Линейчатое излучение в энергетических спектрах космических гамма-всплесков по данным спектрометра "Ксения" тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

РГ6 ОД

На правах рукописи

Кривов Сергеи Владимирович

ЛИНЕЙЧАТОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ В ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СПЕКТРАХ КОСМИЧЕСКИХ ГАММА-ВСПЛЕСКОВ ПО ДАННЫМ СПЕКТРОМЕТРА "КСЕНИЯ"

01.04.16 - физика ядра и элементарных частиц

Автор:

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

У

Москва - 1994 г.

Работа выполнена в Московском инженерно-физическом институте (техническом университете).

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Гальпер АЛ.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

Митрофанов И.Г. кандидат физико-математических наук, Ободовский И.М.

Ведущая организация: ШШЯФ МГУ

Защита состоится 23 мая 1994 г. в 17 час. 30 мин. на заседании социализированного совета К053.03.05 при Московском инженерно* Физическом институте по адресу: 115409, Каширское шоссе, д. 31, тел. 323-91-67.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИФИ.

Прсснм принять участие 8 работе совета или прислать отзыв в одксм экземпляре, заверенный печатью организации.

Автореферат разослан "£2." апреля 1994 г.

А-НХудкоз

Учсиил секретарь ср.£ц.излкэ!йроБаиного совета

Общая характеристика работы

Актуальность работы. Исследование гамма-всплесков является одной из интереснейших задач современной астрофизики. Во многих 'научных работах (более 600), как отечественных, так и зарубежных, рассматриваются экспериментальные и теоретические аспекты проблемы.

За более чем 20 лет исследований (1970-1994 гг.) общее число зарегистрированных гамма-всплесков превысило 1500. Положение источников некоторых из этих всплесков известно с точностью в несколько десятков угловых секунд. Несмотря на это природа гамма-всплесков до сих пор остается совершенно неясной. Недостаточная определенность экспериментальной ситуации не позволяет л.);:;,-сделать уверенный выбор между галактическими ¡1 метагалактаческими моделями. Дня надежного отождествления источников гамма-всплесков с определенными астрофизическими объектами и определения механизма генерации излучения ь:.;скважное значение, получение новых экспериментальных длит:;; по спектрометрии излучения гамма-всплесков, увеличение стат;:е-;:;\;: распределений гамма-всплесков по интенсивности л галактическим координатам, изучение особенностей временной структуры всплесков.

Цель работы. Настоящая работа поевящена исследованию спектров всплескового космического гамма-излучения па борту орбитального комплекса "Мир". Исследование проводилось с помощью гамма-спектрометра нового типа "Ксения", на основе ионизационной камеры иа окатом ксеноне, имеющем высокое энергетическое разрешение • ~3%. Конкретной целью работы являлось создание спектрометра "Ксения", проведение эксперимента на борту орбитального комплекса "Мир", обработка экспериментальных данных на предмет поиска спектральных особенностей в энергетических спектрах зарегистрированных у-всплесков.

Новизна работы:

-впервые в спектре у-всплеска одновременно зарегистрирована лишш 845 и 1240 кэВ, интерпретируемые как линии п:луче;;:1я возбужденного ядра Ре56;

з

- зарегистрирована у-линия с энергией 464 кэВ, подтверждающая суийстЁоаанае линий в области энергий 430-470 кэВ в спектрах излучений всплесков;

- оперные в практике экспериментальных исследований гамма-п.-иучс-лшя, в том числе и на космических аппаратах, использован Нч/.иш тип спектрометра на основе ионизационной камеры на сжатом ксеноне, обладающий относительно высоким энергетическим разрешенном, стабильностью работы в условиях повышенного радиационного фона;

• с помощь» спектрометра еысокого разрешения измерено фоновое гамма-излучение на борту орбитального комплекса "Мир";

- создана универсальная система полной физической обработки информации эксперимента по регистрации и анализу гамма-всплесков, ]:етр:д:::и;оппой частно которой яслястся обработка спектральных дг.:нь\ч детектора высокого разрешения на сжатом ксеноне.

Мг.уч::ая л практическая ценность работы.

Регистрация линии в спектрах гамма-всплесков (лишш 845± 10 к:* В и 1240*10 к о В, интерпретируемые как излучение возбужденных ядер железа, и линия 464±8 кэВ, интерпретируемая как смещенная анннгнл'лщюнная лиття) является важным экспериментальным результатом, способствующим выяснению природы этого фундаментального астрофизического явления. Особенную ценность этот результат представляет сегодня, когда наличие особенностей в энергетических спектрах всплесков поставлено под сомнение.

Разработан и создан новый тип спектрометра на сжатом ксеноне, обладающий высоким энергетическим разрешением. Более чем двухлетняя эксплуатация спектрометра на борту орбитального комплекса Мир" показала высокую надежность и стабильность работы спектрометра. Деградации свойств спектрометра не обнаружено.

Область возможного применения спектрометра, помимо астрофизических исследований, . может включать радиационный . мониторинг окружающей среды, геологическую разведку, ыедкшшу и пр.

