КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 6, с. 478-483
УДК 524.85, 539.12
ПРИБОРЫ БДРГ И ШОК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СОБСТВЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО
АППАРАТА ЛОМОНОСОВ
© 2013 г. А. М. Амелюшкин1, В. И. Галкин1, Б. В. Гончаров1, Е. С. Горбовской2, В. Г. Корнилов2, В. М. Липунов2, М. И. Панасюк1, В. Л. Петров1, Дж. Ф. Смут3, С. И. Свертилов1,
Н. Н. Веденькин1, И. В. Яшин1
1 НИИ ядерной физики им. Д.В. Скобельцына, МГУ им. М.В. Ломоносова 2Государственный астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ 3 Берклиевский центр космологической физики, США sis@coronas.ru Поступила в редакцию 03.12.2012 г.
Одной из задач комплекса научной аппаратуры спутника Ломоносов, разрабатываемого учеными Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, является исследование собственного излучения (prompt emission) космических гамма-всплесков. В настоящей статье описаны монитор гамма-всплесков в гамма-диапазоне (прибор БДРГ) и широкопольные оптические камеры (прибор ШОК), предназначенные дла обнаружения как собственного излучения гамма-всплесков, так и предвестников.
DOI: 10.7868/S0023420613060010
ВВЕДЕНИЕ
Космические гамма-всплески являются одним из наиболее мощных явлений во Вселенной. Они наблюдаются в виде кратковременных (от десятков миллисекунд до десятков секунд) возрастаний потока гамма-излучения с энергией в десятки и сотни кэВ, иногда проявляясь и в более жестком диапазоне вплоть до 109 эВ. В настоящее время гамма-всплески принято считать результатом коллапса быстро вращающейся очень массивной звезды в черную дыру (эта модель применяется для описания так называемых длинных всплесков, длительность которых превышает несколько секунд) или результатом слияния нейтронных звезд, входящих в тесную двойную систему (модель используется для описания коротких всплесков длительностью менее нескольких секунд). Оптический и ультрафиолетовый телескоп, наведенный на источник гамма-всплеска, позволяет провести мультиволновое изучение послесвечения, вызываемого энергичными частицами, присутствующими в областях ударных волн, возникающих внутри ультрарелятивистских струй во время их распространения в межзвездной среде [1].
Наблюдения в ультрафиолетовом и оптическом диапазоне обычно начинаются спустя несколько десятков секунд после начала всплеска в
диапазоне гамма-излучения. Эта задержка вызвана временем, которое необходимо для выработки триггера, а также временем, которое требуется для наведения оптического телескопа, если учесть, что источники гамма-всплесков равномерно распределены по небу. В результате оптическое излучение, возникающее на начальных этапах развития гамма-всплеска, в настоящее время практически не изучено.
Научная программа КА Ломоносов включает исследование гамма-всплесков в области различных длин волн на различных временных масштабах [2]. В частности, комплексное исследование собственного излучения гамма-всплесков будет основано как на прямой записи изображения с оптических камер широкого поля зрения, так и на быстром наведении оптического и ультрафиолетового телескопа путем поворота зеркала. На КА Ломоносов будет установлено 3 прибора для исследования гамма-всплесков: гамма-спектрометр БДРГ, широкопольные оптические камеры ШОК и комплекс UFFO, состоящий из рентгеновского телескопа с кодирующей маской и ультрафиолетового телескопа с движущимся зеркалом. В этой статье будут подробно рассмотрены принципы совместной работы приборов БДРГ и ШОК по выработке триггера гамма-всплеска и фиксации по этому триггеру кривой блеска как в гамма-диапазоне, так и в оптическом излучении начиная с
нескольких десятков секунд до начала гамма-всплеска.
УСТРОЙСТВО И ХАРАКТЕРИСТИКИ ГАММА-СПЕКТРОМЕТРА БДРГ
Гамма-спектрометр БДРГ для космического эксперимента на спутнике Ломоносов был разработан с целью получения спектральной и временной информации о гамма-всплесках в энергетическом диапазоне 10—3000 кэВ, а также с целью выработки триггера гамма-всплеска. Этот триггер будет использоваться другими приборами на борту КА Ломоносов для фиксации и подготовке к передаче на Землю некоторого количества данных, собранных этими приборами перед всплеском и хранящихся в их внутренней памяти, а также для начала более подробных измерений. Через небольшое время после триггера по данным БДРГ определяются координаты источника гаммав-всплеска, которые вместе с первой спектральной и временной информацией без задержки передаются в мировую сеть гамма-всплесков.
Прибор БДРГ состоит из 3-х одинаковых детекторных блоков, соединенных с блоком анализа данных. Оси детекторов БДРГ смещены друг относительно друга на 90°. Детекторы имеют косинусную диаграмму направленности шириной ±60°, позволяющую определить координаты источника всплеска путем сравнения показаний детекторов с точностью в несколько градусов. Чувствительность прибора составляет примерно 10-7 эрг/см2
Каждый детектор состоит из находящихся в оптическом контакте тонкого сцинтилляционно-го кристалла №1(Т1) (толщиной 3 мм) и сравнительно толстого кристалла С81(Т1) (толщиной 17 мм). Толщина №1(11) оптимальна для измерений в мягкой части энергетического диапазона. Ш(Т1) служит активной защитой от фона мягкого излучения, идущего со стороны спутника, и основным детектором для более жесткой части спектра. Рабочие диапазоны составляют 0.01— 0.5 МэВ для Ш1(Т1) и 0.05-3 МэВ для С81(Т1). Масса каждого из детекторных блоков равна ~5.5 кг, энергопотребление составляет <3 Вт. Энергопотребление блока анализа данных равно ~15 Вт.
