[ «трудЫ семинара РЕЗУЛЬТАТЫ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА КОРОНАС-ФОТОН ПредложениЯ По Продолжению ПрограммЫ КОРОНАС: научнЫе Задачи и аППаратура РОССИЯ ТАРУСА 19–21 мая 2010 года Под редакЦией р. р. наЗирова и. в. чулкова в. ...»
Временно`е разрешение прибора БРМ определялось интервалами времени накопления данных и изменялось командами с Земли в диапазоне от 1 мс до примерно 1 мин. В режиме с временны`м разрешением 1 мс прибор мог работать непрерывно не более 30 с. Это ограничение определялось скоростью информационного обмена с системой сбора и регистрации научной информации КА (ССРНИ) и объемом буферной памяти контроллера прибора БРМ. Временное разрешение — не менее 7 мс в режиме непрерывного проведения измерений. В табл. 1 приведены доли времени работы прибора в режимах с различным временным разрешением на борту КА «КОРОНАС-Фотон».
доля времени работы прибора брм в режимах с различным временны`м разрешением на борту Ка «КоронаС-Фотон» с 19.02.2009 по 1.12. Подробнее конструкция и характеристики прибора описаны в работе [Трофимов и др., 2011].
Космический аппарат «КОРОНАС-Фотон» был запущен на круговую околоземную орбиту высотой около 550 км и наклонением 82,5°. Для данной орбиты характерны достаточно сложные наблюдательные и фоновые условия с точки зрения регистрации жесткого рентгеновского и гамма-излучения Солнца. Во-первых, примерно 172 Ю. А. Трофимов, В. Н. Юров, Ю. Д. Котов 26 % времени КА находился в тени Земли, и регистрация солнечного излучения была невозможна. Во-вторых, наблюдались значительные потоки заряженных частиц при пересечении радиационных поясов Земли (РПЗ). На рис. 2 приведен типичный временной профиль фоновой скорости счета прибора БРМ за один виток. Экваториальные участки орбиты оптимальны для регистрации событий, скорость счета порядка 100 отсчетов в секунду в канале 20…600 кэВ.
Гораздо менее пригодны для регистрации событий области полярных шапок, где скорость счета прибора в канале 20…600 кэВ достигала 1000 отсчетов в секунду, что связанно с потоками заряженных частиц космических лучей [Трофимов и др., 2010]. В моменты нахождения в зонах внешнего и внутреннего (Южно-Атлантическая аномалия) радиационных поясов регистрация полезных событий невозможна. В табл. 2 приведены доли времени работы прибора на борту КА «КОРОНАС-Фотон» на различных участках орбиты.
доля времени работы прибора брм на различных участках орбиты Ка «КоронаС-Фотон» с 19.02.2009 по 1.12. Хорошие (экваториальные участки орбиты) Удовлетворительные (области полярных шапок) рис. 2. Временной профиль фоновой скорости счета прибора БРМ за один виток в каналах: 20…600, 20…30 и 130…600 кэВ Регистрация… нестационарных кратковременных событий и их анализ При переключении БРМ в режим с временным разрешением или 10 мс в данных, получаемых с прибора, наблюдались выбросы — резкие увеличения скорости счета в каналах в течение 1–2 последовательных наборов (серые вертикальные линии на рис. 3).
Уменьшение временно`го разрешения до 1 мс не позволило увидеть временную структуру выбросов, они так и остались событиями длительностью 1–2 набора. Это означает, что длительность выброса не превышает 1 мс, а двухнаборные выбросы связаны со случайными наложениями данных событий или регистрацией одного события в конце первого и начале второго набора.
Исследование данного явления на массивах данных с временны`м разрешением 1 мс показало, что статистика выбросов подчиняется распределению Пуассона со средним около пяти событий в секунду на экваториальных участках орбиты и порядка 50 событий в секунду в полярных областях. На рис. 4 представлен широтный ход количества выбросов, кривая построена по данным с временным разрешением 10 мс, полученным за один «проход» участка орбиты.
При таком временно`м разрешении не представляется возможным корректно определить количество выбросов в полярных областях, так как существенные искажения вносит большое количество наложений рис. 3. Выбросы (серые вертикальные линии) в данных прибора на фоне гамма-всплеска GRB090408B, канал 20…600 кэВ. Черная линия — результат обработки алгоритмом корректировки данных 174 Ю. А. Трофимов, В. Н. Юров, Ю. Д. Котов событий друг на друга. По этой причине на рисунке в приполярных областях количество выбросов чуть более 30 в секунду вместо 50 событий в секунду, полученных по данным с разрешением 1 мс. Широтный ход количества выбросов коррелирует с широтным ходом скоростей счета в каналах прибора, из чего можно сделать вывод, что изменение количества выбросов в зависимости от координат, так же как и изменение фоновых скоростей счета в каналах, связано с конфигурацией магнитного поля Земли.
Вероятнее всего, выбросы связаны с прохождением через сцинтиллятор детектора протонов и ядер космических лучей (КЛ) высоких энергий. Действие земного магнитного поля приводит к эффекту геомагнитного обрезания космических лучей: для каждой геомагнитной широты Земли с данного направления могут приходить частицы с энергией выше пороговой. На рис. 4 треугольниками представлены результаты расчета потока протонов КЛ через сцинтиллятор прибора БРМ по данным, приведенным в [Seo et al., 1991], с учетом зависимости порога геомагнитного обрезания от координат [Птускин, 1991]. В области от –30 до +45° порог обрезания превышает 5 ГэВ, и результаты расчета хорошо согласуются с количеством выбросов. С увеличением широты порог обрезания снижается, что приводит к росту потока протонов.
рис. 4. Широтный ход количества выбросов в канале 20…600 кэВ и потока протонов космических лучей через сцинтиллятор детектора БРМ Регистрация… нестационарных кратковременных событий и их анализ Релятивистский протон, проходя через сцинтиллятор прибора, теряет порядка 15 МэВ в 1 см YAlO3. Такое большое энерговыделение в кристалле, возможно, вызывает в нем продолжительное послесвечение, которое, регистрируясь как множество отдельных импульсов малой амплитуды, образует выброс, либо перегружающий импульс приводит к дребезгу в электронном тракте прибора, который также может регистрироваться как выброс.
Максимальное количество отсчетов в выбросе или амплитуда наблюдается в канале 20…30 кэВ и быстро убывает с ростом энергии в последующих каналах. Большинство выбросов имеет малую амплитуду и не распространяется дальше второго канала (30…40 кэВ).
Для уменьшения влияния выбросов на флуктуации скорости счета в каналах и корректного отображения зарегистрированных событий данные с прибора подвергались обработке специальным корректирующим алгоритмом. На рис. 3 демонстрируется действие данного алгоритма на примере гамма-всплеска GRB090408B, зарегистрированного прибором БРМ 8 апреля 2009 г. Можно заметить, что выбросы (серые вертикальные линии) успешно удалены, тогда как временной профиль события (гамма-всплеска) практически не исказился.
рис. 5. Большой выброс длительностью около 1 с, зарегистрированный прибором БРМ 2009.11.21, Т0 09:01:59,93 UTC, диапазон 20…40 кэВ, А1 и А2 — 176 Ю. А. Трофимов, В. Н. Юров, Ю. Д. Котов В данных прибора БРМ были также обнаружены события необычно большой амплитуды и длительности. В отличие от выбросов данные события имеют временную структуру: моментальный рост (1–2 набора), быстрый спад с постоянной времени (Т1) порядка 10 мс, затем медленный спад с постоянной времени (Т2) несколько сотен миллисекунд (рис. 5). При анализе данных с прибора БРМ было найдено около двадцати событий данного типа, большая часть из них зарегистрирована в экваториальной области как на освещенных, так и на теневых участках орбиты. Вероятно, такие события имеют причины возникновения, отличные от вышеописанных выбросов, однако природа данных явлений пока не установлена.
Несмотря на то, что прибор не предназначен для регистрации гамма-всплесков (малая эффективная площадь детектора, ограниченный коллиматором и конструкционными элементами КА угол зрения прибора), БРМ зарегистрировал не менее восьми гамма-всплесков: GRB090406, GRB090408B, GRB090618, GRB090709, GRB090820, GRB090926A, GRB091003A, GRB091031. Регистрация всплесков была подтверждена как другими приборами КА «КОРОНАС-Фотон» («Конус-РФ», «Пингвин-М», «Наталья-2М»), так и аппаратурой на других космических аппаратах (Wind, Swift, Fermi). На рис. 6 приведены временны`е профили шести гамма-всплесков, зарегистрированных прибором БРМ с наилучшей статистикой.