Разработано программное обеспечение обработки спектров мягкого гамма-излучения, поиска и анализа гамма-линий. Программное обеспечение имеет достаточно универсальный характер и может быть использовано при других применениях ксенонового спектрометра.

Автор защищает:

1. Обнаружение в космическом гамма-всплеске 20.12.90 (3:05,55 UT) двух узких гамма-линий с энергиями 845+10 и 1240x10 к'эВ. предположительно испускаемых возбужденными ядрами железа межзвездной среды.

2. Обнаружение в космическом гамма-всплеске 7.09.91 (16:43,57 UT) гамма-линии с энергией 464+8 кэВ, (предположительно анннгиляцно'нной линии, имеющей красное смещение).

3. Измерения фоновых условий и фоновой у-.пинии oil кэВ ня борту OK "Мир".

• 4. Систему первичной и полной физической обработки информации- эксперимента. Создание банка данных эксперимент:) н программного обеспечения. полного цикла обработки экспериментальных данных, включающего поиск и анализ линии в энергетических спектрах.

5. Стенд настройки и калибровки, позволивший автоматизировать процесс настройки и тестирования космофнзнческоп аппаратуры.

6. Выбор вида амортизирующих элементов подвески спектрометра "Ксения", позволивший подавить вибропомехи.

7. Блок "контрольный генератор" спектрометра "Ксения", обладающий высокой стабильностью амплитуды выходных импульсов (<0.1%).

Апробация работы. Основные материалы диссертации докладывались на XXI Международной- конференции по космическим лучам (Аделаида, 1990), ХХШ Международной конф?рекц:ш по космическим лучам (Калгари, 1993), Международной конференции пэ жидкостным-детекторам (Токио,. 1992), конференциях "Приборы для ультрафиолетовой, рентгеновской и гамма астрономии" в рам;:з:; симпозиумов общества The International Society for Optic?! Engineering (Сан-Диего, 1992, 1993), Всесоюзном семинаре по гамма-астрономии (Звенигород, 1991), 1-ой Всесоюзной конференции по радиационной стойкости элементов РЭА в условиях КП (Томск, !99i), Всесоюзной конференции "Приборы для экологии - 92" (Ужгород, 1992), XXXII научной конференции МИФИ (Москва. 19S7).

Публикации. Основное содержание диссертации отражало л D печатных работах и 3 отчетах по НИР.

5

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Объем диссертации - ш. страниц, включая 50 рисунков. Список литературы содержит 126 наименований.

Содержание работы

Во введении к диссертации рассматривается важность и практическая ценность работы, обосновываются актуальность исследования и научная новизна, указываются цели исследования и формулируются основные положения, выносимые автором на защиту.

Первая глава диссертации посвящена истории изучения космических гамма-всплесков и основным экспериментальным данным, полученным до настоящего времени. -

ПерЕое свидетельство о существовании кратковременных (порядка 1 с) повышении потоков гамма-квантов с энергией Е ~ 300 кэВ было получено еще в 1965 году на системе спутников "Вела-ЗА.ЗВ", предназначенной для контроля за ядерными взрывами в космосе. После опубликования этих результатов началось изучение нового явления с помощью большого количества специализированных приборов. Данные "Вела" были подтверждены. Всплески были зарегистрированы на спутниках "Вела-5А,-5В,-6А,-6В", "IMP-6,-7", "OSO-6,-7,-8", "OGO-3,-5", "SAS-Г', "Космос-461", "Apollon-16", "1972076В", "Solrad-ll.-HB", "Helios-2", "Прогноз-6,-7", lSEE-3, "Pioneer Venus Orbiter" (PVO), "Венера-11,-12,-13,-14" а также на других космических аппаратах и высотных аэростатах.

Экспериментальные данные в области гамма-всплесков до 1990 года были получены в основном пятью экспериментальными группами ЛФТИ им. А.Ф.Иоффе АН СССР, ИКИ АН СССР, Центра изучения космических лучей в г. Тулуза (Франция), HACA и Лос-Аламоской лаборатории (США).

5.04.91 года NASA был выведен на орбиту специализированный спутник Ccmptoil Gamma Ray Observatory (GRO), имеющий в своем составе комплекс научной аппаратуры, регистрирующий всплесковог гамма-излучение в диапазоне энергий 20 кэВ * 30 МэВ. До настоящего

времени это самая мощная аппаратура, с помощью которой зарегистрировано уже более 1000 всплесков.

После открытия гамма-всплесков перед исследователями' встали следующие вопросы: где расположены источники гамма-всплесков, с каким классом астрономических объектов эти источники отождествляются и каков механизм генерации гамма-излучения всплесков. Приходится признать что однозначного ответа ни на один из этих вопросов пока не получено.

