Разработка и создание комптоновского поляриметра для измерения линейной поляризации космического рентгеновского излучения с энергией от 50 кэв до 250 кэв тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.16 ВАК РФ

г i и им.

- 5 ДПР 1993

САНКТ-ПЕТЕРБУТГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

хкшо йя.гпиглзп Пвкоптьрип

РАЗРАБОТКА И.СОЗДАНИЕ КСМЩОНОВСКОГО ПОЛЯРИМЕТРА

для измкрншя л-шенгой. политизации

КОСМИЧЕСКОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ЭНЕРГИЕЙ ОТ 50 КЗ ДО 250 кзи

( специальность ОГ.0-4.10. - £игтм атсггтпго ялра и

э-глмпнтиршнг чпстпц )

Автореферат дясспртзцга! ит сокскзтт угон ой cremmî канлилтга фиаяко-матомптачоскпх тук

C;n:r.T-n¡'-Tep'j.Vpr IРОЗ г.

Работа выполнена в Физико-техническом Института им. А.Ф.Иоффе

Российской Академии Наук в лаборатории Ядерной Физики и

Иосмичэского Излучения.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Л Дьргачев Валентин Андреевич.

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук Гнедин Юрий Николаевич, кандидат физико-математических наук Васильев Сергей Константинович.

Ведущая организация: Физический гаститут им. П.Н.Лебедева РАН.

Защита состоится у?<я__гэоз ¡\ в ■/£[_ часов ~

на заседании- Специализированного совета 'К ОиЗ.ЗйЛЗ. при Санкт-Петербургском Государственном Техническом Университете по адресу: 195251, Санкт-Петербург, Цолктехгаческая ул., 29, 2 учебный корпус , ауд.ЛЙ.

/сс/с/',

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПГТУ. Автореферат разослан " ¿¿/С'/^/??с/ хздз г_

Ученый секретарь Специализированного совета, профессор

Ю.Ф.Титовец

ОГДЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теми. Исследование линейной поляризации космического рентгеновского и гамма-излучения от стационарных и нестационарных астрофизических объектов является актуальной задачей. Традиционными методами исследования в области рентгеновского и гамма-излучения являются измерения энергетических спектров и зависимости интенсивности излучения источников от времени. Анализ этой и^рмации совместно с данными в других энергетических диапазонах позволяет понять и описать процессы п Физические .явления, происходящие в астрофизических объектах. Измерение поляризации, в том числе и линейной, - это дополнительный канал информации об источниках и процессах, происходящих в них. Линейная поляризация излучения характерна для тормозного, щпиютроштого н синхротронного излучения при существовании анизотропных потоков электронов, а также является признаком несферичности излучокхкх тел.

Измерение параметров линейной поляризации космического рентгеновского и гаммз-излучеиил имеет огретое значение при пзучзгл! солнечных вегшиек и гоммэ-всплесксп, поскольку в этих случаях поляризация является ватным критерием проверки теоретических моделей. Особый интерес к измерению линейной поляризации обуславливается еще одним теоретическим предположением о влиянии гравитационных эффектов на параметры линейной поляризации в окрестности так называемых "черных дыр".

Гентгеновскзя поляримотрия получила развитие в последние 20 - 25 лет. Однако, для измерений поляризации в астрофизических и космических исследованиях использовались поляриметры брэгговского и томсонсвского типа, эФJ)<зктивlDíe лишь при низких энергиях падающего излучения.

В результате поиска новых методов исследования космического рентгеновского излучошя возникла идея создать поляриметр комптоновского типа для измерения линейной поляризации в диапазоне энергий от 50 до 260 кэВ. Актуальность создания такого прибора заключается в необходимости расширить диапазон измерения линейной

3

поляризащи из мягкой области (2.6.ко0 - 30 кзВ) в Сомов жесткую область, сохранив при этом относительно высокую • зКектишюсть прибора. Такой прибор можно с успехом использовать как на спутниках, так и в составе комплекса научной аппаратуры для полетов на высотных аэростатах.