Гамма-всплески равномерно распределены по небесной сфере и направление прихода излучения от них произвольно. Так как прибор БРМ был разработан для регистрации солнечного излучения на борту КА, имеющего солнечную ориентацию, то детектор имеет минимальную толщину вещества и максимальную эффективную площадь вдоль оси прибора, ориентированной на центр диска Солнца.
При отклонении от оси прибора эффективная площадь детектора сокращается за счет уменьшения видимой площади кристалла и увеличения толщины вещества конструкционных элементов, закрывающих детектор, в том числе и коллиматора. Особенно сильно увеличение толщины вещества сказывается на менее энергичной части спектра, что приводит к значительному уменьшению эффективности регистрации излучения от гамма-всплесков в низкоэнергичных каналах прибора. По этой причине на приведенных графиках энергетические диапазоны начинаются не с 20, а с 40…50 кэВ. Для увеличения статистики отсчетов было также произведено суммирование последовательных наборов вплоть до двух секунд.
Регистрация… нестационарных кратковременных событий и их анализ рис. 6. Временны`е профили некоторых гамма-всплесков, зарегистрированных прибором БРМ: а — GRB090406; б — GRB090408b; в — GRB090618; г — В 2009 г. Солнце находилось в минимуме активности. За время работы прибора БРМ на орбите на Солнце произошло тринадцать вспышек С-класса и ни одной вспышки М или Х классов. Рентгеновское излучение практически всех солнечных вспышек имело интенсивность ниже порога чувствительности прибора.
178 Ю. А. Трофимов, В. Н. Юров, Ю. Д. Котов Так, например, крупнейшая в 2009 г. вспышка 5 июля класса С2,7 по оценке должна была дать вклад в скорость счета в канале 20…30 кэВ около 14 соб. с–1, тогда как фоновая скорость счета в этот момент составляла 800 соб. с–1. Столь малый вклад события в скорость счета прибора объясняется двумя причинами: небольшой интенсивностью данной солнечной вспышки в рассматриваемом рис. 7. Солнечная вспышка 26 октября 2009 г. класса С1.3 по данным аппаратуры КА GOES-10 и приборов «Пингвин-М» и БРМ КА «КОРОНАСФотон» и высыпание электронов РПЗ в то же время по данным прибора «Электрон-М-Песка» КА «КОРОНАС-Фотон»
Регистрация… нестационарных кратковременных событий и их анализ диапазоне энергий (порядка 2 соб. с–1см–2 в диапазоне 20…30 кэВ) и малой эффективной площадью прибора БРМ в канале 20…30 кэВ, которая, в свою очередь, вызвана низкой эффективностью регистрации в данном диапазоне (см. рис. 1). Оценка интенсивности этой вспышки получена с использованием спектральных данных прибора RT-2, который также был установлен на борту КА «КОРОНАС-Фотон» [Rao et al., 2010].
Во время вспышки класса С1,3, произошедшей 26 октября 2009 г., ряд приборов КА «КОРОНАС-Фотон», в том числе прибор БРМ, зарегистрировал возрастание скорости счета в каналах жесткого рентгеновского излучения. Прибор регистрировал данное возрастание начиная с 22:48 UTC в течение 3 мин в диапазоне энергий 40…130 кэВ. Временной профиль события, по данным БРМ, совпадает с данными прибора «Пингвин-М», входившего в состав научной аппаратуры КА «КОРОНАС-Фотон» [Kotov et al., 2011], в диапазоне 18…450 кэВ (рис. 7). Время максимума интенсивности данного события согласуется с максимумом интенсивности мягкого рентгеновского излучения по данным аппаратуры спутника GOES 10 в диапазоне 0,1…0,8 нм (1,5…12 кэВ) и прибора «Пингвин-М» в диапазоне 2…20 кэВ.
Анализатор заряженных частиц «Электрон-М-Песка» КА «КОРОНАС-Фотон» зарегистрировал возрастание скорости счета электронов энергией 0,2…1 МэВ, связанное с высыпанием частиц из РПЗ. Данное высыпание (нижний график рис. 7) частично перекрывается с возрастанием скорости счета в данных приборов БРМ и «Пингвин-М». Следовательно, начальная фаза события, зарегистрированного приборами БРМ и «Пингвин-М» (с 22:48:00 по 22:49:30 UTC), вероятно, является суммой событий, связанных с солнечной вспышкой и воздействием электронов РПЗ.
Прибор БРМ успешно работал в составе комплекса научной аппаратуры КА «КОРОНАС-Фотон» с 19 февраля по 1 декабря 2009 г. 66 % этого времени прибор вел наблюдения в режиме с временны`м разрешением 10 мс. В данных прибора наблюдались выбросы — кратковременные изменения скорости счета в каналах прибора с длительностью 1–2 набора, вероятно, связанные с прохождениями через сцинтиллятор прибора энергичных протонов и ядер космических лучей. Помимо этого наблюдались более продолжительные события, длительностью до 1…2 с, причины возникновения которых не установлены. К сожалению, в 2009 г. Солнце находилось в минимуме 180 Ю. А. Трофимов, В. Н. Юров, Ю. Д. Котов активности, интенсивность рентгеновского излучения большинства солнечных вспышек в диапазоне энергий более 20 кэВ была недостаточна для регистрации прибором БРМ. Единственное событие типа солнечная вспышка было зарегистрировано 26 октября 2009 г., однако оно частично перекрылось по времени с высыпанием электронов РПЗ. Прибор зарегистрировал не менее восьми космических гамма-всплесков, в том числе и очень яркое событие GRB090408B, произошедшее 8 апреля 2009 г.
[Птускин, 1991] Птускин В. С. Космические лучи // Физические величины:
Справочник / Под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. С. 1173.
[Трофимов и др., 2010] Трофимов Ю. А., Котов Ю. Д., Юров В. Н. и др. Быстрый рентгеновский монитор (БРМ), результаты первого этапа летных испытаний // Первые этапы летных испытаний и выполнение программы научных исследований по проекту КОРОНАС-Фотон: Тр. рабочего совещания / Под ред. Р. Р. Назирова, И. В. Чулкова, В. Н. Юрова. М.:
ИКИ РАН, 2010. С. 143–154.
[Трофимов и др., 2011] Трофимов Ю. А., Юров В. Н., Котов Ю. Д. и др. Эксперимент с прибором «Быстрый Рентгеновский Монитор» на борту КА «КОРОНАС-Фотон» // Астроном. вестн., 2011. Т. 45. № 2. С. 150–156.
[Agostinelli et al., 2003] Agostinelli S., Allison J., Amako K. Geant4 — a Simulation Toolkit // NIM. 2003. V. A506. P. 250–303.
[Kotov et al., 1996] Kotov Yu. D., Runtso M. F., Samoilenko V. T. et al. The Fast X-ray Monitor (FXM) of the PHOTON Satellite Project // Moscow Phys. Soc.
1996. V. 6. P. 331–336.
[Kotov et al., 2011] Kotov Yu. D., Glyanenko A. S., Arkhangelsky A. I. et al. Experimental Study of Parameters of X-ray Radiation from Solar Flares Using the PENGUIN-M Instrument Aboard the CORONAS-PHOTON Spacecraft // Solar System Research. 2011. V. 45. N. 45. P. 135–145.
[Rao et al., 2010] Rao A. R., Malkar J. P. Hingar M. K. et al. RT-2 Detection of Quasi-Periodic Pulsations in the 2009 July 5 Solar Hard X-ray Flare // Astrophysical J. 2010. V. 714. P. 1142.
[Seo et al., 1991] Seo E. S., Ormes J. F., Streitmatter R. E. et al. Measurement of Cosmic-Ray Proton and Helium Spectra During the 1987 Solar Minimum // Astrophysical J. 1991. V. 378 P. 763–772.
Регистрация… нестационарных кратковременных событий и их анализ RegiSTRaTion of non-STaTionaRY eVenTS of ShoRT-duRaTion bY bRm inSTRumenT National Research Nuclear University “MEPhI” The Fast X-ray Monitor (BRM) instrument had operated aboard the CORONAS-Photon mission from February 19, until December 1, 2009. The instrument was intended for the registration of the hard X-ray and gamma-ray radiation of solar flares in the 20…600 keV energy range in six differential energy channels (20…30, 30…40, 40…50, 50…70, 70…130, and 130…600 keV) with temporal resolution up to 1 ms. The instrument couldn’t reliable register the solar flare radiation reliable because the solar activity was in minimum and the flux of solar radiation was too low for registration by the detector of BRM. But the instrument had observed effects which didn’t relate with solar flares: short pulses (duration no more than 1ms), possibly produced by protons of cosmic rays, more longer pulses (duration about 1…2 s), their nature is unknown, and gamma-ray bursts (GRBs).
