Введение к работе
.лини}
Дел J
?Tf^';'-Актуальность проблемы. В настоящее время наблюдательная
гамма-астрономия является одной из важнейших областей астрофизики. Она состоит из ряда направлений, таких как исследование непрерывного дифузного излучения Галактики, поиск и исследование локальных галактических и метагалактических источников непрерывного излучения, поиск и исследование гамма-линий от локальных источников, регистрация и изучение параметров нестационарных вспышечных процессов (гамма-всплесков). Эти направления отличаются как физикой изучаемых процессов, так и применяемой методикой.
Основным прибором, применявшимся для регистрации стационарного или периодически изменяющегося потока космического гамма-излучения с непрерывным спектром в диапазоне энергий единицы - сотни МэВ для определения энергетического спектра излучения, для определения направления на источник стал так называемой "гаша-телескоп" на основе искровых камер. Первые приборы подобного типа имели небольшие площади электродов искровых камер, служащих в качестве конвертеров гамма-излучения, и, как следствие, невысокую чувствительность. Геы не менее именно на приборах подобного типа < SAS- П, COS - В, Анна" и др.) в 70-80-х годах были сделаны открытия локальных космических гамма-источников, исследованы их энергетические спектры, временные вариации и т.п. Логика дальнейших исследований потребовала кардинального улучшения параметров гамма-телескопов: углового разрешения, чувствительности (предельных регистрируемых потоков), 5ыстродействия и др. Поэтому в 70-80-х годах одновременно с проводившимися исследованиями началась разработка гамма-телескопов нового юколения, среди них приборы "Гачма-I" (СССР, франция); Е6ЕЕТ [США) и ряд других. Развитию и использованию сцинтилляцконкой время-гролетной методики для указанных целей посвящена настоящая работа.
Основной целью настоящей работы было создание нового поколения гамма-телескопов для регистрации и исследования потоков первичного космического гамма-излучения с борта высотных аэростатов и спутников в диапазоне энергий от десятка МэВ до сотен ГэВ, имеющих более высокие(по сравнению с существовавшими) физические и эксплуатационные параметры, а именно:
большую площадь детекторов (до нескольких квадратных метров);
высокую степень подавления фона частиц обратного направления (более I03);
малое мертвое время (до микросекунд и меньше);
высокое угловое разрешение (до угловых минут);
большой срок службы (до десятка лет).
Эта работа проводилась в рамках координационных планов АН СССР совместно с ИКМ АН СССР, ШАН СССР, ЖЇЇЇ АН СССР, причем часть работ (проект Тамма-1",проект "Фотон") - по постановлению директивных органов.
Научная новизна работы. Перечисленную выше совокупность физических и эксплуатационных параметров гамма-телескопов нового поколения оказалось возможным обеспечить на основе применения новой для гамма-астрономии методики - сцинтилляционных времяцролетньк координатно-чувствителышх детектирующих систем. Под руководством автора впервые был проведен широкий цикл исследований, .представляю щий, собой систематическую и последовательную разработку принципов и методов применения сцинтилляционных времяпролетных систем для задач гамма-астрономии, включая практическую реализацию предложенных принципов.
Впервые проведен полный анализ факторов, ограничивающих временное и позиционное разрешение' сцинтилляционных координатно-чувствительных детекторов (СЗД) при регистрации сильно расходящих( электрон-позитронных пар, в частности, впервые дано объяснение
непостоянству эффективной скорости распространения светового сигнала в протяженном сцинтилляторе, впервые обнаружен, объяснен и использован эффект "самокомпенсации" временной отметки в протяженных СКД при регистрации двухчастичных событий.
Впервые предложена модульная схема построения сцинтилляционных времяпролетньи систем (СВИС) предварительного отбора событий для гамма-телескопов с искровыми камерами с использованием линейного сложения сигналов фотоумножителей. Проведены всесторонние экспериментальные и расчетные исследования параметров этих систем как автономно, так и в составе гамма-телескопов. Проанализированы предельные возможности таких систем. В частности показано, что предложенная схема позволяет получить более высокие физические параметры СВПС (временное разрешение, коэффициент отбора)-по сравнению с другими вариантами, в частности используемыми в проектах США и Франции, и в пределе обеспечивает коэффициент подавления [іона частиц обратного направления не хуже Ю3 при размерах детекторов в один и более квадратный метр и пролетной базе менее 0,5 м. 'заработаны конкретные конструкции СБШ модульного типа, включая гникальные узлы субнаносекундной электрокики, а также программы іасчета физических характеристик СВІЮ.
