ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2015, том 79, № 5, с. 757-760
УДК 524.1-352
СТАТУС ЭКСПЕРИМЕНТА МОНИКА ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ИОННОГО СОСТАВА СОЛНЕЧНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ЛУЧЕЙ
© 2015 г. А. В. Бакалдин1, С. А. Воронов1, Н. И. Замятин2, А. В. Карелин1, А. Н. Квашнин3, Ю. И. Стожков3, С. В. Хабаров2
E-mail: bakaldin71@mail.ru
Представлен текущий статус спутникового эксперимента МОНИКА по исследованию потоков ионов космических лучей от H до Ni в диапазоне энергий 10—300 МэВ/нуклон в окрестности Земли. Основная научная задача эксперимента МОНИКА — измерение ионного и изотопного состава, энергетических спектров солнечных космических лучей для отдельных солнечных событий, и изучение эволюции этих характеристик во времени. Эксперимент МОНИКА позволит также исследовать ионный и изотопный состав аномальной компоненты космических лучей, галактических космических лучей и потоков ядер в радиационном поясе Земли. Наблюдения потоков ионов будут проводиться с помощью светосильного многослойного полупроводникового телескопа-спектрометра МОНИКА, установленного на борту космического аппарата, имеющего околоземную круговую полярную орбиту высотой порядка 600 км, которая позволит реализовать метод измерения заряда ионов с энергиями более 10 МэВ/нуклон, основанный на использовании магнитного поля Земли в качестве сепаратора заряда. Геомфактор прибора составляет 100 см2 ср, угловое разрешение —1°.
Б01: 10.7868/80367676515050087
ВВЕДЕНИЕ
Несмотря на обширные исследования Солнца и солнечного излучения в последние несколько десятилетий, проблемы, касающиеся механизмов и областей генерации солнечных космических лучей (СКЛ), остаются сегодня открытыми. Последние экспериментальные данные отражают разнообразие и сложность механизмов генерации СКЛ, начиная с процессов, протекающих в области вспышки, и кончая распространением частиц в межпланетной среде. Сегодня очевидно, что для прогресса в этой области необходимо комплексное исследование ионного и изотопного состава, а также энергетических спектров СКЛ.
Ускорение СКЛ происходит в электромагнитных полях, и, таким образом, процессы ускорения и распространения зависят от скорости и магнитной жесткости ионов, т.е. от их массы и величины ионного заряда. Вот почему ионный зарядовый состав особенно важен для окончательного понимания механизмов ускорения СКЛ. Заряд ионов формируется в процессах температурно-зависи-мой ионизации и рекомбинации в короне. Когда
1 Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ", Москва.
2 Объединенный институт ядерных исследований, Дубна.
3 Федеральное государственное учреждение науки Физический институт имени П.Н. Лебедева Российской академии наук, Москва.
частицы покидают поверхность Солнца, плотность плазмы быстро падает, и зарядовые состояния оказываются "вмороженными". Таким образом, распределение ионных зарядовых состояний СКЛ отражает условия в источнике, поэтому наблюдаемые ионные зарядовые состояния СКЛ являются чувствительными зондами условий в области ускорения, т.е. динамики ускорения частиц, средней электронной плотности и температуры солнечной плазмы.
К сожалению, существующие экспериментальные данные по ионному составу СКЛ, особенно при высоких энергиях (Е > 10 МэВ/нуклон), очень фрагментарны и недостаточны для детального понимания процессов генерации СКЛ.
Эксперимент МОНИКА предназначен для исследования ионного и изотопного состава СКЛ от Н до N1 в диапазоне энергий 10—300 МэВ/нуклон. Наряду с этим МОНИКА позволит детально исследовать состав аномальной компоненты (АКЛ) и галактических космических лучей (ГКЛ). В эксперименте для измерения ионного заряда применен метод, основанный на использовании магнитного поля Земли в качестве сепаратора заряда частиц.
1. НАУЧНЫЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТА МОНИКА
Основная цель эксперимента МОНИКА — изучение механизмов генерации космических лу-
Спектрометры
Рис. 1. Компоновка телескопа-спектрометра МОНИКА.
Рис. 2. Физическая схема спектрометра.
чей (КЛ) в активных процессах на Солнце и в ге-лиосфере, мониторинг ядерного, изотопного и ионного состава КЛ в околоземном пространстве.
Научные задачи эксперимента:
1) измерение ионного и изотопного состава, а также энергетических спектров потоков СКЛ от Н до N1 в диапазоне энергий 10—300 МэВ/нуклон для отдельных солнечных событий. Изучение эволюции этих характеристик во время активных процессов на Солнце;
2) измерение ионного, изотопного состава и энергетических спектров АКЛ и ГКЛ;
3) исследование проникновения КЛ в магнитосферу Земли в условиях ее сильных возмущений во время солнечно-магнитосферных событий;
4) измерение потоков захваченных изотопов в радиационном поясе Земли и потоков альбедо.
2. ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТА МОНИКА 2.1. Метод измерения заряда ионов
Сегодня прямое измерение ионного заряда возможно только для ионов с энергиями менее 5 МэВ/нуклон [1]. Единственный метод измерения зарядовых состояний ионов при энергиях более 10 МэВ/нуклон — метод, основанный на использовании магнитного поля Земли в качестве сепаратора ионного заряда. Этот метод был успешно апробирован в эксперименте 8ЛМРЕХ [2]. Как известно, глубина проникновения ионов в магнитосферу зависит от их гирорадиуса. На космическом аппарате, имеющем полярную круговую орбиту,
движущемся от полюса к экватору, это может наблюдаться как обрезание потока частиц данной магнитной жесткости на определенной магнитной Х-оболочке (или инвариантной широте). При энергиях выше нескольких МэВ/нуклон обратный квадрат этой Х-оболочки геомагнитного обрезания зависит линейно от жесткости частиц. Этот факт может быть использован для определения среднего заряда частиц [2].