Keywords: BRM, FXM, Fast X-Ray Monitor, YAP:Ce, X-ray radiation of solar flares, gamma-ray bursts, protons of cosmic rays.
Trofimov Yury alekseevich — engineer, e-mail: [email protected].
Yurov Vitaly nikolaevich — deputy director of the Astrophysics Institute NRNU MEPhI, e-mail: [email protected].
Kotov Yury dmitrievich — director of the Astrophysics Institute NRNU MEPhI, e-mail: [email protected].
УДК 52-1/-8 : 520. эКСПеримент КонуС-рФ: оСноВные научные результаты и Предложения Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ), Санкт-Петербург Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Федерального агентства по образованию РФ, Институт астрофизики (ИАФ), Москва Приведен ряд научных результатов эксперимента КОНУС-РФ на борту российской орбитальной обсерватории «КОРОНАС-Фотон». Высокочувствительный сцинтилляционный гамма-спектрометр «Конус-РФ» с двумя детекторами, ориентированными на космическом аппарате (КА) в солнечном и антисолнечном направлениях, обеспечивал исследования временны`х и спектральных характеристик солнечных вспышек и космических гамма-всплесков в широком энергетическом диапазоне 10 кэВ – 10 МэВ с миллисекундным временны`м разрешением. Эксперимент проводился с февраля по ноябрь 2009 г. За это время было зарегистрировано три солнечные вспышки, восемь всплесков от мягких гамма-репитеров и 82 космических гамма-всплеска. Из них 21 гаммаолейник Филипп Петрович — младший научный сотрудник, e-mail: oleynik.
уланов михаил Владимирович — младший научный сотрудник, e-mail:
аптекарь рафаил львович — ведущий научный сотрудник, кандидат физикоматематических наук, e-mail: [email protected].
голенецкий Сергей Владимирович — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
мазец евгений Павлович — заведующий лабораторией, доктор физико-математических наук, член-корреспондент РАН, e-mail: [email protected].
Свинкин дмитрий Сергеевич — аспирант, e-mail: [email protected].
Фредерикс дмитрий дмитриевич — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Котов Юрий дмитриевич — директор, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Юров Виталий николаевич — заместитель директора, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Эксперимент КОНУС-РФ: основные научные результаты и предложения… всплеск был зарегистрирован синхронно с экспериментом Физико-технического института им. А. Ф. Иоффе Российской академии наук (Санкт-Петербург) КОНУС-ВИНД на борту американского КА Wind. Обсуждаются предложения по продолжению эксперимента.
Ключевые слова: гамма-спектрометр, гамма-всплески, солнечные вспышки, мягкие гамма-репитеры.
Исследования рентгеновского и гамма-излучения солнечных вспышек в широком энергетическом интервале 10 кэВ – 10 МэВ с высоким временны`м разрешением, выполненные в ходе эксперимента КОНУС-РФ, являются важной составной частью научной программы орбитальной обсерватории «КОРОНАС-Фотон». Дополнительная задача эксперимента — изучение космических гамма-всплесков и мягких гамма-репитеров.
Устройство и основные характеристики научной аппаратуры «Конус-РФ» подробно рассмотрены в работе [Уланов и др., 2010].
Аппаратура представляет собой высокочувствительный гамма-спектрометр, программа работы которого оптимизирована для двух научных задач: исследования вспышек жесткого рентгеновского излучения Солнца и исследования космических гамма-всплесков и мягких гамма-репитеров.
Кратко излагается ряд результатов исследований, полученных в эксперименте КОНУС-РФ в составе обсерватории «КОРОНАСФотон» в период февраль-декабрь 2009 г. и обсуждаются предложения по продолжению исследований.
1. иССледоВания ВСПыШеК жеСтКого рентгеноВСКого излучения Солнца Период работы обсерватории «КОРОНАС-Фотон» характеризуется низким уровнем солнечной активности. Тем не менее ряд солнечных вспышек был зарегистрирован и детально исследован аппаратурой «Конус-РФ». Первое солнечное событие было зарегистрировано 5 июля 2009 г. Оно четко проявилось в каналах 8…40 кэВ на приэкваториальном участке орбиты космического аппарата. На рис. приведены временны`е профили этого события, зарегистрированные солнечным детектором в режиме «Фон». Аналогичные данные для вспышки 27 октября 2009 г. показаны на рис. 2.
184 Ф. П. Олейник, М. В. Уланов, Р. Л. Аптекарь С. В. Голенецкий, Е. П. Мазец, Д. С. Свинкин и др.
рис. 1. Временны`е профили солнечной вспышки класса C2.7 5 июля 2009 г.
Верхняя панель — суммарный временной профиль, нижняя панель — профили в различных энергетических каналах 2. иССледоВания КоСмичеСКиХ гамма-ВСПлеСКоВ Исследования космических гамма-всплесков продолжают оставаться одной из самых актуальных задач астрофизики высоких энергий и внеатмосферной астрономии. Механизм генерации экстремальных потоков энергии в их источниках остается важнейшей нерешенной задачей современной астрофизики. Комплексные всеволновые исследования источников гамма-всплесков по данным их точной и оперативной локализации американской обсерваторией SWIFT в настоящее время проводятся на космических аппаратах Fermi, Agile, Integral, Wind и большой сети наземных и оптических телескопов.
Эксперимент КОНУС-РФ: основные научные результаты и предложения… рис. 2. Временны`е профили солнечной вспышки класса C1 27 октября 2009 г. Верхняя панель — суммарный временной профиль, нижняя панель — профили в различных энергетических каналах Координаты источников всплесков, не попавшие в поле зрения телескопа BAT SWIFT, локализуются триангуляционным методом межпланетной сетью космических аппаратов с детекторами гаммаизлучения IPN (Interplanetary Network), опорным сегментом которой является аппаратура «Конус-Винд» благодаря ее расположению в межпланетном пространстве с возможностью постоянного обзора всей небесной сферы. В аппаратуре «Конус-РФ» на основе современной элементной базы получила дальнейшее развитие оптимальная программа регистрации временны`х и спектральных характеристик гамма-всплесков, использованная в аппаратуре «Конус-Винд».
Благодаря этому в эксперименте КОНУС-РФ появились широкие 186 Ф. П. Олейник, М. В. Уланов, Р. Л. Аптекарь С. В. Голенецкий, Е. П. Мазец, Д. С. Свинкин и др.
возможности для изучения быстрой, до единиц миллисекунд, временно`й и спектральной переменности излучения космических гамма-всплесков, что исключительно важно для понимания природы и механизма генерации энергии в их источниках.
На рис. 3 и 4 показаны суммарный энергетический спектр гамма-всплеска GRB090408b (см. рис. 3) и энергетические спектры в различных фазах этого события. Данные наглядно свидетельствуют о сильной спектральной эволюции излучения всплеска.
Одним из наиболее важных результатов эксперимента КОНУС-РФ стало открытие нового, седьмого по счету, мягкого гамма-репитера. Он был обнаружен в синхронных наблюдениях аппаратуры «Конус-РФ», прибора GBM обсерватории Fermi и телескопа BAT обсерватории Swift, причем решающую роль сыграли высокая чувствительность и высокое временно`е разрешение аппаратуры «Конус-РФ» [Van der Horst et al., 2010].
С февраля по декабрь 2009 г. в эксперименте КОНУС-РФ зарегистрировано:
• 3 вспышки жесткого рентгеновского излучения Солнца;
• 82 гамма-всплеска, в том числе 52 в режиме «Всплеск»;
• 8 мягких повторных гамма-всплесков от SGR1806-20, от вспыхивающего рентгеновского пульсара AXP1E1547,0 и от нового репитера SGR0418+5729.
рис. 3. Интегральный спектр исключительно яркого гамма-всплеска GRB090408b, спектр фитируется моделью Банда [Band et al., 1993] в диапазоне энергий 10…2500 кэВ рис. 4. Спектральная эволюция гамма-всплеска GRB090408b, спектр фитируется моделью Банда в диапазоне энергий 10…2500 кэВ 188 Ф. П. Олейник, М. В. Уланов, Р. Л. Аптекарь С. В. Голенецкий, Е. П. Мазец, Д. С. Свинкин и др.
Научная программа солнечной космической обсерватории, безусловно, должна быть продолжена с целью решения следующих научных задач:
• исследования с высоким временны`м разрешением кривых яркости и энергетических спектров вспышек жесткого рентгеновского излучения Солнца;
• исследования временны`х профилей, энергетических спектров и быстрой спектральной переменности космических гамма-всплесков и мягких гамма-репитеров;
• синхронные наблюдения источников гамма-всплесков идентичными приборами с целью определения их координат триангуляционным методом.
