фото-поляриметр концептуально достиг высокого уровня универсальности. Требуется расширение поля зрения подсмотра и повышение его быстродействия путём установки соответствующей для этого TV CCD матрицы, перехода к координатно-чувствительным детекторам более высокого качества и использования быстрых CCD матриц в тех случаях, когда не ожидается субмиллисекундная переменность исследуемых объектов.

И затем дело за астрофизиками, подбирающими подходящие объекты для наблюдений, правильно распоряжающимися режими работы прибора в экспозициях и выявляющих интересные особенности получаемых данных.