Пели и задачи работы:

Целью настоящей работы являлась разработка комптоноьского поляриметра космического рентгеновского излучения с анергией от £0 до 250 кэВ, пригодного для астрофизических исследований.

В диссертационной работа поставлены следующие задачи:

1. Разработка модели комптоноьского поляриметра с использованием сшштилляцлогапл пластмасс, неорганических спингалляторов и шсокочувствительшх фотоэлектронных умножителей.

2. Расчет оптимальных геометрических размеров и с-№эктивнооти прибора методом Монте-Карло.

3. Разработка и изготовление детекторов для. комптоповского поляриметра.

4. Разработка и изготовление реального приоора, пригодного для проведения исследований как в.лабораторных условиях, так и в составе комплекса научной аппаратуры для полетов на высотных аэростатах.

Б. Проведение экспериментов па высотных аэростатах с целью измерения фона рентгеновского излучения и диапазоне 50 - 250 кэВ.

Научная новизна.

1. Разработан и создан оригинальный прибор, раноо в астрофизических исслед- ^ниях на примошйийзя.

2. В приборе приманены перспективные сцингилляционша детекторы, что позволило впервые регистрировать комптоновское рассеяние по электронам отдачи с анергией около 5 кяН. Это крайне важно для измерения параметров линейной поляризации в диапазоне жесткого рентгеновского и мягкого гамма-излучения от ЬО кэ!.: до Ц&О коВ с использованием метода совпадений, что значительно снижает уровень

' фона при измерениях.

3. Впервые проведены измерения приборного фона рентгеновского излучония в исследуемом диапазоне . энергий при провпцонии экспериментов с комптоновешм поляриметром в составе комплекса научной аппаратуры на высотном аэростате.

4

Практическая значимость работа .•

Результаты проведенных исследования необходимы для дальнейшей работы по созданию научной аппаратуры для измерения линейной поляризации космического рентгеновского излучения в диапазона энергий 50 - 250 кэВ. Полученные характеристики прибора , такиэ как эффективность регистрации .и точность измерения степени линейной поляризация и позиционного угла, позволяют оценить длительность экспозиции в будущих экспериментах и необходимую точность наведения прибора на объект. Данные, полученные при измерении фена рентгеновского излучения л ксслэдуемсад диапазоне в процессе экспериментов на высотных аэростатах, позволяют выбрать Параметры для устройств радиоэлектроники в реальном приборе аналогичного типа.'

Выполненные исследования' должны явиться основой для проведения многократных длительных измерений параметров линейной поляризации в последующи экспериментах как на шеотннх аэростатах, так и на ИСЗ.

Основные поло:кз;п:я, сцкосишэ на задкту:

1. Методика и результаты расчетов характеристик комптсноп-ского поляриметра методом Монте-Карло.

2. Результаты экспериментального измерония лшюйнсЛ поляризации для модели прстойаего поляриметра и для реального прибора в лабораторных условиях при рассеянии излучения от калибровочного источника "Со (Е=122 кэВ).

3. Конструкция и характеристик! комплекса научной аппаратуры для проведения экспериментов на высотных аэростатах.

4. Результаты измерения фона рентгеновского излучения в диапазоне энергий 50 - 250 кэВ при проведении поляризационных измерения комптоновским поляриметром.

'■ 5. Методика обработки информации И представления результатов измерения линейной поляризации комптоновским поляриметром.

Апробация работы

Основные результаты диссертации докладывались и обсуздались яя vii Европейском симпозиума по космическим лучам ( 1980 г., Ленинград), на ш -Международном семинаре "Научное космическое приборостроение" (1982 г., Одесса),, на Всесоюзной конференции по космическим лучам (1984 г., Якутск), на v Всесоюзном совещании по

рентгеновской и гамма-астрономии (1985 г., Ленинград) и на Международном семинара "Проблемы Оаллошшх исследований" (1991г., Москва).

Объем работа .•

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Работа содержит 108 страниц, в том числе 20 рисунков, 10 таблиц и список литературы из 42 наименований.

Публикация результатов диссертации:

По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ. Список публикаций приводится в конца автореферата.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы и цель исследования, формулируются основные положения, выносимые на защиту, приводится структура работы.