Эти задачи налагают специфические требования к орбите космического аппарата (КА) и его ориентации в пространстве. Гамма-всплески представляют собой спорадические, редкие, кратковременные возрастания потоков космического рентгеновского и гамма-излучения в области энергий 10 кэВ – 10 МэВ. Моменты их появления и положение источников на небесной сфере не предсказуемы. Интенсивность всплесков в большинстве случаев весьма мала. Возможности обнаружения и изучения в значительной степени определяются уровнем существующего на орбите КА радиационного фона. Это справедливо и для вспышек жесткого рентгеновского излучения, несмотря на то, что их источник связан с диском Солнца.
Многолетний опыт проведения экспериментов ФТИ по исследованию гамма-всплесков и солнечных вспышек показал, что при наблюдениях с околоземных орбит с наклонением i > 50° КА значительную долю времени проводит в зонах радиационных поясов Земли. На околоземных орбитах высотой 400…500 км доля полезной продолжительности наблюдений составляет всего около ~ 20…25 %.
Помимо радиационных поясов Земли это связано с экранированием Землей примерно 40 % небесной сферы. Реально, наблюдения гамма-всплесков и солнечных вспышек на околоземных КА возможны только на приэкваториальных участках орбит на витках, свободных от зон захваченной радиации.
Ситуация кардинально меняется при наблюдениях на больших удалениях от магнитосферы Земли, превышающих 50 тыс. км.
В этом случае исключается экранирование Землей части небесной Эксперимент КОНУС-РФ: основные научные результаты и предложения… сферы и воздействие на детекторы интенсивных потоков заряженных частиц радиационных поясов Земли. Радиационный фон в межпланетном пространстве отличается достаточно высокой стабильностью, которая нарушается только солнечными вспышками, интенсивность которых становится заметной только в годы максимума солнечной активности. Доля эффективной продолжительности наблюдений солнечных вспышек и гамма-всплесков на орбите, расположенной в межпланетном пространстве, возрастает до ~90…95 %. Это, практически, устраняет угрозу пропуска наиболее интересных событий. Многолетний опыт исследований космических гамма-всплесков и солнечных вспышек в экспериментах ФТИ КОНУС на межпланетных станциях «Венера» и американском КА Wind наглядно подтверждает эффективность такого подхода.
Таким образом, для исследований вспышек жесткого рентгеновского излучения Солнца и космических гамма-всплесков чрезвычайно эффективна высокоэллиптическая орбита с высотой апогея около 300 000 км.
[Уланов и др., 2010] Уланов М. В., Аптекарь Р. Л., Голенецкий С. В. и др. Эксперимент «КОНУС-РФ» по исследованию жесткого рентгеновского и гамма-излучения солнечных вспышек и космических гамма-всплесков: первые научные результаты // Первые этапы летных испытаний и выполнение программы научных исследований по проекту «КОРОНАСФОТОН»: Тр. рабочего совещания / Под ред. Р. Р. Назирова, И. В. Чулкова, В. Н. Юрова. Таруса, 22–24 апр. 2009. М.: ИКИ РАН, 2010. С. 128– 142. (Сер. «Механика, управление и информатика»).
[Band et al., 1993] Band D., Matteson J., Ford L. et al. BATSE observations of gamma-ray burst spectra. I Spectral diversity // Astrophysical J. 1993. V. 413.
[Van der Horst et al., 2010] Van der Horst A. J. et al. Discovery of a New Soft Gamma Repeater: SGR J0418 + 5729 // Astrophysical J. Letters. 2010. V. 711. Iss. 1.
P. L1–L6.
190 Ф. П. Олейник, М. В. Уланов, Р. Л. Аптекарь С. В. Голенецкий, Е. П. Мазец, Д. С. Свинкин и др.
The KonuS-Rf expeRimenT: main ScienTific ReSulTS and SuggeSTionS foR conTinuaTion p. p. oleynik, m. V. ulanov 1, R. l. aptekar 1, S. V. golenetskii 1, e. p. mazets 1, d. S. Svinkin 1, d. d. frederiks 1, Yu. d. Kotov 2, Ioffe Institute of Russian Academy of Sciences, St-Petersburg A number of scientific results of the experiment KONUS-RF onboard Russian space observatory CORONAS-Photon are given.
The research was made by the high sensitive scintillation gammaray spectrometer Konus-RF with two detectors pointing at solar and anti-solar directions. It performed measurement of temporal and spectral characteristics of solar flares and cosmic gamma-bursts within 10 keV – 10 MeV energy range with the millisecond time resolution. The experiment had been carried out since February till November 2009. During this period there were registered 3 solar flares, 8 bursts from soft gamma- repeaters and 82 cosmic gamma-ray bursts. 21 of the bursts were detected synchronously with the Ioffe Institute KONUS-WIND experiment onboard American spacecraft Wind. Some suggestions on the further continuation of the experiment are considered.
Keywords: gamma-spectrometer, gamma-ray bursts, solar flares, soft gamma repeaters.
oleynik philipp petrovich — scientist, e-mail: [email protected].
ulanov mikhail Vladimirovich — scientist, e-mail: [email protected].
aptekar Rafail lvovich — leading scientist, PhD, e-mail: [email protected].
golenetskii Sergey Vladimirovich — senior scientist, PhD, e-mail: [email protected].
mazets evgeny pavlovich — head of laboratory, doctor of scienses, e-mail: mazets@ mail.ioffe.ru.
Svinkin dmitry Sergeevich — postgraduate student, e-mail: [email protected].
frederiks dmitry dmitrievich — senior scientist, PhD, e-mail: [email protected].
Kotov Yury dmitrievich — director, PhD, e-mail: [email protected].
Yurov Vitaly nikolaevich — deputy director, PhD, e-mail: [email protected].
УДК 523.9 : 524.3–735 : 629. излучения СолнечныХ ВСПыШеК, начатыХ на аППарате «КоронаС-Фотон»
В. а. дергачев 1, В. П. лазутков 1, г. а. матвеев 1, е. м. Круглов 1, м. и. Савченко 1, д. В. Скородумов 1, а. г. Пятигорский 1, В. м. Хилькевич 1, В. В. Хмылко 1, Учреждение Российской академии наук физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе РАН (ФТИ РАН), Санкт-Петербург Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Федерального агентства по образованию РФ, Институт астрофизики (ИАФ), Москва В данной работе предлагается новая конструкция рентгеновского поляриметра, предназначенного для измерения степени линейной поляризации жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек. Эта конструкция может рассматриваться как коренная модернизация прибора «Пингвин-М», позволяющая дергачев Валентин андреевич — заместитель директора, доктор физико-математических наук, e-mail: [email protected].
матвеев геннадий александрович — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Круглов евгений михайлович — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
лазутков Вадим Петрович — научный сотрудник, e-mail: vadim.lazutkov@ mail.ioffe.ru.
Савченко михаил иванович — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Скородумов дмитрий Всеволодович — научный сотрудник, e-mail: dmitri.
Пятигорский алексей григорьевич — ведущий инженер, e-mail: [email protected].
Хилькевич евгений михайлович — инженер, e-mail: [email protected].
Хмылко Владислав Викеньтевич — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
гляненко александр Степанович — заведующий научно-исследовательским сектором, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Котов Юрий дмитриевич — директор, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Юров Виталий николаевич — заместитель директора, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
192 В. А. Дергачев, В. П. Лазутков, Г. А. Матвеев, Е. М. Круглов, М. И. Савченко, Д. В. Скородумов и др.
существенно снизить габариты прибора и повысить эффективность использования его поверхности.
Ключевые слова: солнечные вспышки, рентгеновское излучение, поляриметр, космический эксперимент, поляризация, научная аппаратура, «Пингвин-М», «КОРОНАС-Фотон».
Проведенные наземные исследования и калибровки прибора «Пингвин-М» подтвердили возможность создания эффективного поляриметра жесткого рентгеновского излучения, основанного на измерении асимметрии поля рассеянного излучения при комптоновском рассеянии в активном рассеивателе и регистрации двойных совпадений сигнала рассеивателя (электрон отдачи) и детектора рассеянного излучения [Дергачев и др., 2009а, 2010а]. Напомним, что прибор «Пингвин-М» успешно функционировал на борту космического аппарата (КА) «КОРОНАС-Фотон» [Дергачев и др., 2009б, 2010б].
На рис. 1 представлены схемы детекторного узла прибора «Пингвин-М» (а) и новой конструкции поляриметра (б). Оба рисунка сделаны в одном масштабе, что дает возможность сравнить размеры обоих приборов. На рисунке заштрихованными прямоугольниками изображены кристаллы NaI или CsI, а светлыми кружками (а, б) или их частями (б) — пластические сцинтилляторы (паратерфенил или полистирол).