Обобщая полученные. до сегодняшнего дня экспериментальные данные можно сформулировать требования, предъявляемые к моделям источников гамма-всплесков:

1. огромное энерговыделение в области энергии гаммл-излученш

0.02 - 10.0 МэВ: W > 1033-с[2 (эрг), где \У - полное энергозыделение а 6 - расстояние до источника в парсеках;

2. огромная мощность (основная доля энергии выделяется за время менее 10 с);

3. очень слабое свечение источника гамма-всплесков во всех диапазонах энергий в спокойном состоянии;

4. исключительно малый размер источника 1<75 км, следующий из наблюдаемого масштаба времени нарастания фронта импульса <0.25 мс;

5. способность объекта за время своего существования быть источником нескольких всплесковых событий;

6. наличие периодичносгей с характерными временами 1 -г 8 с.

Несмотря на значительный объем экспериментальных данных, ряд

принципиально важных вопросов остается не выясненным. К ним относятся в первую очередь пространственное распределение источников гамма-всплесков и наличие линий в энергетических спектрах, в частности у-лнний с энергиями 400 - 500 кэВ и 740 - с00 кэВ.

Особенно важной и актуальной в свете противоречивой экспериментальной ситуации, сложившейся между данными обсерватории бИО и данными предшествующих наблюдений, чвллпея спектрометрия излучения гамма-всплесков с энергсгнчеслем разрешением лучше нескольких процентов, поиск пымо-липий. Именно обнаружение гамма-линий в спектрах ссплескои дсл:-,»;о

внести ясность в вопрос о механизмах генерации излучения источниками всплесков и о природе самих источников.

Ео сторон главе диссертации дается краткое описание. аппаратуры "Букет", предназначенной для изучения космических гальма-всплесков. ' .

Аппаратура "Букет" 'включает в .себя . 5 сцинтнлляционных детекторов для выделения всплеска гамма-излучения и определения ¡¡.-правления на его источник (НВ1-НВ5) и. сциктилляционного детектора спектрального анализа излучения всплеска (СВ).,

В данной работе сцинтилдяционные детекторы использовались в основном для выделения гамма-всплесков. . '

В состаз аппаратуры "Букет" также входит гамма-спектрометр нового типа ''Ксения" - на основе ионизационной камеры на сжатом ксеноне. Спектрометр "Ксения" имеет разрешение ~3 % при энергии гамма-квантов 1 МэВ и предназначен для спектрометрии гамма-излучения всплеска. Общин вид спектрометра "Ксения" показан на рис. 1. Детектирующим элементом спектрометра является ионизационная камера на сжатом ксеноне. Для защиты от излучения идущего с боковых направлений и снизу детектор помещен в свинцовый стакан толщиной 15 мм. В результате чего апертура спектрометра составляет -240°. Кроме этого детектор со всех сторон окружен защитой из пластического ецннтиллятора, включенной на аитисовпадение с сигналом детектора.

Детектор представляет собой плоскую ионизационную камеру наполненную сжатым ксеноном до плотности ~0.6 т/см^ , что соответствует при нормальных условиях давлению 60 атмосфер. Для улучшения временных характеристик детектора в ксенон добавлено -0.5 % Еодорода.

. Для контроля коэффициента усиления спектрометрического тракта, контроля шумов электроники и мертвого вр'еменн прибор "Ксения" содержит блок контрольный генератор. Его задачей является выработка г/тлленних импульсов амплитудами ~ 10 и 20 мВ с частотой 100 Гц. Импульсы через разделительную емкость- подаются непосредственно на ... сигнальный электрод . детектора. Температурная стабильность амплитуд импульсов.генератора не хуже

0.1% в диапазоне температур 15+50 °С. Долговременная стабильность амплитуд импульсов (за 2.5 года) также не хуже 0.1%.

Прием сигналов, поступающих из детектирующих блоков, их обработка и передача в систему телеметрии осуществляется блоком электроники (БЭ) аппаратуры "Букет". Микропроцессор БЭ производит обработку информации по программе, зашитой б ПЗУ. Продолжительность и последовательность всех измерении, задаются таймером бортовой системы времени с периодом 4 мс. Если в течении нескольких секунд процессор не обрабатывает мегки аппаратно производится перезапуск программы. Режим работы

программы задается матрицей релейных переключателей, управление которой осуществляется из Центра управления полетом с помощью команд радио-релейной линии.

Аппаратура работает в двух режимах: дежурном и всплесковом. Во Еремя дежурных измерений (при отсутствии всплесков) длительность одного цикла измерений составляет 81.96 сек. По истечении Бремени измерения формируется выходной файл со сжатием набранной информации и ззписью в предусмотренные для этого области ОЗУ.

Переход к регистрации всплеска наступает в момент резкого возрастания интенсивности гамма-излучения. В этот момент программно на основании анализа темпов счета детекторов НВ в энергетическом окне 5(Ы50 кэВ вырабатывается маркер "всплеск". Д"л перехода ео всплесковый режим достаточно возрастания, интенсивности только в одном детекторе.

