Автоматизация обработки информации при исследовании космического излучения в эксперименте "Гамма-1" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Л-И'.■•■-<-

МОСКВОСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО эшшш ' ШШШРНО-ФИШЧЕСЮЙ ИНСТИТУТ

• На правах рукописи

РУДЬКО Владимир Аркадьевич

АВТОМАТИЗАЦИЯ ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ КОСМИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ. "ГАММА-!"

01.04.01 - техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физического эксперимента

, - ; АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Автор _ , •.'■-."

Москва - 1992

Работа внполяена в Московском ордена Трудового Красного Знамени инженерно-физическом институте. ; Научный руководитель: кандидат физико-математических

наук, в.н.с. Ю.В.Озеров. Официалшые оппоненты: доктор физико-математических ! наук . Г.Б.Зданоэ,

^ доктор физико-математических -

| . наук ' И.Г.Митрофанов.

| ' Ведущая организация: Научно-исследовательский

; • институт ядерной физики Г.ПТУ.

I ■ '• , •

; ' Защита состоится " " 199 '£. г. в /£час.

} $-0 мин. на заседании специализированного совета K053.03.0i | при Московском инженерно-физическом институте по адресу: | И5409, Каширское шоссе, д. 31, тел. 324-84-98. I - С диссертацией дазмо ознакомиться в библиотеке ШФИ.

! Просим принять участие в работе совета ш ярлслагь

отзыв в одной экземпляре, заверенной печатью организации. Автореферат разослан "/•?" ^сс/^сл199 <Г, г.

Ученый секретарь "

специализированного совета А.К.Тудков

ОБЩ ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ :

Актуальностъ работы. Многие современные космофизические и астрофизические исследования проводятся на борту искусственных I спутников Земли (ЙСЗ). Для этого на спутниках устанавливаются сложные комплексы аппаратуры. Так, в настоящее время в России ! ; проводится эксперимент пГамма-1". В состав телескопа, установ-¡ленного на ИСЗ, входят искровые камеры, времяпролетная система,■ ¡черенковский детектор, калориметр. Комплекс таких детекторов I ¡позволяет использовать телескоп для исследований как космофизи-; 'ческих задач - изучение потоков заряженных - частиц в околозем- ! :ном пространстве,, так и астрофизических - изучение потоков' | ¡гамма-квантов от Галактических и внегалактических источников- ' 1 В комплексном многофункциональном.эксперименте "Гам.1а-1" ! |заранее маяно определить только общие направления астрофизических и космофизическлх исследований. К таким очевидным направлениям можно отнести, например, временной и спектральный анализ .|гамма-излучения пульсаров, определение потока высокоэнергичных | электронов под РПЗ и в РПЗ. Тем не менее, объем получаемой ¡физической инфордацииг содержащей различные характеристики космических частиц, как гамма-квантов, так н зарженной компонен-|ты, позволяет ставить и решать многие другие конкретные научные ¡задачи при последующей обработке информация. Для успешного ¡проведения длительного, с большим объемом получаемой информации, комплексного эксперимента с широким спектром решаемых задач .'целесообразно формировать базу данных, включающую в себя информацию по событиям, регистрируемым телескопом. Это позволит :не только сохранить научную информацию (очень дорогостоящую, [так как эксперимент проводился на ИСЗ), но й даст возможность 'использовать ее для решения многих научных яадач,. формулируемых в процзссе физической обработки. Такой подход значительно сокращает время, необходимое при последующей, интерпретации результатов. Основное требование, предъявляемое к базе данных эксперимента " Гамма-Г', - она долкна содержать всю-физическую ; информацию, необходимую для последующих исследований. В отли- 1 чии от эксперимента соз-в , где такае создавалась база данных зарегистрированных телескопом гамма-кВантов-для астро-

физических исследований:, в эксперименте "Гамма-!" база данных ! должна содержать параметры- физические характеристики регистрируемых частиц (гамма-квантов и заряженной компонента), необходимые как для астрофизических исследований, так и космофизи-1 ческих. Крота этого, база данных должна удовлетворять и традиционным требованиям - доступность информации, возможность от. бора информации по различным признакам для последующей физи-: ческой обработки.

Цель работы. Настоящая работа посвящена разработке "уни- | j версальной" базы данных для астрофизических и космофизических ' • исследований по данным эксперимента "Гаша-I", методик расчета1 ; физических параметров, содеркащихся в базе данных, и некоторым' ; результатам ее использования для исследования потока гамма- . ! i квантов с энергией больше 50 МэВ от астрофизических объектов' j ! на примере пульсара Vela , а также потоков зарянеящх час-I тиц в околоземном пространстве , как в РПЗ, так и под РЦЗ. | Новизна таботн. Впервые осуществлен комплексный подход к ; обработке первичной информации космического эксперимента, за-¡клшаадийся в формировании "универсальной" базы данных, кото-I рая позволяет проводить широкий спектр астрофизических и кос-I мофизических исследований в эксперименте "Гамма-Г*. Подготовлен 'к эксплуатации программный комплекс, формирующий базу данных Í и проводящий физический анализ получаемой, информации. В базе . данных доступна информация по любому зарегистрированное собы-I тию, возможен поиск и отбор событий по признакам (объекту на, владения, времени наблюдения, фоновым условиям и др.). i Впервые при анализе пространственных распределений потока i мюонов на уровне моря, использул базу данных эксперимента, ! показано отсутствие пространственных иеоднородностей с разме- j ром 1,5° - 10° и амплитудой модуляции более 20$.

Вновь через несколько лет после окончания эксперимента ' с os—в измерен поток гамма-излучения от пульсара Vela : - в области энергий больше 50 МэВ. Его величина составила. (1,92* ¿0,06) фогон/см^сек, что отличается от результатов, полученных в эксперименте cos-B , и подтверждает выводы о .переменное-1 ти величины потока гаша-излучения пульсара. j

Изучены особенности фазовой кривой гамма-излучения цульса-

pa Vela . Впервые обнаружено разделение первого пика и ! интерпика, что говорит.о том, что гамма-излучение, относящееся ; к этим двум участкам фазовой кривой, возникает в различных ^ 1 областях магнитосферы пульсара.

