Создание широкодиапазонного бортового астрономического рентгеновского телескопа с кодированной апертурой тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР ОРДЕНА ЛЕНИНА ИНСТИТУТ КОСМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ

на правах рукописи

Корнев Евгений Андреевич

увд 539, 1. 075: 522. 4 создание шрокодиапазонного еортобсго астрономического рентгйюрского телескопа с кодированной апертурой

Специальность 01. 04.01. -Техника физичэског

гкснеримэнта, Яязика приборов. АВТОИЗТИЗ.ЧЦИЯ физичес: их исследований.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертация на сскскаииэ ученой степени кандидата технических наук

:-.сква, 1991

Работа выполнена б Ордена Ленина Институте Космических «ссладовакий АН СССР.

доктор фиаико-ыагенатических наук,

Научные руководители: член-корреспондент АН СССР

Р. А. Стаяев

кандидат физико-матемамйческих наук

Е С. ЯмОуретш

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор А.М.Гальпер

кандидат физико-математических на! Д. А, Гоганов

Ведущая организация: Ленинградский физико-технический институт им. А. Ф. Иоффе АН СССР

г Защита диссертации состоится " Н" 1тш_1991 г.

в (О ^ЛЮ часов на заседании специализированного совета ДШ&. при Институте космических исследований АН СССТ по адресу: 117810, г. Москва, Профсоюзная 84/32

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института космических исследований АН СССР

Автореферат раеослан " " г-

Ученый секретарь

специализированного

совета, кандидат . У1

физико-математических наук В. II Шалимов

7 V

t"!<i. ¿бшдя. характеристика работы

Г|Ь Актуальность том. Астрофизика высоких энерги». приобрела к «етоЕщЫу времени значительное развитие, получены уникальные »аблюдательные данные о космических источниках рентгеновского «лучения. Получение достоверной информации в этой области «¡следований зависит от прогресса в развитии Сортовых приборов • рентгеновских телескопов, спектрометров, пoляpю,:eтpoз^ Среди трибороа рентгеновской астрономии наши широкое применение 'елескоды косого падения и телескопы с вращающимися к :канирущими коллиматорами. Но у первых верхний предел ;иаплзо"я наблюдений ограничен энергией до Ю кэВ, у вторых -ieдостаточное быстродействие для исследования временного хода ?Л7енсивюсти.

ItobRM направлением в приборостроении для исследований в ©ст[сой рентгеновской области излучения является создание •елескопов с кодированной апергурой (ТКА), основанных на [рострзяственной модуляции потока излучения источников, ¡етектирсвании модулированного потока косрдшатно-[увствительным детектором, записи и восстановлении изображений сточников с помощью бортовых и наземных ЭВМ.

^многочисленность экспериментов с применением ТКА ' за убехш и отсутствие отечественных разработок- связано с роблемаш создания надежного, шрокодиапазозного, с высотой

HÄiJbf\±rianuL* x uiü pci 1 ycu-yfiii nojtjr чсшш

увствительного детектора, непрерывно работак?/гго не менее ода в условиях космического пространства. Другой проблемой существлэния проекта ТКА является разработка многоканальной япаратно- программой, с бортовой микроЗШ системы съема и 5 раб от га информации с координатно- чувствитэльггого детектора Эксперименты с телескопами XRT (Англия, 1985 г.) и ТТМ Голландия, 1887 г.) в диапазоне энергий 2-30 га В были рат ¡современными, с ограниченным объемом полученной (¡формации.

Научный интерес к ТКА в настоящее зремя значителен и Эусловлен недостаточностью научных данных F. области энергий

10-100 кэВ, наблюдения в которой позволяй' провезти поиск циклотронных линий источников типа НегХ-1, исследовать жесткие спектры остатков сверхновых, измерить периоды рентгеновских пульсаров, исследовать рентгеновские барстеры и транаиентные источники, локализовать источники галактического центра. Следовательно, реализация проекта ТКА в нашей стране в конце 80-х годов - задача актуальная. Новый проект ТКА направлен на повышение информативности (расширение диапазона наблюдений, улучшение углового и энергетического разрешений, повышения быстродействия) и увеличение ресурса работы в условиях космического пространства.

ПЕДЬ РАБОТЫ, Создание и подготовка к эксперимента),' астрономического рентгеновского телескопа с кодированной апертурой, предназначенного для получения изображений участкоя небесной сферы, накопления спектрометрической информации, измерения временного хода интенсивности космических рентгеновских источников ва энергиях 4-100 кзВ.