Маркер "всплеск" прерывает дежурное измерении и переводит микропроцессор на работ)' по всплесковой программе. Есплесковая программа заключается в более, детальных, по сравнению с дежурными, измерениях во всех информационных каналах аппаратуры. Всплесковая программа имеет длительность 89.488 с, при этом формируется и выводится в систему телеметрии 9 файлов за 9 фиксированных интервалов времени (фаз). Длительность фаз и времени измерений спектров прибором "Ксения" показана в табл. 1.

Таблица 1. Длительность измерений спектров прибором Ксения" в

Режим работы, длительность, сек Времк измерения спектров прибором "Ксения", сек

дежурный режим, 81.92 81.92

1 фаз?., 0.640 0.640

2 фаза, 1.024 1.024

3 фаза, 2.048 2.048 ■

4 фаза, 4.036 : '■4.096

о фаза; 4.096, 16.384 за

6 фаза, 12.288 . 5 и 6 Фазы

7 фаза, 16.284, . 8 фаза, 16.384, : 65.536 га 7,8 и 9

: Разбиение всплеска на фазы является условным и служит лишь для удобства работы с потоком информации и уменьшения потерь при сбоях. После отработки всплесковой программы аппаратура переходит к ожиданию нового всплеска. В процессе ожидания информационные файлы, накопленные в период всплеска, выводятся в систему телеметрии. Дежурные измерения ведутся как обычно.-

В третьей гласе описана методика калибровки спектрометра "Ксения". Дано описание специально разработанного стенда.

Испытания и калибровка научной аппаратуры состояла из нескольких этапов:

.1. автономная калибровка детектирующих блоков,

2. автономные испытания и калибровка аппаратуры в сборе ?, лабораторных условиях, "

3. автономные испытания в составе орбитального модуля "Кристалл" на технологическом комплексе космодрома "Баикон\'о'' (ТК),

4. комплексные испытания в составе орбитального модуля нм ТЖ.

Для калибровки спектрометра "Ксения" в МИФИ был разработан

специальный стенд настройки и калибровки (СНК) на базе управляющего вычислительного комплекса УВК "Мера-60". СЯК предназначен для настройки, испытаний и калибровки гамма-спектрометра "Ксения", он обеспечивает следующие возможности:

1) питание прибора от стабилизированного источника;

2) управление прибором с помощью подачи команд;

3) измерение спектров ксенонового детектора в двух энергетических диапазонах одновременно с аппаратным выделением импульсов контрольного генератора;

4) контроль темпов счета сцинтилляционной защиты детектора;

5) автоматический контроль . напряжений и температур в контрольных точках прибора;

6) интерактивная обработка спектров;

7) хранение и сортирозка файлов со спектрами и результатами их обработки па НГМД и НМЛ;

8) интерактивная обработка результатов калибровки с выводом калибровочных зависимостей в виде графиков и таблиц.

СНК включает в себя следующее оборудование:

- управляющий вычислительный комплекс "МЕРА-60";

- накспители на магнитной ленте;

• крейты "Вектор" и КАМАК с набором серийных блоков;

-специально разработанные блоки КАМАК. - блок связи с прибором, блок подачи команд, блок контроля 'аналоговой и температурной телеметрии; л

- блок питания прибора;

- цветной графический дисплей.

Программное обеспечение 'СНК представляет собой набор программ УВК, разработанных для "МЕРА-60", и позволяющих реализовать аппаратные боьможности стенда-. ..'■."'

На стенде проводились исследования характеристик детекторов на сжатом ксеноне: выбор оптимальной конструкции, состава газовой смеси, напряжения питания, времени формировки усилителя и пр.

В процессе калибровке были получены калибровочные предполетные зависимости детектора на сжатом ксеноне, спектрометра. "Ксения" в автономном режиме, спектрометра "Ксения." в составе аппаратуры "Вукет". На рис. 2 показан спектр калибровочного источника Сэ , измеренный прибором "Ксения" (энергетическое разрешение 3.8% при энергии 662 кэВ).

ь-

«

ь6000н Ч

14500 -3000-Í500 -

иезш-737

Рис 2. Спектр калибровочного нс-

г* 1 \7

точника Сз' , измеренный ' прибором "Ксения".

■Lrn»Tp'rn 1|ЩП|11 » «i frrrrrf* in ц t г| iu< т

• . 40 СО 80 100-120 140 160 1SO 200 V .; ;/'_.;. \

Г ' ^ btorícp пенала ■

На этом же стенде 'проводилась обработка результатов испытаний аппаратуры. "Букет", на. ТК. Комплексные .'испытания;; ня:;..ТК_

проводились с* использованием штатной телеметрической системы спутника. Информация сбрасывалась на широкую магнитную ленту, а ' затем переписывалась в стандарт ЕС ЭВМ и обрабатывалась на СНК.

Комплексные испытания включали в себя как дежурные измерения, когда гамма-источник Сэ137 постоянно располагался поблизости одного из детекторов или вообще отсутствовал, так и всплески. Имитация Есплеска осуществлялась быстрым приближением источника х проверямому детектору.