• Научная и'практическая ценность работы. Разработанная ба-: i за данных эксперимента открывает широкие возможности для изу- ; ! чения потоков гамма-квантов и заряженных частиц в околоземном ; | пространстве. •..,■' i

На основе разработанных методик расчета физических пара- ! метров частиц подготовлен программный комплекс, обрабатывающий| "телеметрическую информацию и формирующий базу данных, а также ¡ i сформирована база характеристик телескопа, интегрированная в | ] .программный комплекс.. Все это позволяет проводить астрофйзи- i Í ческие и космофизические исследования в эксперименте "Гамма-1".

База данных, программный комплекс и база характеристик i телескопа использованы для исследования потоков гамма-квантов ! и заряженных частиц на уровне моря и в околоземном пространстве. Проведен анализ пространственной однородности потока мюо-нов на уровне моря. Выявлены новые особенности фазовой кривой гамма-излучения пульсара Vela

Основные результаты диссертационной работы могут быть использованы при проведении космофизических и астрофизических экспериментов в <ШН СССР, ЖИ АН СССР, ДФТИ, НИИЯФ МГУ. '

Автор защищает: . I I. Методику формирования базы данных эксперимента "Гамма' -I". . . ; ;

Í ■ I.I., Разработанные методика, используемые при формирова- '

• нии базы данных: методику восстановления точного, времени ре- ! {гистрации события (точность 0,1 мс); методику расчета коорди- j ■ нат центра Земли в барицентрической системе отсчета для каждо-í

го события, основанную на интерполяции для текущего времени табличных координат положения- Земли на 0 барицентрического времени методом четвертых разностей; методику расчета энергии регистрируемых частиц и восстановлегмя спектра падающего гам- j ма-излучения, в основе которой лелит метод наименьшего направленного расхождениям использующую данные калибровки телеско- ; па на ускорителе и результаты расчета методом Монте-Карло.

1.2. Структуру и содержание физической базы данных экспе-' римента "Гаша-I", которая для любого зарегистрированного события включает в себя временные, пространственные и энергетические параметры, позволяющие адекватно, восстанавливать характе- ' ристики первичного излучения, и что существенно, одновременно для астрофизических и космофизических задач.

¡ 1.3. Организацию обработки телеметрической информация . ; ¡эксперимента "Гаша-I", формирующей физическую базу данных, a ¡ ¡такке организацшо статистической обработки базы, данных, пред- | ¡назначенной для проведения пространственных, энергетических и I !временных исследований. |

| П. Проверка формирования базн данных и ее использование . j в астрофизических и космофизических исследованиях. f

■ 2.1. Результаты исследования пространственного распределен ¡ ния потока мюонов на уровне моря с использованием физической i

i базы данных эксперимента. Показало отсутствие пространственныхj Iнеоднородаостей в потоке мюонов на уровне моря с размером i 1,5° - 10° и амплитудой модуляции более 20%. . ' j 2.2. Методику разделения заряженных частиц, регистрируе-¡мых телескопом, включающую адентафикацдм' электронов в условиях !большого фонового потока протонов. Данная методика была ксполь-■ ! зована для проведения космофизических исследований в эксперименте "Гаша-1".

2.3. Измерения потока пульсирующей компоненты гаша-излу-. чения в диапазоне энергий 50-5000 МэВ от пульсара Vela . Поток составил величину Р ( > 50 МэВ) = (Г,92±0,06)*10-5

О

фотон/см"с, что отличается от результатов, полученных cos-B

■ 8 лет назад, и подтверадает вывода о переменности величины : ; потока гамма-излучения пулвсара. Анализ фазовых кривых показал1

отделение первого пика от интерпика на расстояние.0,035 фазы, ' что говорит о том, что гамма-излучение, относящееся к этим двум участкам фазовой кривой, возникает в различных областях магнитосферы пульсара. '

Апробация работа. Основные материалы диссертации докладывались на 19, 20, 21 и 22-х Международных конференциях по кос-! мическлм лучам, на Всесоюзных семинарах по гамма-астрономии. | Публикации,- Основное содержание диссертации отражено в

семи печатных работах и трех отчетах по НИР. 1

j Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из ;введения, шести глав, заключения, четырех приложений и списка j [литературы. Объем диссертации - 171 страница, включая 30 рисунков. Список литературы содержит 129 наименований. ; | - ■ - • ' ■ ■ . . . . | j , СОДЕРЖАНИЙ РАБОТЫ ' i | Многие актуальные задачи и проблеш современной экспери- j ¡ментальной физики находят свое решение в болыщх, сложных и | 'комплексных экспериментах. В первую очередь это относится к j ¡таким областям экспериментальной физики, как астрофизика и j '¡космофиэика. Комплексный подход К' решению научных задач осуществлен в эксперименте "Гамма-1". ;

Телескоп "Га»ла-1" -разработан для исследования космических! гамма-квантов и электронов в энергетическом диапазоне от 50 МэВ до 5 ГэВ. Чувствительная площадь для параллельного пучка гамма-лучей около 1500 . Угловое разрешение телескопа составляет ! - 1,2° при энергии гамма-квантов 300 МэВ и приблизительно ;20", если используется система кодирующей апертуры. Энергетическое разрешение изменяется от.70% на 100 МэВ до 30$ на ¡550 МэВ. Характеристики телескопа били подучены методом Монте-Карло, а также калибровкой прибора на пучке меченных электронов .'и гамма-квантов ускорителя ФИАН "Пахра". • ! • Телескоп состоит, из следующих систем: антнсовпадательной 'системы (АС: ДЗБ. ДВТ, Д1); широкозаэоркых искровых камер (ИК) системы считывания данных о искровых камер (зеркала и видикон);! времяцролетной системы. (GUI: СВ и CII); газового черепковского !счетчика СЧ1); сцинтилляционного калориметра (СК); системы фор- ! ,1лирования логического сигнала; системы электронного контроля и ! вывода телеметрической информации; системы кодирующей апертуры;; звездного датчика. . |

: II июля 1990 года произведен. запуск специализированного ! астрофизического модуля ТаШа", на котором установлен телес- : коп "Гаг.сла—I". После нескольких коррекций спутник был выведен на почти круговую орбиту вокруг Земли с параметрами: высота максимальная 414 км, высота минимальная 395 км, угол наклона 51°, период 92 мин. Предполагаемая продолжительность экспери-

