ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 3, с. 358-361
УДК 537.591.15
ДЕТЕКТОР КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПРЕДЕЛЬНО ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ "КЛПВЭ" НА БОРТУ МКС
© 2015 г. Г. К. Гарипов1, М. Ю. Зотов1, П. А. Климов1, М. И. Панасюк1, 2, О. А. Сапрыкин3, Л. Г. Ткачев4, С. А. Шаракин1, Б. А. Хренов1, И. В. Яшин1
E-mail: pavel.klimov@gmail.com
Представлено современное состояние проекта орбитального детектора космических лучей предельно высоких энергий "КЛПВЭ", установка которого будет осуществлена на борту российского сегмента МКС. Основное внимание уделено описанию возможных оптических систем данного прибора.
DOI: 10.7868/S0367676515030199
ВВЕДЕНИЕ
Космические лучи предельно высоких энергий (КЛ ПВЭ, E > 50 ЭэВ) — это крайне редкие события, что требует для их регистрации проведения экспериментов с экспозицией, исчисляемой тысячами кв. км • ср в год. Самые крупные из действующих в настоящее время установок — проект Telescope Array (TA) в США и Обсерватория Pierre Auger (Auger) в Аргентине — имеют годовую экспозицию порядка 2000 км2 • ср и 6000 км2 • ср соответственно. Этого оказалось достаточно для того, чтобы окончательно подтвердить укручение энергетического спектра космических лучей при энергиях >40 ЭэВ [1, 2], найденное ранее в эксперименте HiRes [3] в соответствии с теоретическими расчетами Грейзена, Зацепина и Кузьмина [4, 5]. Однако нерешенной остается другая фундаментальная проблема — обнаружение источников КЛ ПВЭ, одним из основных направлений решения которой является изучение анизотропии их направлений прихода. Трудности связаны преимущественно с недостаточной и неравномерной экспозицией, а также лишь с частичным покрытием небесной сферы наземными экспериментами. Расположенные в разных полушариях, установки TA и Auger наблюдают преимущественно свою часть небесной сферы с небольшим пере-
1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова", Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына.
2 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова", физический факультет.
3 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт машиностроения", Москва.
4 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.
крытием лишь в районе экватора. В результате на сегодняшний день существует противоречие между их результатами. С одной стороны, в эксперименте Auger была обнаружена корреляция между направлениями прихода КЛ с энергией более 55 ЭэВ и ядрами активных галактик, находящихся на расстоянии до 75 Мпк от Земли [6—8]. С другой стороны, коллаборация TA такой корреляции не наблюдает [9], но объявила об обнаружении обширной области радиусом порядка 20° с избытком КЛ с энергиями выше 57 ЭэВ, в которой возможные источники КЛ ПВЭ пока неизвестны [10]. Наиболее перспективным направлением для разрешения данного противоречия и нахождения источников КЛ ПВЭ является реализация орбитального эксперимента, который, обеспечивая практически равномерную экспозицию всей небесной сферы, лишен указанных выше принципиальных недостатков существующих наземных установок.
ДЕТЕКТОРЫ КЛ ПВЭ
Впервые флуоресцентный метод регистрации ШАЛ с борта ИСЗ был предложен Бенсоном и Линсли [11]. Эта идея получила развитие в ряде российских и международных проектов. Их можно условно разделить на два класса: детекторы, использующие зеркала-концентраторы для сбора света флуоресценции ("ТУС" [12], "КЛПВЭ" [13]), и приборы на основе сложных линзовых систем (трехлинзовый телескоп EUSO [14], в дальнейшем переименованный в JEM-EUSO [15]). Первый орбитальный детектор КЛ ПВЭ "ТУС", разработанный в НИИЯФ МГУ, будет запущен на борту спутника "Ломоносов". Он состоит из зеркала-концентратора френелевского типа площадью 2 м2 с фокусным расстоянием 1.5 м и фотоприемника (матрицы из 256 ФЭУ). Этот прибор имеет относительно небольшое поле зрения (±4.5°), что
ДЕТЕКТОР КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ ПРЕДЕЛЬНО ВЫСОКИХ ЭНЕРГИЙ
359
соответствует площади обзора 6.4 • 103 км2, и угловое разрешение 10 мрад. В данный момент детектор в составе спутника проходит предполетные испытания. На основе полученного опыта НИИЯФ МГУ приступил к разработке детектора "КЛПВЭ" с полем зрения ±7.5°, площадью зеркала 10 м2 и угловым разрешением 5 мрад. Однако оптические характеристики данного прибора не позволяют в полной мере решать сегодняшние задачи астрофизики КЛ ПВЭ.
Детектор JEM-EUSO, разрабатываемый международной коллаборацией, является широкоугольной камерой (±30°), в состав которой входят три большие (2.65 м в диаметре) линзы Френеля и фотоприемник с количеством пикселей порядка нескольких сотен тысяч. Угловое разрешение камеры 1 мрад. Телескоп предполагалось установить на японском экспериментальном модуле МКС, однако в 2013 г. Японское космическое агентство отказалось от финансирования и ведущей роли в проекте. Ввиду этого было принято решение, используя опыт и наработки коллабора-ции JEM-EUSO (в частности, опыт создания больших линз Френеля), реализовать проект на основе российского эксперимента "КЛПВЭ". Это потребовало проработки новых оптических схем, в состав которых наряду с зеркалом-концентратором входила бы и корректирующая линза. Варианты рассмотренных оптических систем и их сравнение приведены ниже.