Четвертая глава посвящена проведению эксперимента "Букет" на борту ОК "Мир" в период с 16.07.90 по 31.12.92.

Модуль "Кристалл" выведен на орбиту 31.05.90 и пристыкован к станции "Мир" 7.06.90. Первое включение аппаратуры произведено 16.07.90, измерения продолжаются по настоящее время. •

Первый месяц эксплуатации аппаратуры был посвящен выбору оптимального режима измерений. Выбор порога устройства выделения всплеска основывался на частоте ложных срабатываний аппаратуры.

В первых сеансах' было обнаружено снижение энергетического разрешения спектрометра "Ксения" по сравнению с предполетным состоянием, что было связано с влиянием вибраций корпуса орбитальной станции к акустических шумов. После установки спектрометра на специально разработанные и доставленные на борт амортизаторы энергетическое разрешение для энергии гамма-излучения 1 МэВ составляло 3.0т5.6 % в зависимости от текуших вибропомех.

Кялибровка спектрометрического тракта прибора "Ксения" по пикам контрольного генератора за первый год эксплуатации показала что дрейф положения пиков составляет не более 0.2%. Изменения свойств спектрометра не обнаружено.

Коэффициенты усиления . сдинтнлляциунных детекторов, испытывающие дрейф по времени, подвергались коррекции с помощью команд радио-релейной линии. .

В пятой главе описана 'система обработки информации эксперимента по изучению спектров гамма-всплесков, которая состоит из 2 этапов: 1) первичной обработки данных и их накопления, 2) физической обработки накопленной информации.

В процессе первичной обработки проводилась выборка информации нз общего, телеметрического потока, фильтрация сбоев, разделение данных на отдельные дежурные и всплесковые измерения, экспресс-контроль состояния аппаратуры, сбор-исходных данных для расчета орбиты и ориентации, архивация информации.

Физическая- обработка информации эксперимента.. "Букет"1 проводилась в рамках специально разработанной базы данных. Система управления базой данных (СУБД) работает в диалоговом " режиме, она позволяет: - . : , •

- преобразовывать входную информация в . формат банка данных с. расчетом баллистических и. навигационных параметров,

- осуществлять быстрый поиск информации в банке, "

- просматривать информацию в виде .таблиц и графиков на экране компьтера, .

- проводить выбор из всей информации данных, удовлетворяющих заданным ограничениям на область, направление, время измерения, ориентацию и прочее,

- восстанавливать спектры спектрометра "Ксения": переходить от зависимости "число отсчетов. - канал" к зависимости "поток гамма-излучения - энергия", .'■■'■

- анализировать полученные данные на предмет их корреляции с солнечными вспышками, Кр-шдексом. состояния магнитосферы Земли, землетрясениями,

- осуществлять сложение и вычитание спектров, устранение дифференциальной нелинейности, аппроксимацию участка спектра модельной функцией и ряд других операций.

В соответствии с задачей эксперимента особое место в системе обработки занимает задача' восстановления энергетических спектров прибора. "Ксения". По характеристикам функции отклика детектор на сжатом ксеноне уступает полупроводниковым детекторам, а по сравнению с сцинтилляторами Nal выигрывает в 2-г-З раза по разрешению, ко во столько. же раз проигрывает по отношению пик/комнтон, см. рис. 2. В связи с этим методы обработки спектров с детектора на сжатом ксеноне не являются повторением методов разработанных для полупроводниковых и сцнитилляцнонных-детекторов, а несут в себе специфические особенности. Из нескольких опробованных алгоритмов наилучшие характеристики показал

и

итерационный метод с регуляризацией. Оптимизация алгоритма позволила получить метод восстановления с быстрым (2+3 минуты на IBM. PC-386DX-40) и надежным схождением к наилучшему решению. .Требуемая оперативная память около 100 Кбайт. Поиск линий в восстановленном гамма-спектре осуществляется автоматически методом анализа второй производной. Разработаны и внедрены также алгоритмы модельного восстановления спектров.

Шестая глава диссертации посвящена поиску линий в спектрах излучении космических гамма-всплесков с помощью спектрометра "Ксения". '

Фоновый спектр гамма-излучения, измеренный на борту орбитального комплекса "Мир" в дежурных режимах с помощью спектрометра "Ксения", на порядок превышает межпланетный уровень и. я несколько раз превышает спектр гамма-излучения, измеренный на высотных аэростатах. Высокий уровень фона определяется, по" видимому, несколькими факторами: 1) большой массой конструкций орбитального комплекса, попадающих в апертуру спектрометра и создающих рассеянное гамма-излучение, 2) наличием на борту искусственного радиоактивного источника, создающего в месте установки спектрометра "Ксения" поток интенсивностью -15 фотонов/см-сек в интервале энергий 170-1-260 кэВ, 3) наличием свинцовой зашиты детектора, которая хотя и приводит к уменьшению потоков 'заряженных частиц с боковых направлений, но для энергий ниже 800 кэВ увеличивает потек ¡.ассеянного гамма-излучения. Тем не менее фоновый уровень гамма-излучения на порддок меньше интенсивности зарегистрированных ранее мощных гамма-всплесков,-что позволяет проводить изучение .их характеристик.