Конструкция, представленная на рис. 1б может рассматриваться как базовый элемент. Она допускает наращивание площади поляриметра путем совмещения таких элементов. На рис. 2 показана конструкция поляриметра, составленная из трех таких элементов. Как показал расчет, эффективная площадь поляриметра, представленного на рис. 2, в полтора раза выше, чем у прибора «Пингвин-М».
В приборе «Пингвин-М» тонкие кристаллы, регистрирующие рассеянное излучение, просматривались фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) с основной плоскости, что определило горизонтальное расположение последних. В новой конструкции предполагается просматривать кристаллы, регистрирующие рассеянное излучение, с торца. Это дает возможность расположить все ФЭУ вертикально. Такое расположение, кроме повышения прочности, надежности и технологичности конструкции, существенно снижает непроизводительную площадь прибора. Кристалл в данной конструкции имеет прямоугольную форму. Экспериментальное исследование такого модельного детектора с кристаллом CsI показало, что максимальный разброс амплитуды сигнала от радиоактивного источника по поверхности кристалла не превышает 15 %.
Перспективы продолжения экспериментов по измерению поляризации… рис. 1. Детекторные блоки прибора «Пингвин-М» (а) рис. 2. Конструкция поляриметра, составленного Прибор «Пингвин-М» содержит четыре активных рассеивателя и шесть детекторов рассеянного излучения. Таким образом при регистрации совпадений каждого рассеивателя с каждым детектором рассеянного излучения получается 24 типа двойных совпадений.
194 В. А. Дергачев, В. П. Лазутков, Г. А. Матвеев, Е. М. Круглов, М. И. Савченко, Д. В. Скородумов и др.
Такая высокая избыточность информации (для определения поляризации минимально необходимо три независимых направления) позволяет отделять приборные эффекты (уход энергетических порогов) от поляризационных, что кардинально повышает надежность получаемой информации [Дергачев и др., 2010а].
В силу принципиального значения избыточность снимаемой поляриметрической информации сохранена и в новой конструкции поляриметра. Это достигается тем, что в качестве рассеивателей используется как центральный пластический рассеиватель, так и пластическая часть каждого комбинированного детектора. В качестве детекторов рассеянного излучения используются кристаллические части комбинированных детекторов. Различение сигнала от пластика и кристалла на каждом ФЭУ комбинированного детектора производится по форме импульса. Учитывая, что совпадения сигналов с пластика и кристалла в пределах одного комбинированного детектора не фиксируются, получается 36 типов двойных совпадений между органическими и неорганическими сцинтилляторами (5·6 + 6 = 36).
На рис. 3 приведен один из вариантов новой конструкции детекторного блока поляриметра.
В приборе «Пингвин-М» для сцинтилляционных детекторов проводилась стабилизация усиления с помощью светодиодов и калибровка с помощью встроенного радиоактивного источника на основе изотопа 133Ba, а пропорциональный детектор калибровался рис. 3. Вариант новой конструкции детекторного блока Перспективы продолжения экспериментов по измерению поляризации… с помощью встроенного радиоактивного источника на основе изотопа 55Fe. Подстройка усиления по результатам калибровок производилась с помощью команд, подаваемых на борт КА. Эта схема стабилизации энергетических порогов успешно функционировала на всех этапах работы с прибором «Пингвин-М» [Дергачев и др., 2009б, 2010б], поэтому возможно применить подобную схему стабилизации энергетических порогов и для нового прибора.
Использование пассивных -источников в качестве контрольных реперов создает дополнительный -фон, в том числе и в канале двойных совпадений. Возможно применение «меченых»
-источников, где в качестве метки используется предшествующий - или -распад. При высокой эффективности «метки», регистрируемой в специальном детекторе (тонкий сцинтиллятор + ФЭУ), вклад такого источника в фон детекторов будет незначительным.
В настоящее время ведутся работы по созданию такого «меченого»
-источника.
Одним из факторов, ухудшающих глубину модуляции по азимутальному углу при измерении поляризации, является многократное рассеяние -кванта как в самом рассеивателе, так и в конструкционных материалах прибора. Точное определение энергетических потерь в совпадающих по времени детекторах (точность определяется разрешением детекторов) с учетом кинематических ограничений процесса однократного рассеяния позволяет снизить вклад событий, связанных с многократным рассеянием.
В этой связи и вообще для улучшения характеристик прибора имеет смысл рассмотреть возможность записи подробной и максимально точной информации по каждому событию (зарегистрированному кванту). Можно ограничиться только двойными совпадениями, учитывая, что скорость счета в двойных совпадениях (поляриметрическая информация) составляет несколько процентов от скорости счета прямого излучения (одиночные события). В аппаратуре «Пингвин-М» для накопления информации в двойных совпадениях использовалась довольно грубая сетка порогов: в рассеивателях — четыре, а в детекторах рассеянного излучения — пять энергетических окон. Такого грубого разбиения недостаточно для очистки информации от событий, вызванных многократным рассеянием.
[Дергачев и др., 2009 а] Дергачев В. А., Матвеев Г. А., Круглов Е. М., Лазутков В. П., Савченко М. И., Скородумов Д. В., Пятигорский Г. А., Чичикалюк Ю. А., Шишов И. И., Хмылко В. В., Васильев Г. И., Драневич В. А., 196 В. А. Дергачев, В. П. Лазутков, Г. А. Матвеев, Е. М. Круглов, М. И. Савченко, Д. В. Скородумов и др.
Крутьков С. Ю., Степанов С. В., Котов Ю. Д., Юров В. Н., Гляненко А. С., Архангельский А. И., Горелый Ю. А., Рубцов И. В. Поляриметрия жесткого рентгеновского излучения прибором «Пингвин-М», основанным на эффекте комптоновского рассеяния, в космическом эксперименте «КОРОНАС-Фотон» // Изв. РАН, Сер. физ. 2009. Т. 73. № 3. С. 437–438.
[Дергачев и др., 2009б] Дергачев В. А., Круглов Е. М., Лазутков В. П., Матвеев Г. А., Пятигорский А. Г., Савченко М. И., Скородумов Д. В., Котов Ю. Д., Гляненко А. С., Архангельский А. И., Бессонов М. В., Буслов А. С., Юров В. Н. Первые результаты работы прибора «Пингвин-М» на борту КА «КОРОНАС-Фотон» // Тр. Всерос. ежегод. конф. по физике Солнца «Год астрономии: Солнечная и солнечно-земная физика – 2009». СанктПетербург, Пулково. 5–11 июля 2009. СПб.: ГАО РАН, 2009. С. 165–168.
[Дергачев и др., 2010а] Дергачев В. А., Матвеев Г. А., Круглов Е. М., Лазутков В. П., Савченко М. И., Скородумов Д. В., Пятигорский А. Г., Пятигорский Г. А., Чичикалюк Ю. А., Шишов И. И., Хмылко В. В., Васильев Г. И., Драневич В. А., Крутьков С. Ю., Степанов С. В., Котов Ю. Д., Юров В. Н., Гляненко А. С., Архангельский А. И., Горелый Ю. А., Рубцов И. В. Прибор «Пингвин-М», предназначенный для исследования поляризации жесткого рентгеновского излучения Солнца в космическом проекте «КОРОНАС-Фотон» // Первые этапы летных испытаний и выполнение программы научных исследований по проекту «КОРОНАС-ФОТОН»:
Тр. рабочего совещания. Россия, Таруса. 22–24 апр. 2009. М.: ИКИ РАН, 2010. C. 83–106. (Сер. «Механика, управление и информатика»).
[Дергачев и др., 2010б] Дергачев В. А., Матвеев Г. А., Круглов Е. М., Лазутков В. П., Савченко М. И., Скородумов Д. В., Пятигорский А. Г., Шишов И. И., Котов Ю. Д., Юров В. Н., Гляненко А. С., Архангельский А. И., Бессонов М. В., Буслов А. С. Функционирование поляриметра жесткого рентгеновского излучения Солнца «Пингвин-М» на борту космического аппарата «КОРОНАС-Фотон» // Первые этапы летных испытаний и выполнение программы научных исследований по проекту «КОРОНАС-ФОТОН»: Тр. рабочего совещания. Россия, Таруса. 22– 24 апр. 2009. М.:ИКИ РАН, 2010. C. 167–182. (Сер. «Механика, управление и информатика).