Впервые предложен, обоснован расчетным путем и проверен кспериментально принцип построения сцинтилляционного гакма-телес-опа на основе СКД без применения искровых камер. Предложенный ринцип позволяет создавать гамма-телескопы, отличающиеся предельно ольшими площадями (до десятков кв.метров), малым мертвым временем цо сотен наносекунд), .предельно большой угловой апертурой (до 4 7Г ) рядом других достоинств при сравнительной простоте конструкции большом сроке службы.
Впервые проанализированы возможности и пути применения автономных микропроцессорных систем управления и контроля применительно к гамма-телескопам. Впервые предложен и реализован принцип электронного управления апертурой гамма-телескопа на основе искровых камер с применением программируемых координатно-чувствигельных систем предварительного отбора, позволяющий на 1-2 порядка улучшить отношение эффекта к фону.
Практическая ценность работы.
Впервые в СССР создана сцинтиляяционная времяпролетная система отбора для гамма-телескопа "Наталья-1М", предназначенного для исследований нейтрального и заряженного излучений в верхних слоях атмосферы с борта высотного аэростата. СВПС телескопа "Наталья-IM" имеет рекордное (на мировом уровне) временное разрешение. Исследования, проведенные с помощью прибора "Наталья-IM" позволили зарегистрировать короткопериодические вариации штоков заряженных частиц и гамма-квантов в верхних сдоях атмосферы с периодами (670 -± 70)с, (80 ± Ю)с, (340 і 40)с и другими. Впервые обнаружена корреляция периода (670 — 70)с с пульсациями магнитного поля Земли.
Разработана, откалибрована и всесторонне испытана СВПС совместного советско-французского прибора "Гамма-1", запуск которого на орбиту ИСЗ осуществлен в начале июля 1990г. Упомянутая СВЮ представляет собой первую в мировой практике систему, предназначен-ну:о для использования на борту ИСЗ и по своим физическим параметрам не уступаег лучшим известным аэростатным аналогам.
Принципы и схемные решения, примененные для построения СВШ приборов "Наталья- Hi" и "Гамма - I" широко используются и в других разрабатываемых проекта;:, например, в проекте "Зотон", .предназначенном для исследования гамма-излучения Солнца.
І і
Созданный прототип сцинтилляционного гамма-телескопа "Юлия - I" используется в настоящее время в качестве основы для разработки сцинтилляционного гамма-телескопа."Гамма-400", создаваемого по планам АН СССР и предназначенного для исследований космического гамма-излучения в диапазоне энергий от единиц до сотен ГэВ с борта ИСЗ.
Принцип электронного управления апертурой реализован в проекте "Гамма-Б", предназначенном для изучения в неатмосферных локальных гамма-источников, а также вариации атмосферных потоков космического гамма-излучения с борта высотного аэростата.
Таким образом разработанные принципы и конкретные методические решения воплощены в целом ряде гамма-астрономических проектов, как уже реализованных, так и находящихся в стадии реализации.
Кроме того, отдельные идеи и решения нашли применение в смежных областях исследований. Так, разработанные нами принципы и схемные решения использования автономных микропроцессорных систем сбора и обработки информации применительно к сцинтияляционным времяпролет-ным системам успешно используются в спектрометре заряженных частиц "Мария - 2" на борту орбитальной станции "Мир". Применение микропроцессорной системы сбора и обработки информации, разработанной при участии автора, позволило заметно улучшить параметры спектрометра и получить новые физические данные по питч-угловому распределению энергичных протонов, потокам антипротонов и т.п.
Автор выносит на защиту следующие положения. I. Проведены экспериментальные исследования и теоретический анализ особенностей процессов формирования временной отметки в протяженных одномерных сцинтилляторах. Впервые дано объяснение эффекта изменения измеренной скорости распространения светового сигнала
I I
в протяженных сцинтшіляторах в зависимости от условий эксперимента, предложены конкретные варианты использования этого эффекта для улучшения в 1,5 - Z раза позиционного разрешения сцингилля-ционных координатно-чувствительных детекторов. Обнаружен и объяснен эффект частичной еаыокомпенсации сдвига временной отметки во времяпродетньк системах при регистрации двухчастичных событий, позволяющий при определенных условиях существенно (в десятки раз) увеличить степень подавления фона частиц обратного направления.