11 первой главе дан, анализ состояния теоретических и экспериментальных исследования линейной поляризации космического рентгеновского излучения в различных диапазонах энергий. Приведен обзор основных теоретических направлений в изучонии проблемы поляризации рентгеновского излучения: Отмечается необходимость проведения новых экспериментов.

До настоящего времени измерения поляризации проводились как для стационарных астрофизических объектов, таких как Крабовидная туманность - и Лебедь x-i ( Р.Новик и др. из Астрофизической Лаборатории Колумбийского Университета,'США), так и для солнечных вспышек (И.П,Тиндо и др., <ШН, СССР).

Применявшиеся для измерений приборы были либо брэгговского типа, • позволявдие проводить измерения на двух фиксированных энергиях падащих квантов ( г.б кэВ и 5.2 кэВ ), либо томсоновского типа с пассивным Овриллиевим рассеивателэм. Результаты большинства экспериментов сведет в таблицу- На основе анализа имеющейся литературы сделан вывод о. необходимости создания поляриметра^комптоновского типа для энергий 50 - 250 кэВ.

Вторая глава . посвящена разработке -модели поляриметра комптоновского' типа. Подробно описывается принцип действия комптоновского поляриметра для измерения космического рентгеновского излучения. Этот принцип состоит в измерении асимметрии рассеяния линейно поляризованного излучения с в

\ последующей регистрацией рассеянных квантов набором детекторов в. \ортогональной к направлению падающего потока плоскости, при этом используется метод совпадений. Простейшей моделью такого поляриметра является цилиндрический рассеиватель, на торец которого падает исследуемое излучение, а вокруг рассеивзтеля расположен детектор рассеянного излучения в виде кольца, разбитого на 12 секторов. Приводится алгоритм расчета основных характеристик простейшего поляриметра методом Монте-Карло.

При моделировании взаимодействия квантов с веществом рас-соивателя учитывались три процесса: эффект Комптона, ' когерентное рзссзякш и íютoэфfвкт. Дифференциальное сечение этих процессов для элементов, составляющих материал детектора, определялось методом аппроксимации табличных значений этих величин. В расчета использовалась обычная методика моделирования процесса прохождения излучения через вещество. Оказалось, что вклад когерентного рассеяния в общее сечение незначителен в рассматриваемом диапазоне энергий. В общей сложности выполнено около пятидесяти вариантов расчета для различных гесмотрических размеров при различных углах наклона падающего потока . для монохроматического излучения и спектров. По каждому варианту число статистических испытаний было но менее 40000. В результате расчетов установлено, что эффективность моделируемого поляриметра мокет достигать 201, что является большой величиной для приборов такого типа. Далее в диссертации приведены результаты, экспериментальной проверки прёдыдущих расчетов. Сравнение результатов расчета и эксперимента показало удовлетворительное согласие.

В третьей главе приводится конструкция созданного прибора для экспериментальных исследований и результаты научно-исследовательской работы по созданию трех типов детекторов для поляриметра. Рассеиватель, представляющий собой цилиндр из сцинтилляционной пластмассы на основе поливинилксилола, позволяет при использовании высокочувствительного фотоэлектронного умнокителя регистрировать электроны отдачи с энергией ~ ' б кэВ. Детекторы рассеянного . излучения в виде пластин размерами 90x90x15 изготавливались из Свл(на) и покрывались светоотражающей эмалью. Характеристики изготовленных детекторов сведены в таблицу. Для лучших образцов разрешение на линии 59.6 кэВ ( "'лт ') составляет 21%. Третьим

7

типом изхчлч>вх..,ншк дотекторон Сшш кольцоиде детекторы- '-нтизкраны из лал(т1) : било колец диаметром 160 ММ И ТОЛ'^ЛОЙ 15 мм, упакованные в герметичные контейнера с двумя оптическим; окнами. ■ Эффективность регистрации излучения в рассепвателе проверялась на отдельной установке и сопоставлялась с результатами расчетов.