Перспективы продолжения экспериментов по измерению поляризации… expeRimenTS on meaSuRemenT of SolaR x-RaY flaReS polaRiZaTion begun on coRonaS-phoTon V. a. dergachev 1, g. a. matveev 1, e. m. Kruglov 1, V. p. lazutkov 1, m. i. Savchenko 1, d. V. Skorodumov 1, a. g. pyatigorsky 1, In the given work the new construction of X-ray polarimeter, intended for measurement of linear polarization degree of hard X-ray radiation of solar flares, is offered. The offered construction can be considered as radical modernization of the device Penguin-M, allowing essentially to lower dimensions of the device and to raise efficiency of use of his surface.
Keywords: solar flare, X-ray, polarimetry, space experiment, polarization, scientific equipment, Penguin-M, CORONAS-Photon.
dergachev Valentin andreevich — deputy director, doctor of sciences, e-mail:
matveev gennady aleksandrovich — senior scientist, PhD, e-mail: genadiy.
Kruglov evgeny mikhailovich — senior scientist, PhD, e-mail: E.Kruglov@mail.
ioffe.ru.
lazutkov Vadim petrovich — scientist, e-mail:[email protected].
Savchenko mikhail ivanovich — senior scientist, PhD, e-mail: mikhail.savchenko@ mail.ioffe.ru.
Skorodumov dmitry Vsevolodovich — scientist, e-mail: dmitri.skorodumov@mail.
ioffe.ru.
pyatigorsky aleksei gregorievich — leading engineer, e-mail: [email protected].
Khmylko Vladislav Vikentevich — senior scientist, PhD, e-mail: [email protected].
Khilkevitch evgeny mikhailovich — engineer, e-mail: [email protected].
Kotov Yury dmitrievich — director, PhD, e-mail: [email protected].
glyanenko alexander Stepanovich — head of the scientific group, PhD, e-mail:
Yurov Vitaly nikolaevich — deputy director, PhD, e-mail: [email protected].
УДК 523.9- гамма-СПеКтрометры на оСноВе Сцинтилляционного КриСталла labr3(ce) и Сжатого КСенона для региСтрации линейчатого гамма-излучения К. Ф. Власик, В. В. дмитренко, В. м. грачев, е. а. жучкова, Ю. д. Котов, а. В. Кочемасов, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (НИЯУ МИФИ) Федерального агентства Представлены основные результаты изучения спектрометрических характеристик сцинтиллятора LaBr3(Ce) и ксенонового детектора, имеющих наилучшее энергетическое разрешение, равное 3 и 2 %, соответственно, для энергии гамма-квантов 662 кэВ. Эффективная площадь кристалла LaBr 3(Ce) размером 7,67,6 см и детектора на сжатом ксеноне с чувствительным объемом 2000 см3 составила 20 см2 для энергии 1 МэВ. Высокие линейность энергетической шкалы, температурная стабильность и радиационная стойкость делают эти детекторы наиболее перспективными для проведения космических экспериментов по исследованию гамма-излучения солнечных вспышек.
Власик Константин Федорович — ведущий инженер, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
дмитренко Валерий Васильевич — профессор, доктор физико-математических наук, e-mail: [email protected].
грачев Виктор михайлович — доцент, e-mail: [email protected].
жучкова евгения анатольевна — инженер, e-mail: [email protected].
Котов Юрий дмитриевич — директор ИАФ МИФИ, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Кочемасов алексей Викторович — инженер, e-mail: [email protected].
лупарь евгений эдуардович — инженер, e-mail: [email protected].
трофимов Юрий алексеевич — инженер, e-mail: [email protected].
улин Сергей евгеньевич — профессор, доктор физико-математических наук, e-mail: [email protected].
утешев зияэтдин мухамедович — старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Юров Виталий николаевич — заместитель директора ИАФ МИФИ, кандидат физико-математических наук, e-mail: [email protected].
Гамма-спектрометры на основе сцинтилляционного кристалла LaBr3(Ce) и сжатого ксенона… Ключевые слова: сцинтиллятор LaBr3(Ce), сжатый ксенон, спектрометры гамма-излучения, энергетическое разрешение, радиационная стойкость, собственная активность, космические исследования Солнца, солнечные вспышки.
Исследование гамма-излучения, которое образуется во время солнечных вспышек, крайне важно для понимания ядерных процессов, происходящих на поверхности и в недрах Солнца, а также для предсказания результатов воздействия солнечной активности как на Землю, так и на околоземное космическое пространство.
За долгое время изучения Солнца с помощью космических аппаратов детекторы на основе сцинтилляционных кристаллов NaI(Tl) и BGO широко использовались для регистрации гамма-излучения солнечных вспышек. Высокая эффективность и возможность промышленного изготовления кристаллов NaI и BGO больших размеров позволяют создать научную аппаратуру, обладающую большой светосилой. Однако детекторы этого типа имеют невысокое энергетическое разрешение, которое обычно не превышает 7 % для сцинтиллятора NaI(Tl) и 12 % для BGO, соответствующее энергии гаммаквантов 662 кэВ. Сравнение характеристик детекторов различных солнечных космических экспериментов приведено в табл. 1.
Наиболее перспективными для наблюдения солнечных вспышек в рентгеновском и гамма-диапазонах считаются полупроводниковые детекторы из особо чистого германия, энергетическое разрешение которых на порядок лучше, чем у сцинтилляционных детекторов.
Но для достижения высокого энергетического разрешения германиевые детекторы необходимо охлаждать до температуры жидкого азота (–196 °С), поэтому в условиях космического эксперимента требуется организация пассивного или активного охлаждения германиевых детекторов, что приводит к увеличению массы и размеров научной аппаратуры. Другим недостатком полупроводниковых детекторов является ухудшение их энергетического разрешения в результате радиационных повреждений кристаллов, вызванных потоками высокоэнергичных космических частиц, во время длительного пребывания научной аппаратуры на орбите.
По этим причинам задача создания гамма-спектрометрической аппаратуры для исследования Солнца, обладающей высокими энергетическим разрешением и чувствительностью, радиационной стойкостью и температурной стабильностью, остаётся актуальной и в настоящее время.
основные характеристики детекторов различных солнечных космических экспериментов Солнечная миссия орбита, тип детектора, энергетический энергетическое разрешение эффективная площадь (1980–1989) 1991], (1991–2001) (2002) [Котов и др., 2011], 82,5° 3884,5 cм, 16 шт.
«Наталья-2М», (2009) Гамма-спектрометры на основе сцинтилляционного кристалла LaBr3(Ce) и сжатого ксенона… Сцинтилляционного КриСталла labr3(ce) Со времени открытия в 2001 г. сегодня коммерчески производятся сцинтилляционные кристаллы бромид лантана LaBr3(Ce), активированного церием, больших размеров, порядка тысячи кубических сантиметров, и поэтому стало возможным рассматривать применение этого сцинтиллятора для исследования гамма-излучения солнечных вспышек.
Бромид лантана обладает прекрасными сцинтилляционными свойствами, представленными в табл. 2. Световой выход сцинтиллятора LaBr3(Ce) составляет 63 000 фотон/МэВ, что в 1,65 раза больше, чем световой выход традиционного сцинтиллятора NaI(Tl). Благодаря высокому световому выходу и хорошей линейной зависимости светового выхода от энергии гамма-квантов, LaBr3(Ce) имеет энергетическое разрешение в два раза лучше, чем у кристалла NaI(Tl).
Для энергии гамма-квантов 662 кэВ энергетическое разрешение сцинтиллятора LaBr3(Ce) составляет 3 %, что в настоящее время является наилучшим значением для сцинтилляционных кристаллов.
В табл. 3 приведены значения энергетического разрешения и отношения эффективности по пику полного поглощения для сцинтилляторов LaBr3(Ce) и NaI(Tl) одинакового размера — 7,67,6 см [BrilLanCe™…, 2009].
Высокая плотность 5,3 г/см3 и эффективный атомный номер Z = 47 позволяют для сцинтиллятора LaBr3(Ce) получить эффективность регистрации гамма-квантов, особенно в фотопике, превосходящую эффективность кристаллов NaI(Tl) и чистого германия. На рис. 1 представлены расчетные зависимости значений эффективной площади от энергии гамма-квантов для кристаллов LaBr3(Ce) различных размеров, выпускаемых промышленно. Полученные в результате математического моделирования с помощью пакета программ GEANT4 значения эффективной площади по пику полного поглощения (произведение эффективности детектора по фотопику и его чувствительной площади) составили 20 см для LaBr3(Ce) размером 7,67,6 см и 40 см2 для LaBr3(Ce) размером 7,620 см для энергии гамма-квантов, равной 1 МэВ. Для увеличения эффективности регистрации гамма-излучения солнечных вспышек возможно использование сборки из нескольких кристаллов LaBr3(Ce), как это было сделано для кристаллов NaI(Tl) и чистого германия в космических экспериментах, представленных в табл. 1.