мента - не менее одного года, в течение которого телескоп будет функционировать на орбите. В течение первого месят полета производилось поэтапное включение аппаратуры .телескопа и проверка всех систем спутника. В итоге было обнаружено, что широко- I ;зазорные искровые камеры оказались в нерабочем состоянии, к телескоп стал слепым прибором, который производит регистрацию ' излучения в поле зрения 20°, изменяющемся в зависимости от ¡мастера и типов отборов. Нерабочее состояние искровых камер ; внесло коррекцию в научную программу эксперимента, в которой | ¡на передний план выдвинулась задача наблюдения пульсаров, чтобы ¡по пульсирующей компоненте регистрируемого излучения осущест- | ¡влять отбор событий от наблюдаемого астрофизического объекта ■] -¡и проводить их временные, спектральные исследования. Кроме изу-: -'чеяия пульсаров телескопом предполагается проводить измерения |високоэнергичных гамма-квантов от вспышек на Солнце. Очевидно, ¡что сохраняется широкий спектр космофизических исследований -¡изучение потоков заряженных частиц в околоземном пространстве, ¡для которых отсутствие трекового детектора не имеет определяющего значения.

В эксперименте "Гамма-Г1 общий объем научной информации, получаемой за сутки, ~ 7 Мбайт. В ней содержится информация и о наблюдаемых объектах, и о состоянии телескопа, и о фоновых ¡условиях. Наблюдение одного объекта предполагалось.проводить' [в течение нескольких недель. Дня увеличения времени наблюдения в эксперименте "Гамма-1" во время сеанса предусмотрена переориентация телескопа на другой объект, что позволяет проводить в ¡одном сеансе наблюдения двух объектов. '

! Больше объемы научной информации, регистрируемые телескопом, накапливаемые на борту ИСЗ,и передаваемые на Землю, и в ; связи с необходимостью проведения широкого спектра исследований; и обработки информации по различным характеристикам регистрируемого излучения привели к необходимости разработки и создания базы данных эксперимента "Гамма-1". База данных позволяет использовать не первичную, а.уже физическую информацию в процессе решения различных научных задач, возникающих в ходе обработки -.экспериментальной информации, что значительно сокращает время, ; необходимое для научной ннгерпретации результатов эксперимента.'

Но это накладывает жесткие условия на содержание базы данных. I . Так. как эксперимент "Тамма-Г1 многоцелевой, ставящий перед со: бой как астрофизические, гак и космофизические задачи, го и ■ [база данных должна содержать физические данные, удовлетворяющие возможным задачам, таким как временной, спектральный, кос-: : мофязический анализ потоков гамма-квантов и заряженных частиц. | у.. Для того, чтобы сформировать базу данных эксперимента, | (разработаны алгоритм расчета всех физических параметров, Под- | I готовлена наземная система обработки информации, формирующая Г ! базу данных, и на экспериментальных данных проведена проверка 'как алгоритмов, так и системы обработки. |

| . Система обработки данных кавдого сеанса связи эксперимен-!та разбита на четыре этапа. Первый этап заключается в приеме ' телеметрической информации и формировании файла телеметрической информации сеанса связи. На втором этапе формируется файл дан-| них на магнитной ленте, содержащий исходную научную информацию! ;одного сеанса - файл ленты "Форматы". На третьем этапе создает-' |ся полномасштабная физическая база данных,, достаточная для |проведения космофизических и астрофизических исследований. На заключительном четвертом'этапе создаются специализированные на-' боры дашшх. по гамма-квантам, содержащие физические характерно-' гики-зарегистрированных гамма-квантов, и специализированные I наборы данных по заряженным частищм. На этом этапе различными '; методами проводится статистическая обработка информации из ба-| зы данных на предает получения физических характеристик регистрируемого излучения, то есть построение пространственных рас-, пределоний гамма-квантов и заряженных частиц, выделение особен-| костей, восстановление энергетических спектров, временной анализ и др. •. ; |

Все параметры формируемой базы данных разделены на три { ' части.

Первая часть - информация с детекторов телескопа в момент регистрации частиц, которая включает отметки сигналов с детек- | торов и амплитуды сигналов в детекторах при регистрации частиц.' Наличие этих параметров частиц в базе данных позволяет прово- . дать отбор частиц в зависимости от того, какие детекторы сработали и с какой амплитудой во время регистрации частиц.

Вторая часть - физические характеристики зарегистрирован-} ных частиц, необходимые для астрофизических исследований, таких как пространственный, временной и энергетический, анализ регистрируемого гамма-излучения. В эту часть входят: . • : I

I. Время регистрации в шкале Всемирного координированного , времени С итс ) с точностью до ОД мс.

; 2. Барицентрическая поправка - поправка ко времени регистрации события в системе, отс для перевода в идеалу барицентрического времени, необходимая для проведения временного ана-| |лиза. !

! 3. Координаты положения спутника в момент регистрации со-| ¡бытия: шрота, долгота, расстояние от центра Земди и прямое" ! |восхождение в геоцентрической системе координат. ; • !

: ' 4. Энергия частицы. Расчет энергии частивд производится I [используя трековую инфорлацию с искровых камер и амплитуды | в секциях калориметра.. .,1

; 5. Направление .прилета частицы в объеме искровых камер, а 'также в экваториальной системе координат,, направление осей ¡телескола. - ...

| 6. Параметр, характеризующий загрузку антисовпадательной ;системы, показывающий, в каких фоновых условиях находится . ;телескоп в момент регистрации события.. ; 7, Координаты положения центра Земли в барицентрической системе координат, необходимые для проведения временного анализа регистрируемого гаша-излучения.

