Содержание к диссертации
Введение
1. МЕХАНИШЫ УСКОРЕНИЯ ЧАСТИЦ В СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШКАХ И МЕ
ТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО КОРОТКОВОЛНОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ.... 9
1.1. Феноменология и классификация солнечных вспышек. . 12
1.2. Модели вспышек и механизмы ускорения частиц 16
1.3. Рентгеновское и гамма-излучение вспышек 20
1.3.1. Ускоренные протоны и гамма-излучение. 21
1.3.2. Жесткое рентгеновское излучение 26
2. СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКАЯ РЕНТГЕНОВСКАЯ АППАРАТУРА РГС-ІМ.... 37
2.1. Общая характеристика аппаратуры и условий ее работы. 37
2.2. Состав и работа аппаратуры 39
2.3. Настройка и испытания аппаратуры 53
2.4. Эффективность регистрации рентгеновского излучения и чувствительность аппаратуры... 58
2.5. Сцинтилляционные детекторы 64
2.6. Пропорциональные счетчики РД-І и РД-2 66
2.7. Пропорциональный счетчик РД-3 72
3. СТРУКТУРА ЖЕСТКОГО РШТГШОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ
ВСПЫШЕК ПО ЭКСПЕРИМШТАЛЪНЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ, ПОЛУЧЕННЫМ
С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА РГС-ІМ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСКОРЕННЫХ
ЧАСТИЦ 92
3.1. Поиск и первичная обработка информации, полученной с высоким временным разрешением 92
3.2. Характеристики вспышек 111
3.3. Временные характеристики жесткого рентгеновского излучения 117
3.4. Спектральные и энергетические характеристики жесткого рентгеновского излучения 122
3.5. Характеристики ускоренных электронов и областей генрации излучения 133
4. ВОЗМОЖНОСТИ ИССЛЕДОВАНИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО
ИЗЛУЧШИЯ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК С ПШОЩЬЮ АППАРАТУРЫ, ПОД
НИМАВШИ НА ВЫСОТНЫХ АЭРОСТАТАХ 138
4.1. Поляризация квантов как источник информации о характеристиках излучающих электронов 138
4.2. Физические основы измерения поляризации рентгеновского излучения 143
4.3. Изучение поляризации по анизотропии излучения, рассеянного земной атмосферой 155
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..... 168
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 172
- Феноменология и классификация солнечных вспышек.
- Общая характеристика аппаратуры и условий ее работы.
- Поиск и первичная обработка информации, полученной с высоким временным разрешением
- Поляризация квантов как источник информации о характеристиках излучающих электронов
class1 МЕХАНИШЫ УСКОРЕНИЯ ЧАСТИЦ В СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШКАХ И МЕ
ТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО КОРОТКОВОЛНОВОМУ ИЗЛУЧЕНИЮ class1
Феноменология и классификация солнечных вспышек.
Солнечные вспышки являются наиболее ярким проявлением солнечной активности. Во время мощных вспышек может выделяться огромная энергия, достигающая I03 эрг /16/, Вспышки могут отличаться друг от друга в широких пределах как по разнообразию их проявлений, так и по общей энергетике. Это связано со сложностью этого явления и разнообразием условий, в которых оно протекает.
В общем солнечную вспышку можно охарактеризовать /17/ как реакцию солнечной атмосферы, главным образом хромосферы и короны, на внезапный быстрый процесс выделения энергии, который приводит прежде всего к локализованному нагреву, а также к ускорению электронов, протонов и тяжелых ионов. Вспышка проявляется в кратковременном усилении электромагнитного излучения в широком диапазоне длин волн, от жестких рентгеновских лучей с длиной волны меньше I А и гамма-лучей с длиной волны около о 0,02 А до километровых радиоволн, и в выбросе ускоренных частиц. Ш своей природе излучение вспышки имеет преимущественно тепловой характер. Только в области жесткого рентгеновского излучения и в радиодиапазоне наблюдаются нетепловые импульсные кратковременные всплески излучения, генерируемые энергичными частицами или ударными волнами.
Исторически вспышки были открыты в оптике как быстрое уяр-чение участка хромосферы в линиях Н , К и Н СаП. С этим связано то, что первые классификации использовали оптическое излучение. Классификация вспышек по их оптическому излучению и сейчас не потеряла своего значения, так как оптические наблюдения
Солнца производятся в наземных условиях и при этом мировая сеть обсерваторий обеспечивает практически постоянные наблюдения, что дает возможность в нашем случае отождествлять вспышки в рентгеновском диапазоне с определенными оптическими вспышками. По оптической классификации вспышки разделяются по баллам в зависимости от полной энергии, излучаемой в линии Н . Эта энергия зависит от площади, интенсивности и продолжительности вспышки. Две последние величины слабо меняются от вспышки к вспышке. С этим связано то, что площадь выбрана в качестве основной меры энергии вспышки вН«. По площади вспышки делятся на 5 баллов, каждый из которых подразделяется на 3 разряда по яркости: яркие - В, умеренные - N , слабые - -f .