основные физические характеристики сцинтилляционных кристаллов и чистого германия фотон/МэВ % от светового выхода NaI(Tl) энергии 662 кэВ, % ценции, нм Сравнение спектрометрических характеристик сцинтилляционных кристаллов labr3(ce) и nai(Tl), радионуклид энергия гамма- энергетическое разрешение энергетическое разрешение отношение площади фотопика labr3(ce) Гамма-спектрометры на основе сцинтилляционного кристалла LaBr3(Ce) и сжатого ксенона… рис. 1. Расчетные значения эффективной площади сцинтилляторов LaBr3(Ce) по пику полного поглощения для кристаллов различных размеров рис. 2. Отклик сцинтиллятора LaBr3(Ce) размером 7,67,6 см на солнечную вспышку 04.06.1991 г. класса Х12+ 204 К. Ф. Власик, В. В. Дмитренко, В. М. Грачев, Е. А. Жучкова, Ю. Д. Котов, А. В. Кочемасов и др.
Для изучения способности сцинтиллятора LaBr3(Ce) регистрировать гамма-линии солнечных вспышек был рассчитан отклик кристалла LaBr3(Ce) размером 7,67,6 см на солнечную вспышку 04.06.1991 г. класса Х12+, характеристики которой были исследованы аппаратурой OSSE CGRO [Murphy et al., 1997]. Результаты моделирования, представленные на рис. 2, демонстрируют хорошую способность сцинтиллятора LaBr3(Ce) разрешать все основные гамма-линии солнечных вспышек.
Достоинством сцинтиллятора LaBr3(Ce) является его высокое быстродействие. При оптимальной концентрации Се3+ время высвечивания LaBr3(Ce) достигает 16 нс при отсутствии интенсивной медленной компоненты и послесвечения, что обеспечивает временно`е разрешение порядка нескольких сотен пикосекунд для детекторов этого типа [BrilLanCe™…, 2009].
Кроме того, сцинтиллятор LaBr3(Ce) обладает высокой температурной стабильностью. Нестабильность светового выхода кристалла LaBr3(Ce) в зависимости от температуры составляет около 0,01 %/°C, а энергетическое разрешение детектора LaBr3(Ce) изменяется с 3,3 до 3,5 % для энергии гамма-квантов 662 кэВ при изменении температуры от –30 до +60 °С, что объясняется температурной нестабильностью фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) [Moszynski et al., 2006].
Для изучения радиационной стойкости сцинтиллятор LaBr3(Ce) облучался протонами с энергиями 61…184 МэВ. Спектр протонов имитировал мощную солнечную вспышку в августе 1972 г. [Owens et al., 2007]. Энергетическое разрешение LaBr3(Ce) не ухудшилось при увеличении флюенса протонов до 1011 протон/см2. При увеличении флюенса протонов выше 1010 протон/см2 в спектре появились значимые активационные линии, соответствующие изотопам 76Br, Br и 79Kr. Величина активации кристалла LaBr3(Ce) соответствует величине активации кристаллов CsI(Tl) и германия при флюенсах протонов выше 1010 протон/см2 (поглощенная доза составила 100 Гр) и на порядок меньше, чем у германия при флюенсах протонов ниже 1010 протон/см2.
Существенным недостатком сцинтиллятора LaBr 3(Ce) является его собственная активность, которая может мешать проведению низкофоновых измерений. Собственная активность кристалла LaBr3(Ce) определяется наличием в нем изотопа 138La, концентрация которого составляет 0,09 % от природного изотопа 139La, и 227Ac.
На рис. 3 показаны спектр фона сцинтиллятора LaBr3(Ce) размером 2,542,54 см и линии, обусловленные распадом изотопов 138La и семейства 227Ac [BrilLanCe™…, 2009].
Гамма-спектрометры на основе сцинтилляционного кристалла LaBr3(Ce) и сжатого ксенона… рис. 3. Фоновый спектр, измеренный сцинтиллятором LaBr3(Ce) Суммарная собственная активность LaBr 3 (Ce) составила 3 отсчет·с–1 см–3 в диапазоне энергий 20…3000 кэВ. Суммарная собственная активность, вызванная распадом семейства изотопа 227Ac, составила 0,6 отсчет·с–1 см–3 в диапазоне энергий 1700…3000 кэВ.
Уменьшить собственную активность LaBr3(Ce) на 20 % можно путем снижения загрязнения изотопом 227Ac исходного сырья, используемого при производстве кристаллов LaBr3(Ce).
К недостаткам сцинтиллятора LaBr3(Ce) можно отнести его высокую гигроскопичность и стоимость. Стоимость кристалла LaBr3(Ce) размером 7,67,6 см производства фирмы «Сент Гобен» (Франция) составляет 56 000 дол., кристалл LaBr3(Ce) размером 2,542,54 см, изготовленный в Институте физики твердого тела РАН (Россия), стоит 3500 дол.
Благодаря высоким энергетическому разрешению, радиационной стойкости и температурной стабильности сцинтиллятор LaBr3(Ce) можно считать хорошей альтернативой не только кристаллам NaI(Tl), но и сверхчистому германию, при проведении космических экспериментов по исследованию гамма-излучения солнечных вспышек.
206 К. Ф. Власик, В. В. Дмитренко, В. М. Грачев, Е. А. Жучкова, Ю. Д. Котов, А. В. Кочемасов и др.
гамма-СПеКтрометр на оСноВе Сжатого КСенона Первые работы по созданию ксеноновых гамма-детекторов были выполнены в Московском инженерно-физическом институте (МИФИ) в начале 1980 г. [Власик и др., 1999]. Они базировались на результатах ранее проведенных в МИФИ фундаментальных исследований свойств ксенона как рабочего вещества детекторов и показали, что физический предел энергетического разрешения ксеноновых детекторов составляет около 0,5 % для гамма-квантов с энергией 662 кэВ [Дмитренко и др., 1980].
Для проведения исследований на космических аппаратах был разработан гамма-детектор, схема которого показана на рис. 4. Основой детектора является наполненная сжатым ксеноном цилиндрическая ионизационная камера с экранирующей сеткой, работающая в импульсном режиме. Зарядочувствительный усилитель рис. 4. Общая схема ксенонового гамма-детектора: 1 — преобразователь напряжения для высоковольтного источника; 2 — зарядочувствительный усилитель; 3 — кран для наполнения детектора газом; 4 — блок высоковольтного питания; 5 — керамический гермоввод; 6 — цилиндрическая ионизационная камера; 7 — анод; 8 — экранирующая сетка; 9 — термоизоляция; 10 — катод, являющийся корпусом ионизационной камеры; 11 — защитный алюминиевый корпус Гамма-спектрометры на основе сцинтилляционного кристалла LaBr3(Ce) и сжатого ксенона… предназначен для усиления электрического сигнала, образующегося на аноде камеры при регистрации вторичных заряженных частиц, возникающих в результате взаимодействия гамма-квантов с рабочим веществом детектора — ксеноном. Высоковольтный источник питания вырабатывает напряжения 20 и 10 кВ, подаваемые на катод и экранирующую сетку гамма-детектора. Корпус ионизационной камеры с толщиной стенки 3 мм обеспечивает двукратный запас механической прочности. Наружный алюминиевый корпус предназначен для герметизации и защиты ксенонового детектора от внешних механических воздействий, на его лицевой панели имеются разъемы, через которые обеспечивается подача напряжения питания и вывод полезного сигнала.
Преимуществом ксенонового детектора является высокое энергетическое разрешение, которое составляет 2,0 % при энергии гамма-квантов 662 кэВ. На рис. 5 представлены зависимости энергетического разрешения от энергии гамма-квантов для ксенонового детектора и сцинтилляторов LaBr3(Ce) и NaI(Tl) размером 7,67,6 см, которые показывают, что энергетическое разрешение детектора на сжатом ксеноне в 1,5 раза лучше, чем энергетическое разрешение сцинтиллятора LaBr3(Ce), и в 3,5 раза лучше, чем у кристалла NaI(Tl). Ксеноновый детектор имеет линейную зависимость положения пика полного поглощения от энергии гамма-квантов.
Для диапазона энергий 0,05…2,6 МэВ отклонение этой зависимости от прямой линии не превышает 0,5 %.
рис. 5. Энергетическое разрешение ксенонового детектора 208 К. Ф. Власик, В. В. Дмитренко, В. М. Грачев, Е. А. Жучкова, Ю. Д. Котов, А. В. Кочемасов и др.
Эффективность регистрации по пику полного Детектор на основе сжатого ксенона имеет высокую температурную стабильность. При изменении температуры от 10 до 175 °С энергетическое разрешение детектора меняется на величину менее 0,5 %, а положение пика полного поглощения смещается на величину менее 1 % от значений при комнатной температуре, что объясняется нагревом электронных компонентов зарядочувствительного усилителя, а не ухудшением характеристик самого ксенонового детектора.