НОВИЗНА РАБОТЫ. Создана для условий космическогс эксперимента двухслойная координатно-чувствительная нногопровоздчная пропорциональная камера (МПК) Оольшо? площади, с повышенным давлением газа и ресурсом работы более года без сиены рабочего газа. Разработана методика оптимизацю-и расчета системы сьема координатной информации с позиционно-чувствительного детектора на основе линии задержку с дискретными компонентами. Разработаны алгоритмы отбора полезных и эффективной режекции фоновых событи? (йшуоресцентних квантов ксенона, комптоновских событий » иарншкных частиц). Экспериментально исследована аппаратно-программная система съема координатной информации с Ш. Разработана структура, функциональная схема и алгоритм работы рентгеновского телескопа для режимов наблюдений с сжатием и без сжатия научной информации, с аппаратно-программной системой коррекции и стабшшзацт измерительных каналов по даннш летных калибровок и данньа звездного датчика.

ЖЧНДЯ И ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ Значительна? часть результатов настоящэй работы по исследованию системь

гема а логического отбора хшфэрьздии с косрдияатио-увствзтельного детектора бшгл шпдопзни при разработке ятронотоского рентгеновского телескопа ЛРТ-П. Впервые в !ССР создан и подготовлен к астрофизячосюг.» нзблвдэнияи в зсткоа рэнтгеносском диапазона Сортовой телескоп с гадировазной апертурой. АРТ-П в составе астрономический гбеерватории "ГРАИТ" в течении 1990 года позволил привести .'Еблюдеиил участков шбоспой сфэры в диапазоне энергий 4-100 иВ: погученм гаобрагония в поле зрения 3,.')® х 3,5° с гагрошностъю джалиэац1и исто'кигап иэнво 1,5 ' и углевый зззрзшеииэм не болэо 5; получена спекгромэтркческая информация : энерготачзешта разрешением равным 207., 14%, 12Х на энергиях 3,22 и Е0 кэВ соответственно; тага реки спектры гребенного хода интенсивности излучения ксточидаоз с временным рагреггэииэи «нее 1 мо. В тэчоаш года нгбявдений накопляя бол1иоЗ обдек научной кнформацот (болэе 1 Гбайта). По рэзульгзтам нзблпдениГ: эпублгсзвшю а циркуляров Иэждукародаого астроноимоского союза (Ъ\и) с '.жшгл научными дзяныш.

Результаты ргботи по сигтешгехншад, схс:.'отехн,/:;?> ганструкгорско-технологическиз рзшегш могут быть прта'экзкч организациями, оадимэдишея разработкой и выпуск.™ ядернофягичэского оборудовании, ташш, как СШИЛ, РНЙИРП, НПО "Буревестник" и др. Результаты разработки тэлескопа АРТ-П сейчас используется в разработка нового проэста телэасаиа АРГ-СП будущая обсерватории Спектр-Гентгон-Гашга (1ЙВЗ г). И?тодика кодированной апертуры и ииструиэнтариЛ телескопа АРГ-П могут бить использованы, кроме астрофизических исследований, также в наземных условиях: дистанционный поиск и получение изображений источников излучения, исследование в рентгеновских лучах динамики различи их обгектов. Детектор телескопа (МЛН) нот т с успехом лслольвоваться в бисмэдецинских и ядернофгаических исследования*.

Основные положения, представляемые к защите:

1. Нэтодика ептиигаацигг параметров системы съема координатной информации (ССКИ) на основе линии задержи (ЛЗ) с

учёгои шакгркчзск'и ¿.^•иап.э^гио;1, с..-.; ~

кзордиш'йа-чуЕСгаиггй&ъой ШЕ.

2. Реочэг:; СС&1 с ш пргато&тедыю к ездачо построй;:;: язтокгсра рзктгокозскэго телэекокг.

3. Разработка 2-х коорджзгкоЯ ССК'Л на оснозг вгзктрошгйэткоз ./Л, о даекрвкйыи Ю1:лонента;.л,

4 ©.сспэрм^йтааьнш рогульгь~ы ».-ссладаз^иид »шага мл; с СОК!

6. Алгоритм отбора и рехзкцал фогюгж событий,

утамогозЯ слугл регшград»; в кзтокторэ дгух и Оодйс

фоШЫК СООЬТИй.,

5. Структуру» и фускцизйакйнуа схака, алгорит»«ы работа толзскспа дзя иосгашгах рехакли каб:ж?;эняй,

?'. Е;озгзр-.1шяггтаК1:э рггуяьтвти ксслодоааивя лэккя образцов лзтектора (ко:гк оптигслыш!» рэ5очзЛ точки удовлглкаряшра граОовгнизш телескопа по координатному I Еа^ргаирксгга^у. ргзрзхэниз).