ВАРИАНТЫ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ ДЕТЕКТОРА "КЛПВЭ"
Разработка новых оптических систем (ОС) для детектора "КЛПВЭ" была вызвана необходимостью улучшить рабочие характеристики детектора, и, в первую очередь, увеличить поле зрения и улучшить пространственное и угловое разрешение прибора. В этом случае для устранения вне-осевых аберраций в ОС телескопа необходимо ввести дополнительный корректирующий элемент — линзу Френеля. Материалом для линзы толщиной 1 см послужил пластик РММА-000, прозрачный для излучения в УФ-диапазоне. Линзы с аналогичными характеристиками были изготовлены из РММА-000 в 2009 г. в RIKEN (Япония) в рамках проекта JEM-EUSO. В зависимости от габаритов и сложности форм отдельных оптических элементов системы в настоящей работе рассматривались два подхода.
Базовый вариант
Диаметр рефлектора в базовом варианте составляет 3.4 м, линзы-корректора — 1.7 м. При этом общая длина системы (точнее, осевое рас-
Рис. 1. Телескоп-рефлектор "КЛПВЭ" в базовом варианте исполнения. Указаны диаметры основных элементов (зеркала, корректирующей линзы и фокальной поверхности) и осевые расстояния; ИК-ин-фракрасная камера.
стояние от полюса зеркала до центра фокальной поверхности) равна 4 м (рис. 1). В этом случае удается расширить поле зрения до ± 14°, а диаметр изображения не превышает 6 мм во всем поле зрения. Одним из недостатков данного подхода является сложность изготовления оптических элементов, особенно линзы. Для исправления аберраций в широком поле зрения обе поверхности линзы должны обладать кривизной, причем передняя поверхность является френелевской (с кольцевой насечкой глубиной 1 мм), а задняя — дифракционной. Не менее сложным является вопрос транспортировки такой системы: предлагаемые на данный момент решения требуют сегментирования всех основных компонентов системы и последующую сборку конструкции в открытом космосе.
Система трехзрачкового телескопа
Оптическая система детектора "КЛПВЭ" представляет собой широкоугольную большеапертур-ную быструю оптику. Для таких систем более перспективным может быть вариант многозрачковой телескопической системы (рис. 2). При этом поле зрения детектора разбито на несколько частей (в разрабатываемом варианте — три), а сами рефлекторы имеют меньшие габариты, чем в базовом варианте. Такая система обладает рядом пре-
360
ГАРИПОВ и др.
ской) конфигурации. Специальное устройство опорной конструкции трех телескопов может позволить реализовать работу детектора в различных режимах. В основном режиме (рис. 2, слева) поля зрения отдельных телескопов смежные (или немного перекрываются для кросс-калибровки). В режиме совпадения полей зрения можно значительно понизить энергетический порог установки. Наконец, в наклонном режиме (поля зрения отдельных или всех телескопов сильно наклонены по отношению к направлению в надир, см. рис. 2, справа) удается повысить экспозицию, а следовательно, набрать более высокую статистику высокоэнергичных событий.
В таблице приведены основные характеристики пяти оптических систем: линзового телескопа JEM-EUSO, френелевского зеркала-концентратора "ТУС", исходного варианта детектора "КЛПВЭ" (без корректора) и рассмотренных выше двух усовершенствованных вариантов — базового и трехзрачкового. При вычислении эффективной площади учитывалось рассеяние света на френелевских поверхностях. Сравнение данных позволяет сделать вывод о том, что несмотря на приблизительно одинаковую производительность базового и трехзрачкового варианта "КЛПВЭ", с точки зрения экспозиции последний вариант предпочтителен. Небольшое повышение порога (в
первом приближении он пропорционален S^ff2), как уже было отмечено выше, можно полностью компенсировать переходом работы в режим совпадения.
Оба варианта модернизированной ОС детектора "КЛПВЭ" обеспечат равномерный обзор небесной сферы с годовой экспозицией, превышающей экспозицию обсерватории Auger в несколько раз.
Основные характеристики пяти ОС: эффективная площадь, диаметр изображения й, поле зрения О, производительность п. В последней колонке для сравнения приведен эмпирический параметр качества — отношение производительности к размеру изображения
Seff, м2 d, мм Q, ср П = nSf, м2 • ср Q/d, м2 • ср • мм 1
JEM-EUSO 2 3 0.8 1.6 0.5
"ТУС" 1.2 20 0.025 0.03 0.002
"КЛПВЭ" исходный 5 20 0.05 0.25 0.01
"КЛПВЭ" базовый 3 5 0.2 0.6 0.1
"КЛПВЭ" трехзрачковый 2.5 4 0.3 0.75 0.2
Рис. 2. Система трехзрачкового телескопа. В состав каждого телескопа входят идентичные зеркала (показано их возможное сегментирование), блок фотоприемника с корректором и элементы раздвижной опорной конструкции. Слева — система в основном режиме, справ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.