Ясно, что точность измерения заряда непосредственно зависит от статистики зарегистрированных ионов, поэтому для реализации данной методики для регистрации ионов (ядер) необходимо использовать спектрометр с большой светосилой.
2.2. Научная аппаратура
В эксперименте МОНИКА регистрация потоков ядер космических лучей от Н до N1 в диапазоне 10—300 МэВ/нуклон будет проводиться с помощью светосильного телескопа-спектрометра МОНИКА, разработанного на основе стопок кремниевых стриповых детекторов, имеющих высокое угловое, энергетическое и массовое разрешения.
Компоновка прибора МОНИКА представлена на рис. 1. Телескоп-спектрометр состоит из четырех отдельных спектрометров. Каждый спектрометр, физическая схема которого приведена на рис. 2, а внешний вид — на рис. 3, состоит из следующих детектирующих систем.
СТАТУС ЭКСПЕРИМЕНТА МОНИКА
759
1) Многослойный полупроводниковый спектрометр предназначен для регистрации ядер в диапазоне энергий от нескольких МэВ/нуклон до ~200 МэВ/нуклон с хорошим изотопным и энергетическим разрешениями. Полупроводниковый спектрометр состоит из 14 круглых кремниевых детекторов D1-D14. Детекторы D1, D2 образуют телескоп с апертурой ±44°. Диаметры этих детекторов составляют 86 и 70 мм соответственно. Расстояние между D1 и D2 равно 80 мм. Диаметр D3-D14 составляет 88 мм. Толщина D1, D2 — 100 мкм, D3, D6 - 300 мкм, D7-D14 - 1000 мкм. Полная толщина стопки детекторов — 0.94 см х 2.33 г • см-3 = = 2.19 г • см-2. D1, D2 являются двухсторонними детекторами с 32 стрипами в каждой X- и У-плос-кости. Остальные детекторы D3-D14 являются односторонними с центральным круговым и боковым кольцевым стрипами.
2) Алюминиевый поглотитель предназначен для расширения энергетического диапазона регистрируемых ядер (до 300 МэВ/нуклон для никеля) с приемлемыми элементным и энергетическим разрешениями. Алюминиевый поглотитель (Al) расположен под полупроводниковым спектрометром и представляет собой алюминиевую пластину толщиной 15 мм.
3) Система антисовпадений предназначена для режекции высокоэнергичных ядер, не остановившихся в спектрометре, а также фоновых ядер, рождающихся в реакциях фрагментации в веществе прибора. Также система антисовпадений позволяет выделить события соответствующие частицам, вышедшим из телескопа, но остановившимся в алюминиевом поглотителе. Система состоит из нижнего сцинтилляционного детектора антисовпадений BAC, расположенного под поглотителем Al, и бокового цилиндрического сцинтилляционного детектора антисовпадений SAC, расположенного между детекторами D1, D2. Толщины детекторов антисовпадений составляют ~10 мм.
Основной триггер первого уровня телескопа-спектрометра МОНИКА имеет следующий вид:
T = T1 + T2 + T3 + T4,
Tt = (TLowTh7«i + THlghT7n ) ANTI (BAC t + SAC t ),
TLowThr _ ^iLowThr D2 LowThr
THighThr _ DyHighThrD2HighThr
Здесь:
Ti - триггеры с каждого из четырех спектрометров;
Рис. 3. Внешний вид одного из четырех спектрометров.
ni, n2 - коэффициенты пересчета;
т\Л LowThr T\~LowThr 7yi
D1t , D2t - сигналы с детекторов D1, D21, формируемые дискриминаторами с низким порогом, который соответствует регистрации ядер с зарядом Z > 1;
тл1 Htgh Thr тл^ Htgh Thr
D1 t , D2t - сигналы с детекторов D1, D2, формируемые дискриминаторами с высоким порогом, который соответствует регистрации ядер с зарядом Z > 2;
BAC j - сигнал с нижнего детектора антисовпадений;
SAC t - сигнал с бокового детектора антисовпадений.
Идентификация частиц, регистрируемых телескопом-спектрометром МОНИКА, (определение заряда и массы) осуществляется с помощью метода ДЕ - E и его модификаций. Угол падения частиц определяли, используя координаты сработавших стрипов в детекторах D1, D2. Энергия зарегистрированных ядер определяется как по пробегу, так и по энерговыделениям в каждом детекторе.
Телескоп-спектрометр МОНИКА имеет в 2 раза больший геометрический фактор, чем аналогичный прибор на борту КА ACE [3], и в 10 раз больший, чем у приборов, использованных в экспериментах, проводимых на орбитах в магнитосфере Земли (MAST [4], NINA и NINA-2 [5]).
Физические и технические характеристики прибора МОНИКА
№ Характеристика Значение
1 Геомфактор 100 см2 ■ ср
2 Апертура ±44°
3 Угловое разрешение 1°
4 Энергетический диапазон для
Н 5-70 МэВ
Не 5-70 МэВ/нуклон
О 10-150 МэВ/нуклон
12-210 МэВ/нуклон
Са 14-260 МэВ/нуклон
Fe
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.