Регистрация спектрометром "Ксения" фоновой (регистрируемой в дежурных измерениях) аннигаляционной гамма-лишш шириной 25-30 кэВ, см. рис. 3, показывает хорошее энергетическое разрешение прибора. Зависимость интенсивности аниигняяцнонной линии от жесткости геомагнитного обрезания знэпешчна зависимости интенсивности потоков первичных протонов н ot-частнц, что свидетельствует в пользу того что регистрируемая линия порождается

в результате взаимодействия потоков заряженных частиц с веществом

Энергия, кэЗ

Рис. 3. Спектр фонового гамма-излучения, измеренный спектрометром "Ксения" на борту ОК "Мир".

За 2.5 года наблюдений, чистое время измерений составило ~800 часов. Из-за повышенного гамма-фона • на больших, широтах наблюдение всплесков осуществлялось лишь в диапазоне широт ±40°. Аппаратурой было зарегистрировано ~5300 всплесковых срабатываний, анализ которых на наличие статистически значимого ( £ 6а ) увеличения счета гамма-квантов в двух или более сиинтилляционных детекторах НВ сократил исследуемое число всплесковых срабатываний до 20. Детальный анализ последних на наличие спектральных особенностей позволил обнаружить 2 всплеска, в спектрах которых с достоверностью >99% присутствуют линии гамма-излучения. •

Первым из них является всплеск, зарегистрированный 20.12.90 в 3:05,55 по всемирному времени (ЬТТ). В этот момент орбитальный комплекс находился в точке с координатами 173" восточной долготы

16° южной широты. Ось аппаратуры была направлена вверх, под углом 17° к направлению в зенит. Солнце освещало орбитальный комплекс и находилось в 34° от направления наблюдения. Вспышек на Солнце не было, .магнитная обстановка спокойная.

Увеличение темпа счета в первую секунду просматривается во всех счетных каналах детекторов НВ. Превышение темпа счета по сравнению с предыдущим дежурным измерением составило от 2 до 5 раз для разных детекторов. Однако большое число сбоев телеметрии делает первую фазу мало полезной для анализа. На спектре, измеренном за вторую фазу всплеска (рис. 4) видны особенности при энергиях 845 и 1240 кэВ.

500 600 ■ 700 • 600 900 Ж N00 1200 1300 1400

Зчерпа кзЗ .

Рис. 4! Спектр гамма-излучения, зарегистрированный во второй фазе всплеска 20.12.90. Штриховая линия - наилучший результат модельного восстановления спектра.

Детальный анализ спектра спектрометра "Ксения" во второй фазе показывает хорошее согласие - аппаратурного спектра с предположением о регистрации двух узких гамма-линий с энергиями

■■•■'.. : ""■ 17 Л

845 и 1240 кэВ на фоне континуума. Обе линии имеют соответствующие функциям отклика комптоновские плато.

Модельная математическая обработка спектра по сценарию "степенной фон . + две гамма-линии" дает характеристики зарегистрированных линий,' представленные в.таблице 2.

Таблица 2. Характеристики зарегистрированных гамма-линии.

! Параметр линии . 845 кэВ 1240 кэВ 1

\ Положение, кэВ 845±10 1240±10 !

{ Ширина на полувысоге, кэВ < 15 < 15 |

I Интенсивность, квзнт/см^'с. 10.4*2.7 6.3±2.4 |

Интенсивность, эрг/см^'с (1.4±0.4М0* (1.2±0.5)-10'5 |

Ц Вероятность случайного возникновения ю-5 10'3 |

В следующих фазах всмеска (более 1.7 с от начала) темп счета гамма-излучения выходит на фоновый уровень.

Энергия и относительная интенсивность линии 845 и 1240 кэВ, зарегистрированных во всплеске 20.12.90, позволяет предположить что они излучаются ядрами железа, находящимися в составе межзвездного газа или пыли, после воздействия на них короткого (< 2 сек) импульса космических лучен (например протонов) от какого-то ' близлежащего источника. Верхний • предел -* на. • ширину зарегистрированных линий ограничивает максимальную скорость ядер железа величиной 0.02 скорости света.

Второй всплеск зарегистрирован 7.09.91 года в 16:43,57 1!Т. Орбитальный комплекс находился в точке с координатами 169° западной долготы, 20° южной широты. Ось аппаратуры была направлена горизонтально и составляла угол 39° с направлением на Солнце. Вспышек на Солнце не было, магнитная обстановка спокойная.

На временных развертках темпов счета , сцннтилляционных детекторов НВ1-НВЗ видно увеличение интенсивности гамма-излучения в несколько раз в первые 0.64 сек в начале ссллесковогс режима (б первом временном интерзале). На спектре, измеренном с помощью ксеаонозой ионизационной камеры за 0.64 сек в этом

13

интервале, (рис. 5), отчетливо наблюдается линия излучения при энергии около 460 кэВ, которая исчезает уже в следующем спектре.