Общая характеристика аппаратуры и условий ее работы
Аппаратура РГС-Ш разрабатывалась для эксперимента, основной задачей которого являлось изучение коротковолнового излучения активных областей Солнца перед вспышками и вспышек в широком диапазоне энергий от мягкого до жесткого рентгеновского излучения. При выборе наиболее эффективной энергетической области и при определении необходимого динамического диапазона аппаратуры мы исходили из характеристик изучаемого излучения.
В отсутствие солнечных вспышек активные области излучают мягкий рентген с энергиями квантов 10 кэВ. Это излучение носит тепловой характер и может быть обусловлено медленной диссипацией магнитных полей в процессе формирования токовых слоев. Всякая солнечная вспышка сопровождается нагревом больших объемов плазмы, а значит и резким ростом интенсивности квазитеплового мягкого рентгеновского излучения. Всплеск мягкого рентгеновского излучения от мошной вспышки может продолжаться несколько часов. Флуктуации этого излучения от активных областей вне вспышек имеют характернве времена порядка нескольких минут. Поток излучения от активных областей в диапазоне энергий квантов 1,5 -12 кэВ составляет примерно 10 - Ю""3 эрг см2.с""1 /85/, во время же вспышек он может достигать в том же диапазоне энергий ІСГ3- I эрг «см""2 «с-1 /18/.
Жесткое рентгеновское излучение с энергиями квантов 10 -20 кэВ возникает только во время взрывной фазы солнечной вспышки и имеет длительности от десятков секунд до десятков минут. Чаще всего измеримые потоки излучения наблюдаются для энергий 100 кэВ. Интенсивность излучения от солнечных вспышек в диапазоне 20 - 100 кэВ на орбите Земли обычно не превышает нескольких фотонов на квадратный сантиметр в секунду. Интенсивность этого излучения может испытывать быстрые вариации с временами порядка нескольких секунд или даже менее секунды.
Земная атмосфера не прозрачна для рентгеновского и гамма-излучения, поэтому аппаратура должна устанавливаться на борту спутника и долгое время работать в космическом пространстве в автоматическом режиме. Она должна обладать высокой надежностью и стабильностью характеристик. Для изучения как непосредственно вспышек, так и предвспышечных ситуаций, аппаратура должна непрерывно в патрульном режиме регистрировать рентгеновское излучение в широком диапазоне энергий и давать информацию о спектральных характеристиках этого излучения. Кроме того, во время вспышек необходимо иметь возможность изучать временную структуру жесткого рентгеновского излучения с временами порядка или меньшими I с. Большое возрастание потоков излучения во время вспышек и необходимость обеспечения возможности изучения предвспы-шечной ситуации требует, чтобы аппаратзгра обладала высокой чувствительностью и широким динамическим диапазоном.
Наша аппаратура устанавливалась на ИСЗ серии "Прогноз". Эти спутники представляют собой специализированные космические обсерватории, отвечающие требованиям экспериментов в области солнечной рентгеновской астрономии. Ось вращения спутника постоянно направлена на Солнце (с точностью 4).
class3 СТРУКТУРА ЖЕСТКОГО РШТГШОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ
ВСПЫШЕК ПО ЭКСПЕРИМШТАЛЪНЫМ РЕЗУЛЬТАТАМ, ПОЛУЧЕННЫМ
С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА РГС-ІМ И ХАРАКТЕРИСТИКИ УСКОРЕННЫХ
ЧАСТИЦ class3
Поиск и первичная обработка информации, полученной с высоким временным разрешением
Приборы РГС-ІМ устанавливались на ИСЗ иПрогноз-6" и "Прог-ноз-7", которые были выведены на орбиту 22 сентября 1977 г. и 30 октября 1978 г. соответственно. Суммарная продолжительность работы приборов на этих спутниках составляет около года. За это время был получен большой объем информации об излучении Солнца в мягком (х 12 кэВ) и жестком (х 20 кэВ) рентгеновских диапазонах. Во время очень сильных вспышек при резком возрастании интенсивности жесткого рентгеновского излучения аппаратура переходила в режим анализа с высоким временным разрешением 0,125 с и 0,25 с. В данном разделе рассматриваются результаты измерения жесткого рентгеновского излучения с высоким временным разрешением и полученные на этой основе параметры ускоренных во вспышке электронов и характеристики областей генерации излучения.
