КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2007, том 45, № 5, с. 475-477
КРАТКИЕ СООБЩЕНИЯ
УДК 629.7.001.5:52
РАЗРАБОТКА ГАММА-ТЕЛЕСКОПА ГАММА-400 ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ КОСМИЧЕСКОГО ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ С ЭНЕРГИЯМИ ДО 1 ТэВ
© 2007 г. В. Л. Гинзбург1, В. А. Каплин2, А. И. Каракаш2, |Л. В. Курносова1, А. Г. Лабенский1, М. Ф. Рунцо2, А. П. Солдатов3, Н. П. Топчиев1, М. И. Фрадкин1,
С. К. Черниченко3, И. В. Шеин3
1Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва 2Московский инженерно-физический институт 3Институт физики высоких энергий, г. Протвино Поступила в редакцию 20.09.2006 г.
PACS: 95.55.Ka; 95.35^
Регистрация гамма-излучения космического происхождения предоставляет уникальные возможности исследования процессов, происходящих на удаленных астрономических объектах при высоких и сверхвысоких энергиях. Прямые измерения космического гамма-излучения проведены лишь до энергий 30-50 ГэВ. В то же время есть основания полагать, что измерения в области больших энергий (вплоть до 1 ТэВ) дадут возможность получить информацию по ряду еще не решенных вопросов. В частности, для построения модели генерации гамма-излучения высокой энергии требуются наблюдательные данные о форме спектра диффузного гамма-излучения. Сведения о спектрах дискретных источников позволят понять специфику механизма генерации в них высокоэнергичного гамма-излучения. Актуальной проблемой современной астрофизики является природа "темной материи" в Галактике и в целом во Вселенной. В одной из наиболее популярных моделей предполагается, что "темная материя" формируется пока еще не обнаруженными частицами (нейтралино), существование и свойства которых предсказывает теория суперсимметрии. При аннигиляции двух нейтралино происходит испускание двух моноэнергетических гамма-квантов с энергией более сотен ГэВ. Обнаружение таких гамма-линий подтвердит, с одной стороны, правильность теории суперсимметрии, а с другой, продвинет нас в решении вопроса о природе "темной материи."
Для проведения на космическом аппарате прямых измерений гамма-излучения в интервале энергий 30-1000 ГэВ разрабатывается гамма-телескоп ГАММА-400 [1-2].
Структура гамма-телескопа ГАММА-400. Гамма-телескоп ГАММА-400 (рис. 1) формируется системой детекторов, обеспечивающих регистрацию и определение природы прошедших через него частиц, и устройством для измерения энергии - калориметром (СКМ). Для увеличения светосилы телескопа в нем имеются две детектирующие системы,
размещенные на двух торцах СКМ. Каждая детектирующая система состоит из вето-детектора (АС), свинцового конвертора (К), сцинтилляторов (СВ и СН), регистрирующих продукты конверсии и запускающих времяпролетную систему, определяющую направление прихода частицы, а также системы координатных детекторов (КД).
Вето-детектор (АС) дает возможность выделять гамма-кванты на фоне потока заряженных частиц. Отметим, что измерения при энергиях выше сотен ГэВ сопровождаются появлением рассеянных частиц "обратного тока," способных имитировать прохождение через вето-детектор первичной заряженной частицы, исключая при этом из регистрации прошедший через телескоп реальный гамма-квант. В телескопе ГАММА-400 производится идентификация таких событий путем сопоставления времен появления сигналов в детекторах АС и СВ.
Важнейшими элементами гамма-телескопа являются координатная система и калориметр, некоторые параметры которых определены расчетами и измерениями.
Калориметр гамма-телескопа ГАММА-400. Калориметр гамма-телескопа ГАММА-400 собирается из модулей, каждый из которых измеряет выделившуюся в нем энергию, а полная энергия частицы определяется как сумма измерений во всех модулях. Отдельный модуль имеет размеры 110 х х 110 х 411 мм3 и представляет собой последовательную (семплинговую) структуру из трехслойных сборок (формирующих элементов), каждая из которых состоит из слоя свинца (толщиной 0.55 мм), сцинтиллятора и светоотражателя. На плоскости формирующего элемента имеются отверстия, предназначенные для размещения в них спектросмеща-ющих волокон (ССВ). Каждый модуль содержит 180 формирующих элементов (полная толщина -
476
ГИНЗБУРГ и др.
18 рад. длин). Сцинтилляционное свечение, генерируемое в сцинтилляторе заряженными частицами ливня, передается на фотоприемник ФЭУ-115М при помощи ССВ BSF-9lA диаметром 1 мм.