Далее в' диссертации дается полная схема комптоновского поляриметра, получившего назвшшо "АСТРД", и предназначенного для использования в составе комплекса научной аппаратуры для экспериментов на высотных аэростатах. Схема этого поляриметра приведена на рис.1. Исследуемое излучение попадает через коллиматор па рассеиватель (Р), в котором происходит комптоновское взаимодействие падающих квантов с электронами сщштилляционноЯ пластмассы. Электроны отдачи регистрируются ФЗУ, присоединенным к нижнему торцу цилиндрического рассеивателя. Рассеянные кванты, попадая в один из детекторов (Д1- Д6), претерпевают фотопоглощение и регистрируются соответствующим ФЭУ. Сигналы со всех каналов поступают на соответствующие усилители-формирователи (УФД), являпциеся одновременно и пороговыми устройствами, а затем на схему логических совпадений (ПЛС), на которую так::я подаются сигналы с усилителя-формирователя рзссеипатзля (УФГ) и с усилителей- формирователей антиэкранов ("ЗС). Детекторы-антиэкраны (АЭВ и АЭН) предназначен для защиты от фона ь процессе измерений. При наличии сигналов АЗВ и'АЭН совпадении не регистрируются. Для пита1ШЯ фотоумножителей всего прибора используются преобразователи высокого напряжения (ПВШ.

С выхода ПЛС снимаются 12 сигналов совпадений и 9 сигналов илтеасиметроБ И...ИЭ. Совпадения СС1...С06 соответствуют нижнему порогу регистрации (~50кэЬ), а сигналы 0С7...СС,12 соответствуют верхнему порогу регистрации (~250кэВ). Б полярпмотро предусмотрена возможность исследования амплитудных спектров в одном из восиы детекторов, для чего используется мультиплексор аналоговых сигналов. Для питания радиоэлектроники прибора испо.льзузтся источник вторичного питания (ИБП).

Поляриметр выполнен в виде жестко соораной конструкции из днух дисков, скреплешых шестью шпильками. Мокду дисками закреплена шестигранная призма боковых детекторов. С наружных сторон на диски установлены кольцевые детекторы антиькранов. О

Рис.1 Схема ксштоноеского поляриметра "АСТРА"

На верхнем лиске помещается коллиматор,' а в центре нижнего диска расположено окно, закрытое свинцовым стеклом. Ка внутренней стороН) окна пр-жреллон рассзиватель, а скаруки установлен ФЭУ-143. Вся конструкция помогена в кольцевой корпус о ножками для крепления прибора. Сгерху и снизу на корпусе устанавливаются светозаадатнне конухи в ряде полусфер. На корпусе тлеются разъемы для подключения поляриметра к источнику питания и устройства регистрации и обработки информации. Масса прибора составляет 26 кг. Высота всей конструкции не более 480 мм, при диаметра не более 500 мм.

Четвертая глава целиком посвящена описанию предварительных экспериментов с комптоновским поляриметром в составе комплекса научной аппаратуры , предназначенного для полетов на высотннх аэростатах. Приведена схема и описаны состав и . конструкция всего комплекса. Далее кратко описан этап подготовки научной аппаратуры. Приводятся данные о двух проведенных полетах комплекса научной аппаратуры на высотных аэростатах в 1989-90 гг.

Целью проведенных полетов сыло измерение фона рентгеновского излучегая в исследуемом диапазоне знергий. В ходе полета регистрировались спектры фона в различных детекторах поляриметра и измерялась скорость счета во всех каналах поляриметра. Полеты проходили на высоте - 31000 м как в дновное, так и в ночное время. В результате полетов зарегистрировано 150 спектров с временем экспозиции - 10 минут. Общая экспозиция составила - 26 часов. Из них примерно 15 часов на высоте > 25 км.

уровень фона [ с-']

Рис.2. График уровня фона рентгеновского излучения в полете на высотном аэростате в 1990 г. I- интенсивность в детекторе, 2 и 3 - скорости счета совпадений по низшему и верхнему порогам.

/ | В пятой главе приведены результаты экспериментов, полученные По / разработанной методике обработки данных от комптоновского поляриметра. Основным'методом обработки является метод наименьших квадратов. Результаты предварителышх экспериментов приведены в виде таблицы. В качестве примера приведет измеренные спектры и график уровня фона рентгеновского излучения в ходе полета, представленный на рис.2.