Поиск и первичная обработка информации, полученной с высоким временным разрешением
В быструю память М7 прибора СНЕГ-2МП записываются с временным разрешением 0,25 с данные с датчиков прибора РГС-ІМ и три параметра из прибора СНЕГ-2МП. Вывод информации из памяти М7 производится по четырем телеметрическим каналам, в которых в патрульном режиме записывалась информация с датчика Ф-І в энергетических диапазонах 20-30, 30-40, 40-60 и 60-80 кэВ.
Из прибора РГС-ІМ в память М7 записывается информация с детектора $-1 в диапазонах энергий 20-30, 30-40 и 40-80 кэВ и с детектора Ф-2 в диапазоне 40-80 кэВ. Вся информация о количестве зарегистрированных за 0,25 с импульсов в каждом энергетическом диапазоне кодируется с помощью 64 уровней. Соотношение между уровнем и числом зарегистрированных импульсов представлено в таблице 3,1. Увеличение ширины уровней с ростом числа зарегистрированных импульсов позволяет расширить динамический диапазон памяти, сохраняя приблизительно постоянным соотношение между статистическими ошибками измерений и шириной уровня.
Для калибровки выводимой информации в одном из каналов, одновременно с выводом данных с детектора Ф-2, выводится линейка напряжений, соответствующая всем 64-м уровням. Эта информация выводится через точку (кадр) с информацией с датчика Ф-2. Четные точки отражают скорость счета в детекторе Ф-2, а в нечетных последовательно выводятся напряжения, соответствующие различным уровням. При этом первая точка соответствует нулевому уровню, третья - первому, пятая - второму и так далее до 63 уровня. Затем опять следуют точки, соответствующие нулевому уровню, первому и т.д., то есть повторяется калибровка уровней от 0-го до 63-го. Всего за время вывода памяти М7 калибровка уровней успевает произойти дважды и графическое представление информации, выводимой в этом канале, имеет характерный вид "пилы" - два участка постепенного линейного нарастания сигнала и резкого спада. Этот факт использовался при поиске моментов срабатывания памяти М7.
Весь объем телеметрической информации поступает к нам в записи на магнитной ленте, предназначенной для обработки на ЭШ. Кроме того, для некоторых временных промежутков в нашем распоряжении имелись записи на бумажных лентах. При этом на лентах изображался для различных энергетических диапазонов ход закодированной в уровнях интенсивности излучения со временем.
class4 ВОЗМОЖНОСТИ ИССЛЕДОВАНИИ ПОЛЯРИЗАЦИИ РЕНТГЕНОВСКОГО
ИЗЛУЧШИЯ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК С ПШОЩЬЮ АППАРАТУРЫ, ПОД
НИМАВШИ НА ВЫСОТНЫХ АЭРОСТАТАХ class4
Поляризация квантов как источник информации о характеристиках излучающих электронов
Приборами может регистрироваться энергия, направление волнового вектора и поляризация рентгеновских квантов. Первая характеристика (энергия квантов) несет информацию об энергии излучающих электронов. Изучение направлений волновых векторов квантов (направлений распространения) позволяет получать изображения источников излучения. Поляризация квантов связана с направлением ускорения излучающих электронов (в то время, как величина ускорения связана с энергией излучаемых квантов). В свою очередь, направления тормозного ускорения электронов связаны как с условиями и механизмом торможения, так и с распределением энергичных электронов по направлениям скоростей. Рентгеновское излучение имеет заметную поляризацию, если оно является синхротронним излучением или тормозным излучением анизотропного пучка электронов /118/. В первом слзгчае направление поляризации связано с направлением магнитного поля в области излучения, а во втором - с направлением пучка.
В солнечных вспышках рентгеновское излучение является тормозным излучением энергичных электронов. Поэтому его поляризация несет информацию о степени анизотропии и направлении движения излучающих электронов. При малой пространственной анизотропии скоростей электронов (например, в случае тепловой природы электронов) величина поляризации будет незначительной. С ростом общей степени анизотропии пучка ускоренных электронов растет степень поляризации рентгеновского излучения. Наблюдаемая в эксперименте в окрестностях Земли поляризация жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек зависит не только от анизотропии пучка, но и от условий наблюдения (направленности пучка относительно наблюдателя). Чем ближе угол О между направлением движения пучка и лучом зрения (направлением распространения квантов) к -?- тем выше степень поляризации.
В /81/ приводятся формулы для степени линейной поляризации тормозного рентгеновского излучения параллельного моноэнергетического пучка, полученные в борновском приближении и пренебрежении экранированием, для электронов с малой энергией где П - степень линейной поляризации, (j± и (5ГЯ - сечения тормозного излучения, относящиеся к фотонам, поляризованным соответственно перпендикулярно и параллельно плоскости излучения (плоскости ( р k )), Q - угол между р и к , р - импульс электрона, к - волновой вектор фотона, величины Q и & определяются выражениями:
