УДК 52-854:52-72:520.6.05:520.662
РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТРОФОТОМЕТР SphinX И СПЕКТРОМЕТР ЧАСТИЦ СТЭП-Ф СПУТНИКОВОГО ЭКСПЕРИМЕНТА КОРОНАС-ФОТОН - ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ СОВМЕСТНОГО АНАЛИЗА ДАННЫХ
© 2012 г. А. В. Дудник1, П. Подгурски2, Я. Сильвестер2, С. Гбурек2, М. Ковалински2, М. Сиарковски2, С. Плоциеньяк2, Я. Бонкала2
1Харьковский национальный университет им. В.Н. Каразина, Украина 2Центр космических исследований Польской академии наук, Отделение физики Солнца, Вроцлав, Польша
Поступила в редакцию 18.07.2011 г.
Проводится совместный анализ данных, полученных с помощью солнечного рентгеновского спектрофотометра ЗрЫпХ и спутникового телескопа электронов и протонов СТЭП-Ф в мае 2009 г. в ходе осуществления научного космического эксперимента КОРОНАС-ФОТОН. С целью определения энергий и сортов частиц к анализу записей спектрофотометра привлечены данные об интенсивно-стях электронов, протонов и вторичного гамма-излучения с прибора СТЭП-Ф, который был расположен в непосредственной близости от прибора ЗрЫпХ. Указывается на идентичную реакцию обоих приборов на пересечение спутником областей Бразильской магнитной аномалии и радиационных поясов Земли. Показано, что фотодиоды большой площади, служащие датчиками рентгеновского спектрофотометра, надежно регистрируют потоки электронов низких и промежуточных энергий, а также потоки вторичного гамма-излучения от конструкционных материалов детекторных модулей, космической обсерватории ТЕСИС и самого космического аппарата. Динамика потоков электронов, зарегистрированная с помощью прибора ЗрЫпХ в окрестности слабой геомагнитной бури, дополняет информацию о процессах радиальной диффузии электронов, исследованной с помощью прибора СТЭП-Ф.
ВВЕДЕНИЕ
Научные приборы на космических аппаратах, предназначенные для изучения разных явлений и объектов, могут основываться на однородных или близких по структуре датчиках. Такие датчики могут откликаться не только на интересующий вид излучения, но и на другие, неожидаемые типы, которые могут служить "помехой" для избранного направления исследований. Так, аппаратура АВС, предназначенная для изучения характеристик потоков жесткого рентгеновского и гамма-излучения солнечных вспышек и установленная на борту низкоорбитального космического аппарата КОРОНАС-Ф (Glyanenko и др., 2009), накопила большое количество информации об изменяющихся скоростях счета в низкоэнергетическом и высокоэнергетическом у-диапазонах несолнечного происхождения. Распределение темпов счета по географических координатам Земли отчетливо показало области полярных шапок, радиационных поясов (РП), Бразильской магнитной аномалии (БМА) (Arkhangelskaja и др., 2008). С помощью этой аппаратуры были обнаружены также всплесковые события и квазистационарные экваториальные высыпания разных типов.
Рентгеновский спектрофотометр 8рЫпХ разработан и изготовлен Отделением физики Солнца Центра космических исследований Польской академии наук как составная часть комплекса научной аппаратуры "Фотон" космического аппарата КОРОНАС-ФОТОН (КоЬу, 2011). Он предназначен для изучения энергетических спектров рентгеновского излучения Солнца в диапазоне энергий 1.2—15 кэВ. В процессе первичной обработки данных выяснилось, что темпы счета датчиков прибора в старших энергетических каналах отличны от нуля даже в ночное время. Скорость счета резко усиливается при прохождении спутником областей БМА и РП, что свидетельствует о возможной регистрации спектрофотометром частиц высоких энергий.
Блок детекторов СТЭП-ФД спутникового телескопа электронов и протонов СТЭП-Ф, основной задачей которого было изучение динамики потоков высокоэнергетических заряженных частиц, был расположен в непосредственной близости от прибора 8рЫтХ. Таким образом, появилась возможность проведения совместного анализа данных из каналов регистрации частиц прибора 8рЫтХ и каналов регистрации электронов, протонов и вторичного гамма-излучения прибора
СТЭПФ. Анализ данных с 30-секундным временным разрешением проведен для периода наблюдений с 1 по 14 мая 2009 г.
РЕНТГЕНОВСКИЙ СПЕКТРОФОТОМЕТР SphinX И СПУТНИКОВЫЙ ТЕЛЕСКОП ЭНЕРГИЧНЫХ ЧАСТИЦ СТЭП-Ф
Датчиками солнечного рентгеновского спектрофотометра SphinX (Sylwester и др., 2008; Gbu-rek и др., 2011a; 2011b) служили 4 независимых друг от друга в процессе обработки информации кремниевых PIN фотодиода, каждый толщиной 500 мкм, но разной активной площади регистрации. Фотодиоды были интегрированы в детекторные узлы типа XR-100CR, изготавливаемые фирмой Amptek (http://www.amptek.com/xr100cr.html). Активные площади детекторов защищены берил-лиевыми фольгами толщиной 12.5 мкм слоями из алюминизированного майлара толщиной 3.8 мкм от прямого ультрафиолетового излучения Солнца. Дополнительно детектор c активной площадью регистрации S2 = 0.111 см2, обозначенный далее Det2, закрыт двойной пластиной из тантала общей толщиной 400 мкм с сохранением открытого входного окна площадью S2q = 4.9 х 10-3 см2 для регистрации рентгеновских всплесков от мощных солнечных вспышек. Энергетическое разрешение аппаратуры составляло около 0.4 кэВ во всем диапазоне регистрации АЕ = 0—15 кэВ, распределенном по 256 каналам спектрометрических аналого-цифровых преобразователей. При этом минимальный энергетический порог регистрации сигналов, поступающих от детектора с активной площадью S1 = 0.215 см2, обозначенного далее Det1, был выставлен на уровне 1.2 кэВ. Такая же характеристика для детектора Det2 составила 0.85 кэВ. Рабочие напряжения обратного смещения для детекторов Det1 и Det2 были выбраны соответственно 130 и 100 В. Ось угла зрения прибора направлена вдоль оси OZ космического аппарата, стабилизированной во время проведения эксперимента по направлению на Солнце. Растворы углов зрения детекторов Det1 и Det2 составили соответственно 1.94° х 1.94° и 1.72° х 1.72°. Временное разрешение записи информации, используемой в данной работе, составляло 1 или 5 с в зависимости от уровня солнечной активности. В ходе анализа использовались данные загрузок 254 и 255 энергетических каналов спектрометров.
Спутниковый телескоп электронов и протонов СТЭП-Ф включал в себя блок детекторов СТЭП-ФД, установленный на внешней площадке космического аппарата, и блок обработки цифровой информации СТЭП-ФЭ, находивший-
ся вместе с другими блоками электроники внутри герметического отсека, заполненного аргонно-воздушной смесью под давлением 1 атм. ^иёшк и др., 2011). Детекторная головка блока детекторов СТЭП-ФД, построенная по принципу телескопической системы, содержала 2 идентичных кремниевых позиционно-чувствительных матричных детектора D1 и D2 и 2 сцинтилляционных детектора на основе монокристаллов С81(ТТ), просматриваемых кремниевыми фотодиодами большой площади в детекторном слое D3 и фотоэлектронным умножителем в детекторе D4. Последний детектор, с учетом толщин находившихся над ним детекторов D3 (13 мм С81(ТТ) + 2 мм М§0) и детекторов D1 и D2 (общая толщина 760 мкм), а также конструкционных материалов из алюминия, регистрировал вторичные гамма-кванты низких и промежуточных энергий от взаимодействия первичных электронов с 3-мя слоями детекторов и их держателями. Общий угол зрения телескопа — 108° х 108° для низких энергий частиц и 98° х 98° для высоких энергий. Эффективные площади каждого из полупроводниковых детекторов — = = 17 см2, сцинтилляционных кристаллических детекторов — Б3 = 36 и = 49 см2 соответственно. Информационные кадры, передаваемые с прибора в бортовую систему сбора и регистрации научной информации через каждые 30 с, содержали усредненные полуминутные и 2-секундные данные о сортах, потоках и угловых распределениях частиц. В табл. 1 представлены некоторые характеристики детекторов и энергетических диапазонов приборов СТЭП-Ф и 8рЫпХ, используемые в ходе дальнейшего анализа.
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПОВ СЧЕТА СИГНАЛОВ С ДАТЧИКОВ ПРИБОРА 8рЫшХ ПО ГЕОГРАФИЧЕСКИМ КООРДИНАТАМ
Амплитуды сигналов с датчиков спектрофотометра 8рЫтХ, соответствующие различным энергиям рентгеновского излучения, записаны в 256 каналах, последние из которых идентифицированы как каналы записи сигналов от прохождений высокоэнергетических частиц. Накопленные за весь период наблюдения в 2009 г. данные о скоростях счетов с последних энергетических каналов двух датчиков были спроецированы на географическую карту поверхности Земли. На рис. 1 показано распределение скоростей счета по географическим координатам, записанное с помощью детектора Det2 на восходящих узлах орбиты спутника.
Отчетливо видны области БМА и РП в северном и южном полушариях, характерные для распределения частиц высоких энергий. Однако со-
Таблица 1. Наименования и характеристики каналов регистрации и соответствующих детекторов приборов ЗрЫпХ и СТЭП-Ф
SphinX СТЭП-Ф
Наименование детектора/канала Detl Det2 D1e D1p D2e Б4е
Энергетический диапазон регистрации, МэВ электроны ДЕе = = 0.18-0.51+ протоны ДЕр = 3.5-3.7 протоны ДЕр = 3.77.4 + электроны ДЕе = 0.55-0.95 электроны ДЕе = 0.35-0.95 Вторичное у-излуче-ние от электронов с Ее > 0.6-0.8
Тип детектора Si PIN Si PIN Si PIN Si PIN Si PIN С81(Т1) + вакуумный ФЭУ
Толщина детекто- 500 500 380 380 380 5000
ра, мкм
Активная пло- 0.215* 0.111* 17 17 17 49
щадь, см2
*Активная площадь детектора для регистрации частиц ограничена внутренним коллиматором. Для регистрации рентгеновского излучения активная площадь имеет другую величину из-за наличия внешнего коллиматора (ОЪигек и др., 2011Ь).
ответствие записеи определенным сортам и энергетическим диапазонам заряженных частиц неизвестно ввиду отсутствия предполетных гра-дуировочных измерении с заряженными частицами и гамма-квантами с энергиями выше энергии рентгеновского диапазона.
В верхней части рис. 2 показано распределение количеств отношений чисел импульсов и1Эе11, зарегистрированных с помощью детектора ЭеИ, к числам импульсов иМ2, зарегистрированных с помощью детектора Эе12 за каждые 30 с на протя-
жении рассматриваемого периода с 1 по 15 мая. Учитывая, что детекторы ЭеИ и Эе12 имеют разные активные площади, числа импульсов пШ11 и нормированы на единицу площади.
Отчетливо видны 2 м
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.