1^егья часть - физические характеристики, необходимые для космофизических исследований. В базе данных содержатся геомагнитные параметры В , Ь *, вертикальная жесткость и жесткость ; ;в направлении прилета, питч-угол. . ;

Расчет параметров из базы данных производится по алго- I :ритмам и подпрограммам, описанным в работе. • , 1 " |

! Для каждой регистрируемой телескопом частицы ( 15000 I гамма-квантов и ~ 300000 заряженных частиц в сутки, в зави- | сиг,гости от мастера) проводится расчет представленных физических' параметров и запись в <5азу данных. Ваза данных хранится на шт-нятных лентах "Банка". Каздый файл магнитной лентн содержит базу данных по одному объекту наблюдения в одном сеансе. Совокуп-

ность информации по всем сеансам, содержащейся на магнитных | лентах "Банка", и формирует базу данных эксперимента. Используя ;номер сеанса, время регистрации-, мастер запуска, можно найти ;любое-событие в базе данных,'произвести; например, отбор собы-! , !тий по времени регистрации, по объекту.наблюдения в отдельный ; :набор для статистического анализа.

I '...-. Для формирования базы данных создана система программ, которая по определенным алгоритмам обеспечивает автоматическую ' |обработку файла ленты "Форматы",'извлечение всей необходимой | [информации, запись ее в базу данных, проведение экспресс-обра- | ботки с целью контроля работы телескопа и 'формирования магнит- i <ной ленты "Банка". Программный кошлекс представляет собой ряд j ;последовательно вызываемых с помощью многошагового задания про-1 , !грамм,~связанных между собой через постоянные наборы.данных на j магнитных дисках. В работе представлены описания программ и на-i ¡боров данных,''используемых в программной комплексе. Он ориенти-j •рован на машины серии ЕС ЭВМ (EC-I046, EC-I060) с операционной системой ОС ЕС, и требует для своей реализации два магнитофона |и не менее I Мбайта оперативной памяти. Для размещения постоянных и временных наборов, библиотек системы требуется не менее ■двух магнитных дисков объемом 29 Мбайт или один - 100 Мбайт. ¡Комплекс защищен от сбоев ЭВМ, также предусмотрена возможность ¡повторной обработки..■"•."-''■' ;

•; . В астрофизическом эксперименте с помощью гамма-телескопа :исследуются физические характеристики гамма-излучения, такие (как интенсивность, направление и'энергетический спектр. Для проведения физического анализа экспериментального глатериача I ; в работе получены характеристики телескопа и по ним сформирова-j |на база характеристик телескопа (БХТ), интегрированная .в про- j граммнкй кошлекс.статистической, обработки. ' j

База характеристик телескопа "Гаша-I" состоит из трех ■частей:, зависимость эффективной площади телескопа от энергии и угла падения гамма-квантов; функция отклика телескопа на плоско-параллельный поток гамма-квантов;"функция восстановления ; энергии. . 1

. Так как база данных эксперимента позволяет отбирать собы-; тия различных"типов, с различными мастерами запуска телескопа,

с различными амплитудами в детекторах, поэтому необходимы .ха-г рактеристики телескопа для любых вариантов отборов событий из базы данных, поэтому сформирована база характеристик телескопа, которая содержит исходную информацию дая получения характерно-! тик при конкретном отборе событий, так и набор характеристик для наиболее часто используемых отборов.

: Программа расчета характеристик телескопа методом.Монте- ; ¡Карло позволила определить зависимость эффективной площади те-! ,лескопа от энергии и угла падения, усредненной по площади де- ' | ¡тектируемой поверхности. Для проверки правильности расчета | |эффективной площади в работе использованы данные калибровки . | ;телескопа на ускорителе и измерения атмосферного гамма-излуче-! ¡ния. ' .- .",',. . )■

| Функция отклика телескопа на плоско-параллельный поток | |гамма-квантов определялась по результатам калибровки'на ускорителе. Для проверки правильности выбора функции отклика вое-

Стл ттлг»»»л»гтг т г»* л гттл «-> -о пг\ т—тг »-г гггч тгл тгг» г-г т-гтг ттт^гч 1 гл т апллт^пгт " тт/л тт тлоптттт» ггх ¿С1-11\ЛЭ>ил;.и.и АШДОХШЛ ШЛСЛ II О. ¿¿^Д ДАЛ*!*!

!углами по данным калибровки на ускорителе. | Функция восстановления энергии и соответствующая ей база :также определялись по результатам'калибровки на ускорителе. Для ¡проверки выбранной методики и правильности сформированной базы 1 восстановлен спектр гамма-излучения на уровне моря. I Несмотря на то, что была проведена калибровка телескопа ¡на ускорителе, из-за сложности всего комплекса, как его аппаратной части, так и'программно-методической, потребовалось проведение дополнительных методических экспериментов как в назем-;пых условиях, так и после вывода телескопа на орбиту. | . Целью наземных экспериментов являлась проверка методик ! 'восстановления направления прилета частицы в объеме искровых • камер, расчета энергии и энергетического спектра, времени ре— ; ' гистрации события и координат телескопа, формирования базы данч ных и возможности проведения исследований о использованием ба-| зы данных и базы характеристик. Весной 1986 года проведены из-! мерения потока гатаа-кзантов и шопов на уровне моря. Телескоп; был установлен в районе Москвы, ось телескопа направлялась | вертикально вверх. В общей сложности было проведено 100 сеан-. ¡' сов измерений гамма-квантов и 24 сеанса измерений шонов. Чис--ло-регистрируемых мюонов и гаша-квангоз в одном сеансе 2000. ;

Системой программ из подученной информации, записанной на' • магнитной ленте "Форматы", сформирована база данных по атмос-

■ ферным гамма-квантам. Отбирая события из базы данных по мастер-пнм сигналам запуска телескопа, по углам падения, по энергии,' '

, проведена дополнительная проверка на атмосферном гамма-издуче-: нии результатов расчета методом Монте-Карло эффективной площади телескопа. ■ | Вторая задача, которая была решена с использованием базы \ ¡данных по атмосферному гамма-излучению, - это отработка мето-|дгаси восстановления энергетических спектров с использованием ! базы характеристик. Для восстановления спектра регистрируемого I гамма-излучения в системе программ физической обработки реали-| зован метод наименьшего направленного расхождения. I ■ Используя этот метод, восстановлен энергетический спектр ¡потока гамма-квантов, регистрируемого телескопом по всей пло-¡щади. Показатель спектра сС = 2,57-0,08 получен аппроксима-! цией восстановленного дифференциального распределения гамма-квантов по энергии методом наименьших' квадратов показательной функцией и совпадает с литературными данными. Полученные результаты подтверждают адекватность методики восстановления энергетических спектров в эксперименте Тамыа-1". Этот вывод говорит, в частности, о правильности формирования базы харак-.' теристик телескопа по эффективной площади и энергии. ; . Для дополнительной проверки работоспособности системы : съема информации с искровых камер и программного обеспечения . ; при расчете пространственных характеристик регистрируемых час-

■ тиц были проведены измерения мюонов телескопом на уровне моря. :Мюоны были выбраны в' связи с тем, что это высокоэнергичные за-

•рякенные•частица (порог их регистрации телескопом, определяв- ! ,мый черепковским детектором, 1,3 ГэВ), поэтому многократное рассеивание мюоиов в электродах искровых камер мало. Это позволило в дополнении к результатам, полученным при калибровке телескопа на ускорителе, проверить методику восстановления . направления в объеме искровых камер.

