АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2011, том 45, № 2, с. 139-149
УДК 523.9
ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ ХАРАКТЕРИСТИК РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СОЛНЕЧНЫХ ВСПЫШЕК С ПОМОЩЬЮ ПРИБОРА ПИНГВИН-М НА КА КОРОНАС-ФОТОН
© 2011 г. Ю. Д. Котов1, А. С. Гляненко1, А. И. Архангельский1, М. В. Бессонов1,
A. С. Буслов1, В. Н. Юров1, В. А. Дергачев2, Г. А. Матвеев2, Е. М. Круглов2,
B. П. Лазутков2, М. И. Савченко2, Д. В. Скородумов2, А. Г. Пятигорский2,
Г. А. Пятигорский2, И. И. Шишов2, Е. М. Хилькевич2, Г. И. Васильев2, С. Ю. Крутьков2
Институт астрофизики Национального исследовательского ядерного университета "МИФИ", Москва 2Учреждение Российской академии наук Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург Поступила в редакцию 13.04.2010 г.
Приведены основные характеристики прибора ПИНГВИН-М, запущенного на орбиту в составе космического аппарата КОРОНАС-ФОТОН 30 января 2009 г. Прибор состоит из блока детекторов ПИНГВИН-МД (ПМД) и блока электроники ПИНГВИН-МЭ (ПМЭ). Цель эксперимента - измерение степени линейной поляризации рентгеновского излучения солнечных вспышек в энергетическом диапазоне 20-150 кэВ и энергетических спектров рентгеновского излучения солнечных вспышек в диапазоне энергий 2-500 кэВ. В статье дается описание прибора, процедуры калибровки, полетной настройки и краткое описание первых результатов измерений.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование космического рентгеновского излучения в области энергий от 2 кэВ до 500 кэВ весьма актуально, поскольку данные об энергетических спектрах, поляризации и интенсивности космического рентгеновского излучения несут уникальную информацию о природе физических процессов в источниках излучения. Особое место в исследованиях занимает измерение линейной поляризации рентгеновского космического излучения от астрофизических объектов (Моуюк, 1975) и солнечных вспышек, представляющее собой канал получения информации об угловом распределении излучающих частиц в источнике.
Для измерения степени линейной поляризации можно использовать свойства процессов взаимодействия поляризованных фотонов с веществом: при фотоэффекте — азимутальную асимметрию направления вылета фотоэлектронов, при Комптон-эффекте — зависимость преимущественного направления вылета рассеянных квантов от направления вектора поляризации первичного кванта.
Второй метод технически использовать проще, поэтому в выполненных по настоящее время экспериментах по измерению степени линейной поляризации рентгеновского излучения от космических объектов использовали этот эффект. Поляриметр, основанный на этом эффекте, состоит из одного или нескольких рассеивателей и детекторов-поглотителей рассеянного излучения, используемых для
измерения степени анизотропии поля рассеянных квантов.
При измерении степени линейной поляризации от стационарных источников достаточно, в принципе, одного рассеивателя и одного поглотителя рассеянного излучения. Если ось прибора направлена на источник и прибор вращается вокруг этой оси, то в детекторе рассеянного излучения будет наблюдаться модулированный сигнал, величина модуляции которого и фаза содержат информацию о степени и положении плоскости поляризации падающего излучения. Наблюдая стационарный источник достаточно долго, можно получать модуляционную кривую с хорошей статистикой методом наложения эпох.
При измерении же степени линейной поляризации быстропеременного источника, такого как солнечная вспышка, солнечный поляриметр должен состоять из рассеивателя и ряда детекторов (минимум — трех), измеряющих асимметрию поля рассеянных квантов в каждый момент времени. При этом параметры различных измерительных каналов должны быть идентичны, чтобы избежать систематической погрешности в измерении.
Измерения параметров линейной поляризации рентгеновского излучения солнечных вспышек проводились в ряде экспериментов (Ипёо и др., 1970; Богомолов и др., 2003; 8иаге2-Оаге1а и др., 2006), но до сих пор существует явный дефицит надежных и достоверных результатов в этой области.
Работы по исследованию и разработке методов измерения линейной поляризации в жесткой области спектра были начаты в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН в конце 1970-х годов (Городинский и др., 1982). Был предложен метод измерения линейной поляризации, основанный на комптоновском рассеянии падающего излучения в активном рассеивателе (органический сцинтиллятор), с регистрацией совпадения импульсов от электронов отдачи в рассеи-вателе и от рассеянных фотонов в детекторах-поглотителях. Это позволяет резко снизить фон, повысить чувствительность и надежность измерений. Отметим, что при традиционном построении комп-тоновского поляриметра в качестве рассеивателя используется бериллий.
С 1993 г. началась подготовка совместного с МИФИ эксперимента по исследованию поляризации жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек с помощью научной аппаратуры (НА) ПИНГВИН (КоЬу и др., 2001; Dergachev и др., 2007; Дергачев и др., 2008). Под названием ПИГВИН-М прибор был включен в международный научный проект КОРОНАС-ФОТОН. В ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН был создан блок детекторов ПИНГВИН-МД (далее — ПМД), в МИФИ — блок электроники ПИНГВИН-МЭ (далее - ПМЭ).
НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ ЭКСПЕРИМЕНТА И УСТРОЙСТВО ФИЗИЧЕСКОЙ ЧАСТИ ПРИБОРА
Физическая схема, состав и характеристики прибора ПИНГВИН-М позволяют решать следующие научные задачи в области исследования характеристик рентгеновского излучения солнечных вспышек:
1. Измерять степень линейной поляризации жесткого рентгеновского излучения в диапазоне энергий 20-150 кэВ для средних и мощных вспышек;
2. Исследовать спектры жесткого рентгеновского и гамма-излучения в диапазоне энергий 20-500 кэВ;
3. Исследовать спектры мягкого рентгеновского излучения в диапазоне энергий 2-20 кэВ, в том числе в слабых ("тепловых") вспышках в рентгеновских предвестниках, вспышек, в которых мягкое рентгеновское излучение может начинаться за десятки минут до взрывной фазы вспышек.
Измерение степени линейной поляризации жесткого рентгеновского излучения в приборе ПИНГВИН-М основано на зависимости от поляризации преимущественного направления компто-новского рассеяния у-квантов, падающих на активный рассеиватель (сцинтилляторы из монокристаллов паратерфенила). Азимутальная асимметрия поля рассеянного излучения регистрируется методом двойных совпадений импульсов от рассеивате-ля (электрон отдачи) и от детекторов рассеянного излучения (фотопоглощение рассеянного фотона).
Степень линейной поляризации жесткого рентгеновского излучения солнечных вспышек дает информацию об угловом распределении ускоренных во вспышке электронов, генерирующих это излучение. Данные об анизотропии ускоренных электронов важны для выбора механизма трансформации энергии магнитного поля в другие формы энергии, что составляет основную проблему теории солнечных вспышек. Исследование спектрального состава жесткого рентгеновского излучения с учетом степени поляризации позволит конкретизировать механизм ускорения заряженных частиц. Изучение временных изменений параметров мягкого рентгеновского излучения методами спектрального анализа позволяет выявить особенности динамики процессов энерговыделения и их периодичность. Изучение процессов энерговыделения в слабых вспышках, происходящих достаточно часто в любой период солнечного цикла, позволит учесть их вклад в нагрев атмосферы Солнца.
В состав детекторной части прибора ПИНГ-ВИН-М входят пять следующих основных элементов (см. рис. 1).
1. Верхний защитный (антисовпадательный) детектор представляет собой диск из сцинтилляцион-ного полистирола, просматриваемый фотоэлектронными умножителями (ФЭУ) толщиной 6 мм в пределах входного окна детекторов-рассеивателей.
2. Детектор-рассеиватель жесткого рентгеновского излучения, состоящий из четырех кристаллов паратерфенила (диски диаметром 50 мм и толщиной 30 мм) с приклеенными к ним снизу ФЭУ. На ФЭУ закреплены платы делителей напряжения (ДН), предусилителей (ПУ) и источников высоковольтного питания (ИВП). Эти элементы на схеме блока детекторов не показаны.
3. Шесть детекторов рассеянного и "прямого" жесткого рентгеновского излучения, собранных в правильный шестигранник вокруг рассеивателя (рис. 1, 2). Каждый из детекторов содержит кристалл №1(11) (диск диаметром 70 мм и толщиной 5 мм), установленный в плоский органический сцинтиллятор, причем эта сборка просматривается одним ФЭУ и, также, выполняет роль защиты от фона заряженных частиц с включением сигнала от органического сцинтиллятора в антисовпадение по схеме "фосвич".
4. Нижний защитный детектор в виде стакана из пластического сцинтиллятора охватывает сборку детекторов снизу и сбоку. Детектор просматривается двумя ФЭУ, расположенными на диаметрально противоположных сторонах цилиндрической поверхности стакана.
5. Две сборки детекторов мягкого рентгеновского излучения, состоящие из пропорционального счетчика, предусилителя ПУ, источника высоковольтного питания ИВП и блока аналого-цифровой обработки сигналов. Обе сборки детекторов близки
У
ДФ5
@
ДФ6
Рис. 1. Внешний вид блока ПИНГВИН-МД со снятым кожухом.
по своим характеристикам, одна из сборок постоянно включена, вторая находится в "холодном" резерве.
Параметры детекторов блока детекторов ПИНГВИН-МД прибора ПИНГВИН-М приведены в табл. 1.
Пропорциональные счетчики разработаны и изготовлены в ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН и обладают высокой чувствительностью, что позволяет иссле-
Рис. 2. Взаимное расположение детекторов-рассеива-телей (ДР) и детекторов рассеянного излучения (ДФ) детекторного узла НА ПИНГВИН-М.
довать мягкое рентгеновское излучение даже в слабых вспышках и в рентгеновских предвестниках вспышек. Для полетных фоновых условий и времени набора 10 с чувствительность детектора к потоку мягкого рентгеновского излучения составила порядка 10-10 Вт/м2.
Каждый из счетчиков имеет четыре секции, расположенные друг под другом. Верхняя секция (810) имеет наибольшую чувствительность в мягком рентгеновском диапазоне. Секция, расположенная под ней (801), предназначена для регистрации излучения мощных вспышек, поскольку ее излучение будет сильно ослаблено в ксеноне верхней секции и в перегоро
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.