Ксеноновый детектор обладает высокой радиационной стойкостью [Власик и др., 1998]. Не наблюдалось ухудшения энергетического разрешения и изменения положения пика полного поглощения при облучении детектора на сжатом ксеноне потоками нейтронов с флюенсом 107 нейтрон/см2 и энергией до 12 МэВ. При этом было обнаружено, что ксеноновый детектор активируется, по крайней мере, в 20 раз меньше, чем сцинтиллятор NaI(Tl). В отличие от кристалла LaBr3(Ce), в фоновом спектре ксенонового детектора появляются только две активационные линии ксенона с энергиями 164 и 236 кэВ и периодами полураспада 12 и 9 дней. Детектор на сжатом ксеноне не имеет собственной активности.
Недостатком ксенонового детектора является его невысокая эффективность регистрации гамма-квантов высоких энергий. Эффективность регистрации по фотопику данного детектора на сжатом ксеноне составляет 11 % для энергии гамма-квантов 662 кэВ и снижается до 4 % для энергии 1332 кэВ, при расположении источника вдоль оси детектора. При расположении источника перпендикулярно оси детектора эффективность регистрации гамма-квантов составляет 4 и 1 % для энергии 662 и 1332 кэВ, соответственно. Эффективная площадь ксенонового детектора, имеющего чувствительный объем 2000 см3 и плотность ксенона 0,4 г/см3, равна 20 см2 для энерГамма-спектрометры на основе сцинтилляционного кристалла LaBr3(Ce) и сжатого ксенона… гии гамма-квантов 1 МэВ. Повысить эффективность регистрации гамма-квантов ксеноновым детектором можно путем увеличения чувствительного объема детектора и повышения плотности ксенона.
В настоящее время на базе цилиндрического ксенонового детектора создается гамма-спектрометрическая аппаратура «Сигнал», предназначенная для регистрации линейчатого гамма-излучения солнечных вспышек и космических гамма-всплесков, которую планируется установить на космическом аппарате «Интергелиозонд».
Среди существующих детекторов гамма-излучения, за исключением полупроводниковых детекторов из особо чистого германия, сцинтиллятор LaBr3(Ce) и детектор на основе сжатого ксенона обладают наилучшим энергетическим разрешением, равным 3 и 2 %, соответственно, для энергии гамма-квантов 662 кэВ. Эффективная площадь кристалла LaBr3(Ce) размером 7,67,6 см и детектора на сжатом ксеноне с чувствительным объемом 2000 см3 составляет 20 см2 для энергии 1 МэВ. Кроме того, рассмотренные детекторы обладают высокой линейностью, температурной стабильностью и радиационной стойкостью, что делает их перспективными для использования при проведении космических экспериментов по исследованию гаммаизлучения солнечных вспышек. Характеристики обоих детекторов позволяют эффективно регистрировать и исследовать линейчатое гамма-излучение в солнечных вспышках, но следует отметить, что верхняя граница диапазона регистрации гамма-квантов детектора на сжатом ксеноне будет составлять 3…5 МэВ.
[Власик и др., 1998] Власик К. Ф., Грачев В. М., Дмитренко В. В., Улин С. Е., Утешев З. М., Юркин Ю. Т. Влияние потоков протонов и нейтронов на спектрометрические характеристики гамма-спектрометра на сжатом ксеноне // Приборы и техника эксперимента. 1998. № 3. C. 19–24.
[Власик и др., 1999] Власик К. Ф., Грачев В. М., Дмитренко В. В., Улин С. Е., Утешев З. М. Гамма-спектрометры на сжатом ксеноне // Приборы и техника эксперимента. 1999. № 5. C. 114–122.
[Глобус, Гринев, 2000] Глобус М. Е., Гринев Б. В. Неорганические сцинтилляторы. Новые и традиционные материалы. Харьков: Акта, 2000.
[Дмитренко и др., 1980] Дмитренко В. В., Романюк А. С. и др. Сжатый ксенон как рабочее вещество для регистрации гамма-квантов малых энергий // Элементарные частицы и космические лучи. 1980. Вып. 5. C. 72.
210 К. Ф. Власик, В. В. Дмитренко, В. М. Грачев, Е. А. Жучкова, Ю. Д. Котов, А. В. Кочемасов и др.
[Котов и др., 2011] Котов Ю. Д., Юров В. Н., Лупарь Е. Э., Власик К. Ф., Архангельский А. И., Гляненко А. С., Рубцов И. В., Кадилин В. В., Тышкевич В. Г. Спектрометр высокоэнергичных излучений «Наталья-2М».
Функционирование на орбите в составе КА «КОРОНАС-Фотон»
// Астроном. вестн. 2011. Т. 45. № 2. С. 103–127.
[BrilLanCe™…, 2009] BrilLanCe™ Scintillators Performance Summary, 2009.
[Электронный ресурс]. Режим доступа: www.detectors.saint-gobain.com.
[Forrest et al., 1980] Forrest D. J., Chupp E. L. et al. The gamma-ray spectrometer for the solar maximum mission // Solar Physics. 1980. V. 65. P. 15–23.
[Johnson et al., 1993] Johnson W. N., Kinzer R. L. et al. The Oriented Scintillation Spectrometer Experiment instrument description // Astrophysical J. Supplement Series. 1993. V. 86. P. 693–712.
[Moszynski et al., 2006] Moszynski M., Nassalski A. et al. Temperature dependences of LaBr3(Ce), LaCl3(Ce) and NaI(Tl) scintillators // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2006. V. А568. P. 739–751.
[Murphy et al., 1997] Murphy R. J., Share G. H. et al. Accelerated particle composition and energetics and ambient abundances from gamma-ray spectroscopy of the 1991 June 4 solar flare // Astrophysical J. 1997. V. 490. P. 883–900.
[Owens et al., 2007] Owens A., Bos A. J. J. et al. Assessment of the radiation tolerance of LaBr3(Ce) scintillators to solar proton events // Nuclear Instruments and Methods in Physics Research. 2007. V. А572. P. 785–793.
[Smith et al., 2002] Smith D. M., Lin R. P. et al. The RHESSI spectrometer // Solar Physics. 2002. V. 210. P. 33–60.
[Yoshimori et al., 1991] Yoshimori M., Okudaira K. et al. The wide band spectrometer on the SOLAR-A // Solar Physics. 1991. V. 136. P. 69–88.
gamma-RaY SpecTRomeTeRS baSed on labr3(ce) ScinTillaToR and high pReSSuRe xenon K. f. Vlasik, V. V. dmitrenko, V. m. grachev, e. a. Zhuchkova, Yu. d. Kotov, a. V. Kochemasov, e. e. lupar, Yu. a. Trofimov, The basic results of an investigation into spectrometric characteristics of LaBr3(Ce) scintillator and xenon detector, having the high energy resolution at gamma-ray energy of 662 keV equal 3 and 2 %, accordingly, are presented. The effective area of 7.67.6 cm LaBr3(Ce) crystal and high pressure xenon detector with 2000 cm Гамма-спектрометры на основе сцинтилляционного кристалла LaBr3(Ce) и сжатого ксенона… sensitive volume is 20 cm2 at 1 MeV. Good linearity, high temperature stability and radiation hardness, do these detectors by the most perspective for carrying out of space experiments on research of solar flares gamma-ray emission.
Keywords: LaBr3(Ce)-scintillator, high pressure xenon, gamma-ray spectrometers, energy resolution, radiation hardness, selfactivity, Solar space research, solar flares.
Vlasik Konstantin fedorovich — leading engineer, PhD, e-mail: [email protected].
dmitrenko Valery Vasilyevich — professor, Ph.D, e-mail: [email protected].
grachev Victor mikchailovich — associate professor, PhD, e-mail: VMGrachev@ mephi.ru.
Zhuchkova evgenya anatolevna — engineer, e-mail: [email protected].
Kotov Yury dmitrievich — director of the Astrophysics Institute MEPhI, PhD, e-mail: [email protected].
Kochemasov alexey Viktorovich — engineer, e-mail: [email protected].
lupar evgeny eduardovich — engineer, e-mail: [email protected].
Trofimov Yury alekseevich — engineer, e-mail: [email protected].
ulin Sergey evgenievich — professor, Ph.D, e-mail: [email protected].
uteshev Ziyaetdin mukhamedovich — Senior scientist, PhD, e-mail: ZMUteshev@ mephi.ru.
Yurov Vitaly nikolaevich — deputy director of the Astrophysics Institute MEPhI, PhD, e-mail: [email protected].
«