- Бо-первых, проведена проверка восстановления направления в каздом из 12 зазоров искровых камор. С этой целью в работе построены распределения по проекционным углам в каящом зазоре |

и проведен анализ полученных распределений, показано отсутствие смещений в восстанавливаемых направлениях в отдельных зазорах.

Во-вторых, проверялась система программ для восстановления |направления прилета в небесной системе координат. С этой целью1 ;строились распределения на небесной сфере по направлениям при-;.: ■лета й проводилась цроверка на однородность полученных распределений зарегистрированных мюонов. Ожидалось получить однород-; | ные распределения, но в отдельных сеансах в распределениях по >/. направлениям прилета обнаружены неоднородности размером боль- ] ше I градуса, которые невозможно было объяснить методическими ; причинами. Это потребовало проведения дополнительного анализа |.-с целью выявления как неоднородностей, так и периодических | составляющих в распределениях мюонов по направлениям прилета. ' 1. | Так как мюоны - это вторичные частицы, рождающиеся в ре- | зультате взаимодействия первичного космического излучения с | 'атмосферой Земии, то в работе рассмотрены характеристики (энер--|гия) первичных космических частиц, которые могут дать мюоны, . ¡регистрируемые телескопом. Хотя.вертикальная геомагнитная жесткость в районе измерений 2,3 Гв, энергия первичных космических частиц (протонов) составляет величину/. > 20 ГэВ. . ■

Показано, что пространственный неоднородности распределения мюонов могут отражать неоднородности потока протонов с |энергией больше 20 ГэВ, падающих на атмосферу.Земли..- .. | Для каждого сеанса построены пространственные распределения мюонов по направлениям прилета на небесной сфере в экваториальной системе координат.. Статистический анализ пространственных распределений мюонов' на- предает исследования их прост-, !рансгвонной однородности и отсутствия каких-либо особенностей •'.проводился по прямом/ восхоаденш ¿1 с отбором мюонов Б оц- ' ределенных интервалах по $ , так как по оси, <5 распределения слишком короткие ( ~ 10°). Кавдое распределение, отобранное для стзд'мстического. анализа с разными границами по с1 и

5 , содержало 500-600 событий, при этом дайна ряда по 25-30° ^ всего было проанализировано 253 ряда. 'Полученные распределения анализировались на предает наличия периодической . ; составляющей и непериодической - неоднородцостйЙ, приводящие к 1 отличию полученных распределений от пуассоновского. Для выявле-

ния скрытой периодической компоненты использовались два извести-них метода: метод Еюй-Балло и метод Елэкмена-Тыоки. Для поиска ,неоднородностей в распределениях дополнительно проводился ана-; ■лиз с использованием пространственных интервалов. '

В результате проведенного анализа из 24 сеансов в четырех1 'только в методе Елзкмена-Тьюки наблюдаются заметные выбросы ,в спектре мощности. Из 253 выборок "временных" рядов в 14 вариантах, данные для которых взяты из этих четырех сеансов, , ( больше 30, что соответствует вероятности р < 0,01. Веро4 ¡ятность случайного появления из выборки в 253 рядов 14, вероятность которых менее 0,01, получена по биномиальной формуле ¡и равна р = 0,002.■ .

| . Таким образом, анализ пространственных распределений мюо-;нов на уровне моря тремя методами в целом показал их однородность. Возможная периодическая составляющая в пространственных ¡распределениях имеет период 1,5°-3° и амплитуду модуляции ¡ыюонного потока < 20$. Неоднородности имеют тленно пространственный характер,'так как регистрируемый поток мюонов анализировался на предмет временных вариаций и анализ показал их отсутствие. В работе такие показано, что незначительное изменение интервалов по <1 и црнводиг к уменьшению пиков в ПСМ

;и, соответственно, £г .

• Учитывая неустойчивость, относительно высокую вероятность •случайности, короткий экспериментальный.ряд, ограниченную статистику, нельзя твердо говорить об обнаружения пространственных неоднородностей'мюонов на уройне моря по зерайней мере с ■амплитудой модуляции более 20$, и размерами неоднородностей в пределах 1°-13°, поэтому приведение результаты говорят об однородности пространственных распределений мюонов.

Телескоп "Гамма-1" проводит непрерывные измерения электро-; 'нов (форматы Ш31 и икг ) в течение каждого сеанса. В среднем I ■за. один сеанс регистрируется ~ 300000 частиц. Сложность проведения космофизнческих исследований и особенно исследований по составу частиц в И13 заключается в том, что возможна имитация регистрации электронов прогонами. В работе рассмотрен процесс регистрации телескопом "Гамма-1" электронов и показаны воз.мо:;:-.ные причины имитации. Масгерпнй сигнал регистрации заряженных !

