Ανάπτυξη δέκτη HSRL συμβατού με laser Nd:YAG στα 355 nm για ατμοσφαιρική επισκόπηση σε παρατηρητήρια κοσμικών ακτίνων υπερυψηλών ενεργειών

Abstract

Η μελέτη των συστημάτων ατμοσφαιρικής επισκόπησης lidar παρουσιάζει εξαιρετικό ενδιαφέρον, κυρίως λόγω των πολλαπλών εφαρμογών τους και της βαρύνουσας σημασίας χρήσης των πειραματικών αποτελεσμάτων τους, σε τομείς όπως η αστροσωματιδιακή και η ατμοσφαιρική φυσική. Στη διατριβή αυτή, γίνεται προσπάθεια για την ουσιαστική συμβολή, στην ανάπτυξη και την υλοποίηση από την ερευνητική ομάδα, ενός πρότυπου συστήματος High Spectral Resolution Lidar, με επικεντρωμένη την προσοχή στην κατασκευή των δεκτών του συστήματος. Έχουμε σαν απώτερο στόχο την δυνατότητα εκτίμησης από το σύστημά μας, μέσω της λήψης, καταγραφής και ανάλυσης του οπισθοσκεδαζόμενου σήματος εκπομπής laser στην ατμόσφαιρα, του ποσοστού της ακτινοβολίας Cherenkov που προσμετράται στο σήμα ατμοσφαιρικού φθορισμού σε παρατηρητήρια κοσμικών ακτίνων υπερυψηλών ενεργειών. Παρουσιάζεται η υλοποίηση δύο συμβολομέτρων τύπου Fabry-Perot, το ένα προοριζόμενο για τον δίαυλο των αερολυμάτων (ΕΑ) και το άλλο προοριζόμενο για τον δίαυλο των μορίων (ΕΜ), ξεκινώντας από το στάδιο των προσομοιώσεων για τον προσδιορισμό των κατασκευαστικών προδιαγραφών και φτάνοντας στην τελική εργαστηριακή συναρμολόγηση, με σκοπό τον επακριβή καθορισμό, αλλά και την ελαχιστοποίηση σφαλμάτων λόγω θορύβου, κατά τον διαχωρισμό του σήματος οπισθοσκέδασης σε συνιστώσα σκέδασης Mie (σκέδαση σε αερολύμματα) και συνιστώσα σκέδασης Rayleigh (σκέδαση laser σε μόρια της ατμόσφαιρας). Περιγράφεται η πειραματική διαδικασία λήψης κροσσών συμβολής από τη σκέδαση laser στον ατμοσφαιρικό χώρο εκτός του εργαστηρίου, εναλλακτικά σε στερεό σκεδαστή και σε ατμό και πραγματοποιείται η σύγκρισή των πειραματικών αποτελεσμάτων με αντίστοιχα (βασισμένα σε θεωρητικά μοντέλα) προσομοιωτικά , με σκοπό την εξαγωγή συμπερασμάτων, για το είδος της σκέδασης που πραγματοποιείται στην ατμόσφαιρα τη χρονική στιγμή της διεξαγωγής του πειράματος. Στο πλαίσιο της θεωρητικής μελέτης της διατριβής, μελετήθηκαν μοντέλα σκέδασης ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα από μικροσωματίδια και η τεχνική ατμοσφαιρικού φθορισμού που εφαρμόζεται στα παρατηρητήρια εκτεταμένων ατμοσφαιρικών καταιγισμών. Γίνεται μικρή αναφορά σε εφαρμογές των συστημάτων lidar στον τομέα της ατμοσφαιρικής φυσικής και επιχειρείται μία επισκόπηση στο φαινόμενο των εκλάμψεων (flashes) στην ανώτερη ατμόσφαιρα, που καταλήγει σε προσομοιωτική ανακατασκευή του μηχανισμού παραγωγής του καταιγισμού.

The study of Light Detection and Ranging (lidar) atmospheric sensing systems shows exceptional interest, mainly due to their multiple applications and the high importance of experimental results, in fields such as astroparticle physics, atmospheric physics, etc. In the framework of this Ph. D. dissertation Thesis, an effort is conducted towards essential contribution in the process of assembling, by our research team, a prototype High Spectral Resolution Lidar. Our focused attention is devoted to the construction of the receiver for the aforementioned system. Our goal is to have the ability to estimate through reception, recording and analysis of the backscattered signals from the atmosphere, the percentage of Cherenkov radiation that is measured in the atmospheric fluorescence signal, in ultra high energy cosmic ray observatories. We present the materialization of two Fabry-Perot type interferometers, the one is destinated for the aerosol chanel (spaser from zerodure) and the other is destinated for the molecular chanel (spacer from invar), starting from the initial stage of simulated design to determine functional specifications and arriving to the final industrial assembly, aiming at the highest performace in recording the Mie scattering signal (scattering by aerosols) and the Rayleigh scattering signal (scattering by atmospheric molecules). We describe the experimental procedure of obtaining interference fringes from laser scattering in atmospheric space, out of laboratory conditions, alternating from a solid scatterer to steam, and materialize the comparison of experimental data to corresponding simulated data (based on theoretical models), is conducted aiming at drawing results on the type of scattering realized in the atmosphere, at the time the experiment was conducted. In the framework of the theoretical study in the present dissertation, we focus on radiation microparticle scattering models in the atmosphere, on the existing techniques of atmospheric fluorescence which are used in extensive air shower observatories, on a short citation of the main lidar applications in atmospheric physics, and we attempt an overview of the phenomenon of transient flashes in the upper atmosphere, which results in the simulated reconstruction of the mechanism behind the creation of the flash.