1Q -L' ч 1111 ч 111 и 111 ч I. I ч I f I ■ 111 ■ ■. I. |,, |,,., |.,., I. .,. | и .,

200 300 400 500 .600 700 £00

Энергия к&З

Рнс. 5. Энергетический спектр первой фазы всплеска 7.09.91. Штриховая лии;эя -'наилучший результат модельного восстановления

спектра.

Энергетический спектр был обработан исходя из модель суммы стеленного спектра и гамма-линии с положением между 400 и 500 кэВ. Результаты обработки приведены в таблице 3.

Параметр линии' лнния 464 кэВ

Положение, кэВ m±s

Ширина на полувысоте, кэВ <20

Интеисизиость, квант/см2'с 6.7±1.8

Интенсивность, эрг/см^'с

Вероятность случайного возникновения 2-Ю"3

Всплески, имеющие гамма-линии с, энергиями в диапазоне 400 + 470 к?В, составляли около' 8% от всех всплесков, за регистрированных в эксперименте "Конус":Их появление объясняется красным смещением аннншляционной линии в гравитационном поле нейтронной звезды. Точное измерение положения и ширины , гамма-линии, . полученное . в данном эксперименте позволяет вычислить красное смещение гравитационного поля источника, которое составляет 0.090 ± 0.016, что согласуется с гипотезой о том, что источником гамма-всплеска является нейтронная звезда.

Основные результаты:

Основные результаты диссертационной работы приведены в заключении. Они состоят в следующем:

1. 20.12.90 в 3:05,55 UT аппаратурой "Букет" зарегистрирован короткий гамма-всплеск длительностью ~2 сек в спектре которого присутствуют две линии гамма-излучения с энергиями 845±10 и 1240±10 кэВ. Их интенсивность 10.4±2.7 и 6.3±2.4 квантов/см'-сек, а вероятность случайного возникновения 10° и Ю-3 соответственно. Собственная ширина линий ' не более 15, кэВ. Линии, предположительно, интерпретируются как испущенные ядрами железа межзБездной среды, возбужденными коротким импульсом космических лучей от какого-либо'близлежащего источника. Регистрация линий стала возможной благодаря высокому энергетическому разрешению ксенонового спектрометра,, впервые использованного для изучения космического гамма-излучения.

2.7.09.91 в 16:43,57 UT зарегистрирован всплеск длительностью ~ 0.6. сек в спектре которого присутствует линия гамма-излучения с энергией 464±8 кэВ. Интенсивность в лпшш составила 6J±1.S кванта/см2-сек, вероятность случайного, возникновения 2-Ю"3. Ее естественная ширива не более 20 кэВ. Происхождение предположительно объясняется красным смещением аннигиляционной линии в гравитационном поле нейтронной звезды.

3. Изучена природа и поведение измеряемой с фоновых потоках' гамма-излучения аннигаляциониой линии 511- кэВ. Происхождение

линии связано с взаимодействием первичных потоков заряженных частиц с веществом орбитального комплекса и атмосферой.

4. Проведены измерения фоновых условий регистрации гамма-излучения на борту О К "Мир". Измерен вклад в фоновый лоток компоненты искусственного происхождения.

5.. Разработана методика и программное обеспечение первичной обработки данных эксперимента: выборка аналоговой и цифровой телеметрии из общего потока информации ЦУПа, фильтрация, восстановление сбоев, экспресс-контроль поступающей информации.

6. Разработана система полной обработки данных эксперимента, позволяющая проводить всю физическую обработку вплоть до графического представления окончательных результатов в 'рамках единой универсальной базы данных, работающей в диалоговом режиме. В'качестве одной из наиболее сажных состазных частей в нее входит набор программ для обработки и восстановления гамма-спектров ионизационного спектрометра "Ксения".

7. Создан банк данных эксперимента, включающий помимо телеметрической информации, поступающей с орбиты, данные по трассе и ориентации ОК, данные по оптическим солнечным вспышкам, информацию по магнитной обстановке и землетрясениям.

8: Разработана аппаратная часть и программное обеспечение стенда настройки и калнброькн космофизпчегкой аппаратуры. С его помощью проводились исследования свойств детектора на сжатом ксеноне, проводилась калибровка спектрометра "Ксения".

9. Проведены методические исследования способов зашиты от вибро-акустических помех, ухудшающих энергетическое разрешение спектрометра "Ксения". За счет специально разработанных амортизаторов влияние вибрации снижено в несколько раз. Реальное разрешение составило 3.0-5-5.6 % при энергии I МэВ в зависимости от текущих'вибропомех. . •

10. Разработан блок "контрольный генератор" спектрометра "Ксения", обладающий высокой стабильностью и позволяющий проводить постоянную калибровку в течение полета без применения радиоактивных источников. -

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах: ' ■

1. СААверин, А.Е.Болотнш;ов, В.М.Грачев, В.В.Дмитренко, О.И.Кондакова, С.В.КрнвоЕ, В.Е.Михисбпч, А.С.Романюк, С.И.Сучков, З.МУтешев, С.Е.Улин, 'А.И.Фесенко, КФ.Власнк, В.Н.Ващенко, . Е.В.Балакшнн, В.ИЛягушин, . Г.А.Шматов, Лабораторно отработочный образец аппаратуры для исследования нестационарного гамма-излучения - Отчет МИФИ (депонированный в ВНТИЦ), I9S6, №0287.0017578.