частиц формируется при срабатывании 'следующих детекторов: CBI.i Ч, СНО, ДВТ1, ДНГ, СЖ4 и ДВБ в антисовпадении и должен был ' обеспечить регястравдю электронов и подавление протошшх событий. Но все это в идеальном случае.-Так, если энергия протона I ! больше 170 МэВ и меньше 500 МэВ (протоны с энергией меньше, ■ ';!. <170 МэВ не дойдут из-за ионизационных потерь до детектора СН, ; ; , а при энергии больше 500 МэВ сработает 4 секциякмориметра), 1 j то возможен сигнал в черепковской детекторе из-за появления ■ j ' & -электронов или свднтилляции газа в детекторе при пролете . j "через него протона, а прогон поглотится не дойдя до СК4. Bepo-j ятность такого процесса по результатам калибровки. 0,3%, то , , есть в З'ГО^ раз происходит подавление регистрации протонов .' • по сравнению с электронами только за счет комбинации детекторов СН, Ч и СК4. Однако, если рассмотреть соотношение потоков j протонов и электронов в ШЗ: Ю6 р/м^с стер и несколько, единиц j на I03 е/м2с.стер при Е > 100 МэВ, то видно, что доля оставшихся протонов может быть невелика. В телсскоие 'Таг.гла-1" су- -щественную помощь оказывает комбинация сигналов CBI, ДВИ, ДН, у которых верхние пороги 1,5-2 0РЧ, а средние потери при прохоздении через эти детекторы протона с энергией меньше 500 МэВ будут больше 2 0РЧ. Но, конечно, все равно остается ¡возможность регистрации прогона телескопом из-за флуктуации ионизационных потерь в детекторах телескопа. Поэтому вопрос' ¡подавления протонов, особенно в.РИЗ, принципиально вазен. I В работе проведены' оценки доли оставшихся протонов по от-■ношению к электронам, используя распределения амплитуд в детек-j торе СВ из формата USI . ,' и показано, что несмотря на жесткий • отбор, установленный мастерным сигналом, телескоп регистрирует! > и протоны. Однако, анализ по амплитудам в детекторе СБ, позво-'ляет оценить и уменьшить их долю при исследованиях высокоэнер-1гичных электронов в РПЗ, - -

Отделяя прогоны от электронов, применяя критерий отбора по амплитудам в детекторе СВ, на экспериментальном материале, полученном с телескопа, показана возможность проведения исследования именно высокоэнергичных электронов и их наличие в РПЗ.

Большой экспериментальный материал 300 тыс. событий, по- ! лучаемый даже в одном сеансе измерений, позволяет с большой '

статистической достоверностью изучать процессы захвата в ШЗ и ! квазизахвата под РПЗ заряженных частиц в динамике.

Для проверки точности восстановления "абсолютного" време- 1 ни регистрации события (методика расчета изложена в работе), ' ■которое определяется географическими координатами прибора, ко- ; ординатами барицентра, бортовым временем регистрации события, использованы данные наблюдения пульсара Vela ( PSR0833-45).| .Пульсар "Vela был выбран в качестве калибровочного источника, ¡так как это один из немногих пульсаров, по которому накоплен ¡большой экспериментальный материал в более ранних экспериментах |как в радмодиалазоне, так и в исследуемой энергетической области гамма-излучения.

. В 1990 году наблхщения пульсара Vela . проводились тело! скопом "Гамма-I" с 10 августа по II октября, всего было 45 се-¡ансов измерений. За это время зарегистрировано ~ 350000 гамма-квантов из области наблюдения, среди которых число событий от ¡пульсара Vela менее 1%. Исходный набор информации проводился, используя тетер запуска телескопа, включающий такие (детекторы, как счетчики СБ и СН, времяпролетную систему и систему антисовпадения. Так как телескоп "Гамма-I" не позволял ¡восстанавливать направление прилета вавдого гамма-кванта и та-¡ким образом отбирать события от источника, то первая задача ¡обработки, которая была решена, - это уменьшение фона. 1 Уменьшение загрузки телескопа за счет рекекции фоновых событий, а также событий не от наблвдаемого источника достигалось путем включения в г,истер черенковского детектора. Включение в отбор только черенковского детектора уменьшило загрузку на 80$. Для уменьшения числа фоновых событий также использованы отметки МТ (нет сигнала в системе АС в течение, от 1-7 мке до момента регистрации события). .Отметки МТ позволили отсечь те ■события, зарегистрированные телескопом, которые возникли в результате P'-Zi-c распада. Включение в отбор требований отсут- . ствия отметок МТ уменьшает число фоновых событий на 45%. Следующий критерий - это введение отбора по полосам счетчиков СВ и CII, так, чтобы при регистрации события сработали полосы, находящиеся друг над другом, что позволяет отбирать частицы, двигающиеся близко .к оси телескопа, и уменьшает число фоновых частиц.!

■ * I

. Однако, это уменьшает величину эффективной площади телескопа ' ' ■на 25$. Кроме критериев отбора, использующих отметки систем' .телескопа, в работе использованы расчетные физические параметры^, Содержащиеся в базе данных. Введение в критерий отбора событий . параметра "Вес" из базы данных, характеризующего теш счета : антисовпадательных счетчиков в момент регистрации события, . . ^позволило убрать те события, во время регистрации которых теле-! :скоп находился в областях с большими потоками заряженных час- j. ,тиц. Например, для исключения области Бразильской аномалии порог по параметру "Вес" составил > 50, что соответствует моментам ¡ |загрузки антисовпадательной системы более З'Ю4 с-^. . :, . j I В работе рассмотрены результаты по загрузкам для трех - j уровней отбора, о котором говорилось выше: • ' .1

MI: СВ х СН х Ч. х CTI х ИСК х АС х МГ '.'.'.■ (I уровень) -1

Ы2: СБ х СН х Ч х CTI х ИСК х АС х МГ х Вес . ' (2 уровень) |

РЛЗ: СВ х СН X I х CTI х ИСК X АС х МГ х Вес х Полосы -

(3 уровень).

Один из критериев выбора мастера для дальнейшего анализа -¡это максимальное отношение числа зарегистрированных событий пульсирующей компоненты излучения к полноту числу событий. Доля ¡полезных событий, или отношение числа событий фазовой кривой, ¡находящихся на$ фоновым участком, к полному числу событий от Ьульсара для третьего варианта отбора составило 9% от всей статистики, что в 2.раза больше,.чем в первом варианте отбора,.: ¡число фоновых событий уменьшилось на 75%, а само число событий ¡над фоновым участком уменьшилось на 4С$. Третий мастер и был выбран для дальнейшего анализа гамма-излучения от. пульсара j Vela . Фазовая кривая для этого варианта отбора приведена в : 'работе. . .. • .'