Устройство, принципы функционирования и калибровки детекторного блока. Импульс тока поступает с фотоумножителя на амплитудный дискриминатор, который выдает импульс "начало события". Последовательность управляющих сигналов, сформированная после этого импульса, используется для смены положения аналогового ключа, в результате чего происходит независимое интегрирование двух частей исходного импульса с ФЭУ. Первая часть пропорциональна количеству света, собранному за первые 800 наносекунд (так называемая "Быстрая компонен-
та", вторая часть пропорциональна количеству света, собранного за последующие 2 микросекунды (так называемая "медленная компонента").
Оба сигнала оцифровываются с помощью АЦП последовательных приближений. По окончании преобразования параллельные коды быстрой и медленной компонент поступают в блок анализа информации (блок БА БДРГ) одновременно с "выходным стробом", использующемся в качестве запроса на считывание информации. Блок БА БДРГ по прерыванию от этого строба реализует алгоритм обработки события, определяющий тип сцинтиллятора, с которым произошло взаимодействие, и величину энерговыделения. На основе этих данных блоком БА БДРГ формируется последовательность выходных информационных кадров нескольких видов, а также производится анализ данных на предмет выполнения условий для триггера гамма-всплеска.
Особенности процедуры калибровки, использованной для прибора БДРГ, удобно проиллюстрировать на двумерной диаграмме, по одной оси которой откладывается амплитуда быстрой компоненты (код соответствующего АЦП), а по другой - амплитуда медленной компоненты. Пример подобной диаграммы для измерений с гамма-источником 137С8 представлен на рис. 1.
На рисунке можно видеть, что основная часть событий располагается вдоль прямых линий, относящихся к событиям в Ма1(Т1) и в С81(Т1). Точки, расположенные между этих двух линий, соответствуют событиям, в которых имело место взаимодействие гамма-кванта посредством Комптон-эффекта таким образом, что выделенная энергия распределилась между двумя кристаллами. Хорошо видно пятно, соответствующее энерговыделению 662 кэВ — пик полного поглощения гамма-излучения источника 137С8. Пятна 1.46 МэВ и 2.614 МэВ образованы событиями, связанными с излучением фоновых изотопов 40К и 208Т1. Последний образуется в результате последовательности превращений 232ТИ, присутствующего в стенах лаборатории.
На фрагменте изображения, соответствующем малым энергиям, видно пятно рентгеновского излучения с энергией 32 кэВ. Эти события присутствуют только в Ма1(Т1) поскольку большинство квантов такой энергии взаимодействует с верхним слоем сцинтиллятора и не доходит до слоя Ш(Т1). Крестом обозначена "нулевая точка", соответствующая нулевой амплитуде импульса ФЭУ. Эта точка смещена относительно точки (0, 0) небольшим постоянным напряжением на входах АЦП. Энерговыделение в каждом событии может быть определено по расстоянию между нулевой точкой и точкой, соответствующей данному событию, путем пересчета по линейной формуле с коэффициентами, индивиду-
С
я
<
ч
св Я св М
яГ Н Я о Я о
я %
о
м «
се Я
я
о
ч д
о
4050
3600
3150
2700
2250
1800
1350
900
450
400 300 200 .100
0
нулевая точка
100 200 300 400
1.46 МэВ
662 кэВ
2.614 МэВ
С81(Т1)
900 1800 2700
Быстрая компонента, канал АЦП
3600
Рис. 1. Пример двумерной диаграммы.
32 кэВ
0
альными для каждого сцинтиллятора. Можно видеть, что события в №1(11) и С81(Т1) хорошо разделяются для энерговыделений более 10 кэВ.
Выработка триггера прибором БДРГ. Если в мониторинговых показаниях прибора БДРГ обнаруживается быстрый рост потока гамма-излучения, вырабатывается триггер всплеска. Для его выработки необходимы условия:
Присутствие быстрого роста показаний в канале жесткого рентгеновского излучения (в приборе БДРГ будет использован канал 25—100 кэВ).
Отсутствие перегрузки в канале жесткого рентгеновского излучения.
Выполнение критерия разделения гамма-всплесков и их имитаций вторичным излучением электронов, основанного на отношении показаний №1(Т1УС81(Т1) (см. ниже).
Алгоритм поиска быстрого роста показаний в канале гамма-излучения проиллюстрирован на рис. 2.
История показаний детектора хранится в памяти с временным разрешением АТ (это временное разрешение, с которым данные о всплеске будут передаваться на Землю) для интервала длительностью 100 • АТ. Вся история разбита на интервалы длиной 5 • АТ (ряд N5) Вычисляются суммы ^100 и М50 — число событий за первую и вторую половины истории (см. рис. 2). С помощью линейной регрессии вычисляется ожидаемое зна
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.