На макетном образце СКМ, собранном из 9 модулей, проводились измерения регистрируемых СКМ частиц космических лучей на поверхности Земли. Снимались распределения сигналов на выходе всех 9 модулей макета. Сравнение данных для различных модулей макета указывает на идентичность их характеристик, что дает основание суммировать показания всех модулей без введения каких-либо поправок.
Были проведены расчеты энергетического разрешения семплингового калориметра методом математического моделирования. Результаты расчетов для калориметра с 180 слоями приведены в таблице. Расчет показал, что энергетическое разрешение калориметра толщиной более 180 слоев при Еу = 1000 ГэВ лучше 2.5%.
В настоящее время ведется подготовка для измерения с использованием СКМ спектра гамма-квантов космических лучей на поверхности Земли.
Координатная система гамма-телескопа ГАМ-МА-400. Для определения направления прихода регистрируемых первичных заряженных частиц и гамма-квантов в составе каждой детектирующей системы имеется три двухслойных плоскости координатных детекторов. Каждый детектирующий слой собирается из прямоугольных сцинтиллято-ров сечением 20 х 20 мм2, причем в двух слоях одной координатной плоскости длинные оси сцинтил-ляторов ориентированы взаимно перпендикулярно, что позволяет определять две координаты точки пересечения частицей соответствующей плоскости и восстанавливать ее траекторию. Сцинтилляционное свечение, возникающее при пролете частицы через детектор, собирается ССВ и транспортируется на вход фотоприемника Si-ФЭУ.
Были проведены измерения некоторых характеристик координатного детектора. В частности, измерялась зависимость амплитуды сигнала от места прохождения частицы. Результаты приведены на рис. 2 (там же представлен спектр при отсутствии сигналов с Si-ФЭУ - "пьедестал"). Спектры, соответствующие регистрации частиц в трех указанных точках, мало отличаются друг от друга. Это показывает, что затухание сцинтилляционного свечения в детекторе небольшое, и его роль при использовании ССВ и Si-ФЭУ значительно меньше, чем в случае применения вакуумных фотоумножителей. Разработанная методика может быть успешно использована при создании координатной системы. Такая координатная система позволяет определять угол влета отдельной частицы в телескоп с точностью до ±2°, что достаточно при измерениях потоков диффузного космического гамма-излучения.
Рис. 1
Применение вместо вакуумных ФЭУ твердотельных Si-ФЭУ и ССВ позволит создать компактную, легкую, энергоэкономичную и сравнительно
Таблица
Энергия гамма-квантов, ГэВ Энергетическое разрешение, % Эффективность регистрации, %
100 2.08 ± 0.1 75
200 2.09 ± 0.1 82
300 2.49 ± 0.2 89
500 2.54 ± 0.2 95
700 2.42 ± 0.2 93
1000 2.54 ± 0.2 99
РАЗРАБОТКА ГАММА-ТЕЛЕСКОПА ГАММА-400
477
Число событий 400
200
0 80 70 60 50 40 30 20 10
|
x = 40 см
lb»»...
x = 70 см
itUtA I * и
0 40 80 120 160 200 2400 40 80 120 160 200 240
Номер канала
Рис. 2
недорогую координатную систему, что существенно при проведении измерений на космических аппаратах. Результаты измерений и расчетов дают основание считать разрабатываемую методику адекватной задаче исследования космического гамма-излучения при энергиях до 1 ТэВ.
Работа выполнялась в соответствии с Федеральной космической программой РФ на 1995-2005 гг.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Гинзбург В., Курносова Л., Разоренов Л. и др. Космическое гамма-излучение высокой энергии и проект гамма-телескопа ГАММА-400. Препринт № 3. Физический институт им. П.Н. Лебедева. Москва. 1995.
Гинзбург В., Каплин В., Каракаш А. и др. Российский вариант телескопа для регистрации диффузного гамма-излучения в области энергий 10-1000 ГэВ // Изв. АН. (сер. физ.). 2005. Т. 69. № 3. С. 428.
Development of the GAMMA-400 Gamma-Ray Telescope to Record Cosmic
Gamma Rays with Energies up to 1 TeV
V. L. Ginzburg1, V. A. Kaplin2, A. I. Karakash2, L. V. Kurnosova1, f, A. G. Labenskii1, M. F. Runtso2, A. P. Soldatov3, N. P. Topchiev1, M. I. Fradkin1, S. K. Chernichenko3, and I. V. Shein3
1 Lebedev Physical Institute, Russian Academy of Sciences, Leninskii pr. 53, Moscow, 119991 Russia 2 Moscow Engineering Physics Institute, Kashirskoe sh. 31, Moscow, 115409 Russia 3 Institute of High-Energy Physics, Protvino, Moscow oblast, 142284 Russia
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.