. ! Восстановленная фазовая кривая по своей структуре близка к фазовой кривой, полученной в эксперименте' cos-B . Наблюдаются два основных пика на расстоянии 0,42±0,02 фазы периода. Но что очень ваяно,'полная ширина их на полувысоте составляет величину 3 мс. Согласно этому, ыокно сделать вывод, что реализованные методики расчета географических координат, координат .барицентра, бортового времени регистрации и методика вое-; становления "абсолютного времени регистрации события в целом

позволяют определять время каждого события в базе данных с ■точностью ~ I мс.

Кривая светимости позволила провести расчеты потока пуль-j сирующей компоненты излучения пульсара Vela . Используя эффективную площадь телескопа? из базы характеристик найден средний поток гамма-излучения пульсара Vela в период с ; ;10 августа по II октября 1990 г., величина которого при Е больше 50 МэВ и показателе спектра 2,1 - (1,92^0,0б)-10'"5фотон/см2с. ¡Величина потока близка к результатам по потоку от пульсара J Vela , получении?.! в эксперименте cos-B в сеансах ¡1975 и 1976, и отличается от результатов, полученных в 1979 •и 1981 годах. Это подтверждает ранее сделанные выводы, что ¡величина потока гамма-излучения пульсара может со временем меняться.

В эксперименте "Гамма-I" для изучения особенностей фазовая, ¡кривая была разбита на бсбласгей: I шпс, I интерпик, 2 штер-1пик, 2 пик, 3 иятерпик, фон.

I В четырех областях фазовой кривой кроме двух областей с ¡пиками было произведено сравнение распределения числа событий Je пуассоновским распределением критерием ^ . Результаты расчетов показали хорошее согласие с пуассоновским распределением в пределах какдой из четырех областей фазовой кривой. ¡Вероятность отличия не превышала 80%. Таким образом, в кандом ■из четырех участков фазовой кривой события распределены равномерно, то есть светит,гости приблизительно постоянны. Мощность излучения (число событий без фоновых на интервал фазы) для каядой области разная. Наиболее выделены два пика и первый интерпик. Мощности излучения в областях ингерпика I и 2 отличаются в три раза, что. говорит о необходимости выделения этих ; .участков фазовой кривой в отдельные области. Область интерпика i 3 хоть и выделена, но отличается от фона очень мало.

В работе показано разделение первого пика от первого ингерпика. Для уточнения этой информации фазовая кривая по событиям с третьим вариантом отбора была построена с' шагом 0,25 мо, а ее аналитическое представление подучено с помощью фурье-раз-лояения. Число гармоник фурье-разлокения И = 19 было выбрано с помощью Н-теста. Среднее число событий на участке фазовой ;

кривой метод пиком и интерпиком от 0,16 до 0,18 фазы определено по 4 каналам гистограммы фазовой кривой с шагом 0,25 мс и ¡равно X = 20,25^2,38, а среднее первого интерпика взято по j 113 каналам т = 28,38±1,13. По критерию Стыодента. "Ь = '*. |= 3,081, что соответствует вероятности совпадения средних при../ 115 степенях свободы менее 1%. Расстояние между средним положе- i нием первого пика и границей.первого интерпика составляет 1 0,035 фазы. Отделение первого пика от интерпика на фазовой i кривой может говорить о том, что области гаша-издучения.в . }. пике и интерпике различны. '- . • ■ j-

В Ы В О Д Ы : v |

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем: ...

1, Разработаны содержание и структура базы данных эксперимента "Гамма-I", которая включает в ссбя полный набор физических параметров, необходимых.для восстановления характеристик регистрируемого излучения, как в астрофизических, так и . в космофизических задачах.

2. Разработаны алгоритмы расчета точного времени регистрации события, энергии, с учетом направления прилета события, координат центра Земли в, барицентрической системе координат. :

■ 3. Создана система программ обработки телеметрической . -.¡информации эксперимента, с помощью .'которой восстанавливаются ¡.физические характеристики каждого события, зарегистрированного телескопом, и формируется база данных эксперимента.' Программный комплекс позволяет обработать информацию, подученную в одном сеансе связи, за ~ I час машинного времени на ЭВМ'типа EC-I046. Для размещения программного комплекса на ЭВМ необходимо 60 Мбайт памяти на магнитных дисках. База данных экспери- * менга формируется на магнитных лентах, что позволяет проводить дальнейшую физическую, обработку на других ЭВМ.

4. Созданная база данных эксперимента позволяет производить отбор событий по различным, признакам (объектам наблвдения, разделение на гамма-кванты и заряженные частивд, по отдельным дням,, интервала!.! наблвдения, по энергии,, амплитудам в .детекторах и т.д.) для проведения физического анализа подученных

20

i

экспериментальных данных. ■ >

5. Предложена структура и сформирована база характеристик ! телескопа, включающая в себя информацию по эффективной площади ) телескопа, информацию, необходимую для восстановления энергетических спектров регистрируемого излучения, и информацию о .функции отклика телескопа на точечшШ источник гамма-квантов. : 6. Произведен выбор.аналитического представления функции 1 : отклика телескопа для точечного источника, что упрощает вос-. становление характеристик регистрируемого гамма-излучения по направлениям.- Доказана возможность восстановления направления ; при наблюдениях источника под различными углами в апертуре телескопа.

7. Проведенные измерения потока гамма-квантов позволили проверить правильность сформированной базы характеристик телескопа по эффективной площади и энергии, отработать методику

; восстановления спектра падающего гамма-излучения, основанную I на методе наименьшего направлешого расхоздения. Восстановленный поток гамма-квантов на уровне моря

✓ Р £100 МэВ) = (4,9±0,3) «1СГ4 см^с^стер-1 и показатель спектра ¿~= 2,57±0,14 совпадают с литературными данными.

8. Проверена и отработана методика и программное обеспечение для восстановления направления в объеме искровых камер и в экваториальной системе координат.

I .9, Полученные результаты по анализу пространственных рас-определений потока мюонов на уровне моря говорят об их однородности, показано отсутствие пространственных неоднородностей ;. с размером 1°-13° и амплитудой модуляции более 20%. ; 10. Разработана и апробирована на экспериментальном мате-■ риале методика идентификации электронов в условиях большого 1 фонового потока протонов. Новая методика позволила отобрать 'электроны из базы.данных эксперимента "Гамма-!" для проведения космофазических исследований.