2. А.Е.Болотншсов, К.Ф.Власик, В.МХрачев, В.В.Дмитренко, • О.Н.Кондакова, С.В.Кривов, В.Е.Михневич, С.И.Сучков, К.Г.Тарабрин, С.Е.Улин, З.М.Утешев, А.И.Фесенко, .Е.В.Балакшнн, • В.В.Дремин, В.ИЛягушин, Г.А.ИЬатов, Основные технические характеристики научной аппаратуры "Букет" - Отчет МИФИ (депонированный в ВНТИЦ). 1987, №0288.0060754.

3. С.В.Кривов, З.М.Утешев, Ю.Т.Юркин, Стенд настройки и калибровки гамма-спектрометра "Ксения" -Препринт МИФИ №01991, Москва, 1991.

4. S.A.Averin,- A.E.Bolotnikov, K.F.Vlasik, A.M.Galper, V.M.Gratchev, V.V.Dmitrenko, O.N.Kondakova, S.V.Krivov, V.I.Lyagushin, A.S.Romanyuk, S.I.Sutchkov, K.G.Tarabrin, S.E.Ulin, Z.M.Uteshev,

A.l.Fesenko, G.A.Shmatov, Yu.T.Yurkin, The high density xenon filled spectrometer for cosmic gamma-ray line cbserjation,.- XXI ICRC,v.4, p. 150-153, 1990. • • •

5. А.Е.Болотников, К.Ф.Власик, В.М.Грачев, В.В.Дмитренко. О.Н.Кондакова, С.В.Кривов, С.И.Сучков, С.Е.Улин, З.М.Утешев, Ю.Т.Юркин, ААКолчин, В.В.Лебедев, А.И.Репин, Г.П.Скребцов, Аппаратура "Букет." для' исследования нестационарного космического гамма-излучения - .Препринт МИФИ №020-91, Москва. 1991.

6. А.Е.Болотников, К.Ф.Власик,.. А.М.Гальпер,, В.М.Грачев,

B.В.Дмитренко, О.Н.Кондакова, С.В.Кривов, С.И.Сучков, С.Е.Улин, . З.М.Утешев, Ю.Т.Юркин, А.А.Колчнн, В.ВЛебедев, А.И.Репнн, Г.П.Скреоцов, В.И.Лягушин, Г.А.Шматов, Исследование потоков гамма- излучения в диапазоне 50 . кэВ - S МэВ на борту орбитального комплекса "Мир" - Тезисы 1-ой Всесоюзной научно-технической конференции "Радиационная стойкость бортовой

22

аппаратуры и элементов космических' аппаратов", 25-27 нюня 1991 г., Томск.

7. A.E.Bolotnikov, I.V.Chernisfceva, V.V.Dmilrenko, A.M.Ga!per, V.M.Gratchev, S.V.Krivov. O.N.Kondakova, V.LLyagushin, G.A.Shmatov, S.I.Suichkov, S.EUlin, Z.M.Uteshev, KJA'bsik/Yu.T.Yurkin. 77« high pressure xenon detector for gamma-ray astronomy on board of ike orbital station "Mir" - Intern, conf. of liquid radialion detcctors, Tokio, 710 Aprile, 1992, p.462-465. .

8. Yu.T.Yurkin, A.E.Bolotnikov, LV.Chernisheva, V.V.Dmiircuko, A.M.Galper, V.M.Gratchev, O.N.Kondakova, S.V.Krivov, V.LLyagushin, G-A.Shmatov, S.I.Suichkov, . S.E.UILi, ZJi-Uicshev, ' K.F.Vi-ik, Measurement of gamma-ray lines mill high ' pressure xcxqii spectrometer on board of the orbital station "Mir" - Proceedings SPIE, v. 2006, p.108-111, 1993.

' 9. A.E.BoIotnikav, I.V.Chemisheva, V.V.Dmitrenkc, A.M.Ga!por, V.M.Gratchev, O.N.Kondakova, S.V.Krivov, V-LLyagudiin, G.A.Shm-tov, S.I.Sutchkov, S.E.Ulin, Z.M.Uteshev, K.F.Vb;:!r, Yu.T.Ytirfdn, Observations of gamma-ray lines isith high pressure xsnov. spectrometer on board of the orbital station "Mir" in the gamma-ray burst 20 Dec 1990 - ХХШ-rd ICRC, Calgary, Cancds, 19-30 Jf!y, 1993, v.i, p.109-111.