Для проЕэрки разработанной методики обработки данных и сравнения выполненного расчета с экспериментом . приведена результаты измерения поляризации рентгеновского излучения в лабораторных условиях от калибровочного источника "Со. Делается вывод сб удовлетворительном согласии результатов раечетоз и лабораторных экспериментов. Состоятельность результатов моделирования позволяет прогнозировать эксперимента по измерению поляризации, что проделано для излучения от Крабовидной туманности и источника суд х-г.

Заключение является кратким обобщением полученных в диссертации результатов.

В приложениях приведены основные математические выкладки по методу наименьших квадратов при обработка экспериментальных данных и методика построения эллипсов рассеяния для одновременного измерения двух поляризационных величин.

ВЫВОДЫ:

1. Выполнены расчеты методом Монте-Карло основных характеристик модели простейшего поляриметра. Результаты расчетов удовлетворительно согласуются с результатами лабораторных экспериментов.

2. Проведена научно-исследовательская работа, в результате которой созданы высокочувствительные детекторы трех типов для _ астрофизического комптоновского поляриметра. Исследованы их характеристики.

3. Разработана конструкция и схема комптоновского поляриметра. Изготовлен опытный образец комптоновского поляриметра космического рентгеновского излучения для энергий от 60 кэВ до 250 кэВ с эффективность«) •• 205.

4. Разработана конструкция 'и изготовлен комплекс научной аппаратуры для проведения экспериментов с ксмптоновскиы поляриметром на высотных аэростатах.

и

5. Проводеш два предварительных экспериментальных полета поляриметра "АСТРА" на высотных аэростатах в I9B9-I990 годах. Суммарная экспозиция на высоте более 25 км составила - 15 часов. Получены значения скорости счста фона в детекторах поляриметра и спектры фона в детекторах.

6. Разработана методика обработки экспериментальных данных, -и представления результатов поляризационных измерений.

7. Проведены эксперимента по измерению Л1шейной поляризации в лабораторных условиях при рассеянии излучения калибровочного источника =7Со. Результаты этих экспериментов удовлетворительно согласуются с расчетными данными.

СПИСОК FAB0T, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЫ,Е ДИССЕРТАЦИИ

1. Боков В.Л., Городинский Г.М.', Круглов E.H. и Хмылко В.В. Комптоновский поляриметр для измерения линейной поляризации космического рентгеновского и -излучения с энергией больше 50 КЭВ. //Изв. АН СССР. Сер. фнз. - 1981.-Т. 45 -С. I322-I32S.

2. Городинский Г.М., Ермолаев Б.П., Круглов Е.М.,. Хмылко В.В. Комптоновский поляриметр и возможность его использования в астрофизике. -Л.: Препринт ФТИ-761, 1982. -25 с.

3. Городинский.Г.М., Ермолаев Б.И., Круглов Е.М., Хмылко В.В. Комптоновский поляриметр космического рентгеновского излучения. //Научное космическое приборостроение. Выпуск I. -М.: // Металлургия,- 1983. -G2 с. 1

4. Городинский Г.М., Ермолаев Б.И., Зайцев C.B., Круглов Е.М., Хмылко В.В. Перспективы эксперимента с комптоновским поляриметром в астрофизике. // Изв. АН СССР. Сер. физ. -1934. -Т. 48 -С. 2090-2092.

Б. Городинский Г.М., Зайцев C.B., Круглов Е.М., Хмылко В.В., .Говорова P.A., Гоманенко Л.А., Цлрлш D.A. Сшштилляциошше детекторы для астрофизического комптоновского поляриметра. -Л.: Препринт ФТИ-962, 1985. -15с. G. Бочаркин В.К., Маликова H.A., Хмылко В.В. Комплекс научной аппаратуры "АСТРА" для исследования поляризации рентгеновского излучения в экспериментах нэ высотных аэростатах. -Л.: Преприпт ФГИ-1573, 1991. -16 с.