11. Полученные результаты показывают правильность формирования базы данных по зардаенным частицам и возможность ее использования для космофизических исследований.

12. Разработана методика отбора событий по оплеткам о сра- ■ батывании детекторов телескопа и физическим параметрам из базы :

' данных, характеризующих фоновые условия, что позволило в r~ ю' :раз увеличить отношение числа событий от пульсара Vela к фоновым и нолучить наиболее отчетливую кривую светимости пуль- ( capa. Эта методика отбора может быть использована при анализе i экспериментальных данных по другим источникам. - . •. j

13.. Используя базу данных по пульсару Vela , восстановлена фазовая кривая гамма-излучения, пульсара. Особенности ¡ фазовой кривой, полученные характеристики пиков, подтверждают j правильность методики и расчета временя регистрации событий, ¡ барицентрических координат, географических координат положения; спутника. Показано, что ошибка в определении времени регистра-1 ции события, приведенное в бариирнтр Солнечной.системы, ~ I мс.

14. Измерен поток гамма-излучения от пульсара Vela в; области энергий 50 МэВ - (1,92±0,06)-1СГ5 фотоп/с^с. Этот pe- ¡ зультат получен через 8 лет после окончания .эксперимента ' _'' j

соз-б . Величина потока от пульсара Vela '. близка к результатам, полученным в эксперименте cos-в в сеансах 1975 ■ и 1976, и отличается от результатов, полученных в 1979 и 1981 годах. Это подтверждает выводы, сделанные в других работах, . что величина потока гамма-излучения пульсара может со временем меняться. ■ ' •

15. Рассмотрены особенности фазовой кривой гамма-излучения пульсара. Кроме основных двух.пиков на фазовой кривой выделены четыре области с постоянной светимостью, но разные по . модности. Обнаружено разделение первого пика и шгаерпика, что говорит о том, что гамма-излучение,- относящееся к этим двум ' участкам фазовой кривой, возникает в различных областях магнитосферы пульсара.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих jработах:

I. Основные результаты калибровки образца ВДИ 'Тамма-1ге. 1 Элементы системы обработки эксперимента." (Соавторы: Воронов СЛ., Гузенко М.В. ,* Земсков В.М., Коротков М.Г., Лучков Б.И., Озеров Ю.В., Топоркова Э.П., Фесенко А.И., Штанько Л.С.). 0тче1 НИР/МШИ (депонирован в ВНГИЦ) Ш. 0184.0064744, М., ВНТИЦ, 1986, 59 с. - авторш подготовлены программы для обработки информации, получаемой при" калибровке телескопа .

2. Основные физические характеристики гамма-телескопа ;"Гамма-Г". (Соавторы: Гальпер A.M., Земсков В.М., Озеров Ю.В., /Фесенко А.И., Итанысо JI.C¿). Отчет НИР/МИФИ (депонирован в j ¡ВНТИЦ), Я 0187.0040924, М., "ВНТИЦ, 1987, 71 с. - автором подготовлены методики и программное обеспечение для определения ! Iхарактеристик телескопа .

j 3. The garama-ray teleskope . "Gamma-I". (Akimov V.V., i

¡Baíebanov V.M.,Belousov A.S., всего 76 соавторов) - Spaoe Science Eeviews,I988,v.49, p.III-I24. - автором проведены

расчеты характеристик телескопа.

4. Методика восстановления направления излучения, регистрируемого в пшрокозазорных искровых камерах. (Соавторы: Александрии С.Ю., Земсков В.М., Озеров Ю.В.) - Препринт МШИ, íí 012-89, М., 1989, IS с. - автором предложена методика восстановления направления излучения и формирования базы характеристик телескопа по функцаи отклика на точечный источник.

. 5. База данных по основным характеристикам гамма-телескопа "Гачш-I". Элементы обработки данных эксперимента в МИФИ. (Воронов С.А., Гальпер A.M., Земсков В.М., всего II соавторов) - ВНТИЦ, 1990, 78 с. - автором подготовлена база характеристик телескопа и предложена структура базы данных эксперимента.

6. Angular distribution measurements of unions with, energies above 2 GeV at sea level.(Galper A.M.jDronov V.T., ¡et al) - Proc. of 20th ICSC, 1987, v.p.256 - авто-

ром подготовлены методики и программное обеспечение для анализа пространственных распределений глюонов. j. 7. Анализ пространственной однородности потока мюонов с ¡энергией больше 2 ГэВ на уровне моря. (Соавторы: Земсков В.М., ; /Озеров Ю.В J - Препринт МШИ, Ж 039-90, M.,- 1990, 22 с. -автором проведен- анализ -пространственных распределений мюонов и показано наличие неоднородности в отдельных сеансах.

8. High energy electron flux observation at the astrophy-;sici3 observatory "Gamma". (Galper A.M. jChesnokov V.J., Xirillov-Ugryumov V.S. et al) - Broo. of 22th ICSC, 1991, v.2, p.26 - автором показана возможность

использования базы данных по заряженным частищм эксперимента "Гамма-Г1 для космофизических исследований. i

. • . ,..........'_• ... 23 - Д .. " .. . i

! 9. Наблюдение пульсара PSB0833-45 телескопом "Tama-l" (Акимов В.В., Афанасьев В.Г., Балебанов В.М., всего 83 автора). - Письма в Аж., 1991, т. 17, J6 '6, с. 501-504. - автором вое- f становлена фазовая кривая гамма-излучения пульсара. 1 • j

10.Analysis of the temporal behavior of the Vela pulsar > with the high-energy telescope "Gamma-I". (Aklmov V.T., j

Afanassyev V.,Belousov A.S. et al) - Ртоо. of the 22th ICRC, I

I99ijv.ljp.56 - автором проведен анализ фазовой кривой I пульсара Vela на предмет выявления особенностей,и рас- ) четы пульсирующей компоненты гамма-излучения. . - i

Подписано к печати ¡Q.DLj9@аказ б Тираж 100 Типография МИФИ, Каширское шоссе, д. 31