2. Предложен и экспериментально обоснован модульный принцип построе
ния СВШ гамма-телескопов, основанный на использовании параллель
ного линейного режима работы временных фотоумножителей и позво
ливший при минимально возможном объеме электронного оборудования
получать предельно достижимые (на уровне физических ограничений)
параметры СБІЗС. Принцип реализован в приборах 'Тамма-І" и
"Наталья - Ш", обладающих следующими параметрами СВШ: времен
ное разрешение - 1,3 не; коэффициент отбора - 1600 ("Гамма-Г*);
временное разрешение - 0,65 не; коэффициент отбора - 1000
("Наталья - ИГ). " .
Параметры СВШ прибора "Гаша-1" не уступают лучшим мировым достижениям, а параметры СВШ прибора "Наталья - ІМ" превосходят эти достижения.
3. Предложен и обоснован экспериментальным и расчетным путем прин
цип построения гамма-телескопа на основе сцингилляционных коор
динатно-чувствительных детекторов. Этот принцип реализован на
макете сцинтилляционкого телескопа "Шия-1", имеющего площадь
детекторов <^0,5 м , угловое разрешение (при 100 МэВ) гг 6,
эффективность (при 100 МэВ) 2 * Ь% в зависимости от логики отбора.
Физические параметры прибора находятся на уровне известных прибо-
. ров с искровыми камерами (например, COS -В) и не являются предельными .
I I
-
Предложен и обоснован новый принцип электронного управления апертурой гамма-телескопа на основе искровых камер, использующий позиционно-чувствительную систему предварительного отбора событий и микропроцессорную систему управления. Принцип позволяет улучшить отношение эффекта к фону на 1-2 порядка величины (в зависимости от условий эксперимента и конструкции прибора). Принцип реализован в приборе "Гамма-Б", предназначенном для проведения исследований локальных гамма-источников с борта высотного аэростата и имеющем по сравнению с прибором "Гамма-1п в 10 раз более низкий уровень регистрации атмосферного гамма-фона.
-
На основе экспериментальных исследований временного разрешения отечественных малогабаритных фотоумножителей разработан метод оптимизации временного разрешения фотоумножителей, позволяющий, в частности, для спектрометрических фотоумножителей ФЭУ-85 в массовом порядке улучшить в среднем в два раза временное разрешение с сохранением паспортного амплитудного разрешения в широком динамическом диапазоне световых потоков.
-
Впервые проведен широкий цикл экспериментальных и расчетных (методом Монте-Карло) исследований процессов генерации и рассеяния вторичных частиц во времяпролетньк системах гамма-телескопов, позволивший получить необходимые данные для определения и расчета основных параметров гамма-телескопов различных конструкций, использующих в своем составе СВПС, а именно:
эффективности отбора по времени пролета;
эффективности подавления фона заряженных частиц обратного направления;
эффективности подавления атмосферного фона гамма-излучения (или изотропного диффузного гамма-фона);
эффективности регистрации двухчастичных событий по энерговыделению;
эффективности регистрации полезных событий в различных внештатных ситуациях;
параметры распределения вторичных частиц по углам рассеяния, координатам, временам пролета и т.п., необходимые для расчетов и оценок параметров приборов различных конструкций.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на Всесоюзных конференциях по космическим лучам (Якутск, 1977г.; Ереван, 1979г.; Самарканд, 1981; Якутск, 1984г.), Международных конференциях по космическим лучам (Мюнхен,Ш\ 1975г.; Киото,Япония, 1979г.; Париж, Франция, 1981г.; Ла-Хойя,(Ж, 1985г.; Москва, 1987г.), Мевдународ-ных семинарах социалистических стран по космическому научному прибростроешю (фрунзе 1976г., 1978г., 1989), Всесоюзных совещаниях по рентгеновской и гамма-астрономии (Симферополь, 1976г.; Ленинград, 1985г.; Баку, 1987), на международном рабочем совещании по гамма-астрономии (Одесса, 1987г.) на 12-м симпозиуме Европейской космической ассоциации ESL АВ (Щраскати, Италия,1977), на, мевдународном симпозиуме по детекторам ядерного излучения (Токио, Япония, 1981г.), на 5-м Всесоюзном семинаре по автоматизации исследований в ядерной физике и смежных областях (Ташкент, 1988г.), на 2-й Всесоюзной научно-технической конференции "Микропроцессорные системы (Челябинск, 1988г.).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, содержит 355 страниц машинописного текста, в том числе 12 таблиц, 93 рисунка и список литературы из 190 наименований..