8. Результаты к&лкОроскн хадаскоиа от точечные рзнттеетвских ксточкжаз н на пучка рентгеновских квантоз.

8. Результаты солэтксЛ калкбрсвкл в составе рептгеновско,' обсерватории "ГРАНАТ".

Апробация рзСюты.

Результаты работы докладывались на:

1) IV шддународ'юы семинаре "Научное космическое приборостроениэ", СССР, г.йрунаэ, 18-24 сентября 1989 г.;

2) на семинарах отдела астрофизик! высоких анергий Ш1 Л1

СССР.

ПубЛИКЯЦУЩ.

Штеркалы диссертации опубликованы в 6 научных работах, ; заявках на изобретения, отчете о паучно-исследовательско; работе.

Структура и объем работ

Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, двух приложений: содержит 193 страницы, а тон чист 71 рисунок. 9 таблиц. Список литературы содержит 99 пая аз. ним.

2. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В настияиее время в идеологии построения рентгеноиских телескопов используются две методики регистрации излучения в пав И" имости от диапазона энергий: методика косого падения (методика отражающих зеркал), ограниченная область» наблюдений от долей кэВ до 10 кэВ; теневая методика, модифицированная на нескольких способах модуляции потока и обладающая достаточно ши»кии спектром наОлвдений от единиц к>В до единиц ШВ. В последнее время из трех способов модуляции потока (сканирован!!?, працонно и пространственное кодирование) для наблюдений в средней н высокой областях энергий рентгеновского получения ыирокое развитие приобретает методика пространственного кодирования (методика колированной апертуры), благодаря тому, что достигнута погрешность 3-х осной стабилизации специализированных 11СЗ яснее 30 угловых секунд и получена точность их наведения на источник наблюдения а П!»}делак 1-2 угловых минут, появилась возможность строить детектор« больиой плоиади и бортовые ЭВМ с болышм об1,емом памяти.

Измерительные границы иетсдики кодированной апертуры шире в сравнении с методиками сканирования или працгния. которым присущ существенный недостаток - ограниченная возможность региетригювать бьютропротекакчлне временны* процессы изменений интенсивности исследуемых источников излучения, невысокая чувствительность к интенсивности потока излучения.

ПроведенншЧ обзор и анализ реализованных проектов, построенных на основе методики пространственной модуляцш потока выявил немногочисленность осуцеств л йшых проектов за рубежом (проект ХСТ, ГЗол г.. Англия: проект ТТН 1987 г., Голландия) и отсутствие достаточного опьгга создания такого вида приборов в напей стране. Научный интерес на подобные

прибора, обусловлен ограниченным объемом наблюдательных данных в диапазоне 10-100 кэВ из-за кратковременности проведенных экспериментов. Недостатка»,и телесгапов XRT и ТТЫ были: ограниченное • временное разрешение ( ~>1с), невысокая эффективность регистрации из-за применения МПК с низким давлением, ограниченный диапазон наблюдений (2-30 каВ), небольшой объем бортовой памяти ( 1 Шайт). В первой главе делается вывод, что создание рентгеновского телескопа с Солее высокой эффективностью регистрации, расширенным диапазоном энергий и меньшим мертвым временем является проблемой актуальной я требует решения многих задач. К ним относятся:

- разработка структурной и функциональной схем телескопа;

- выбор геометрии, разработка и создание детектора применительно к структуре телескопа, поиск и разработка простой и надежной системы съема координатной информации (CCKJÍ) и разработка методики ее оптимизации;

- детальное экспериментальное исследование макетов детектора и системы съема инфэрмаации;

- разработка алгоритма отбора полезных событий;

- построение и оптимизация электронной системы съема координатной, логической и энергетической информации;

-• построение системы стабилизации и коррекции измерительных характеристик прибора;

- разработка системы сбора, накопления и обработки информацк

Одной из основных проблем разработки проекта телескопа является создание системы сгема координатной информации (ССКИ) с коордииатно-чувствительного детектора - многопроволочной пропорциональной камеры (НИК) большой площади.

Во 2-ой главе от'мечается, что существуют разнообразные способы стана координатной информации (аналоговые, дискретные, дискрегноаналогозые) с широким спектром метрологических возможностей. Каждый из способов обладает некоторым преимуществом по одному или нескольким параметрам относительно других способов, однако, не существует универсальной ССКИ, удовлетворявшей сразу нескольким критериям качества. ГЬзтому для создания ССКИ бортового телескопа с широким диапазоном

регистрируемых энергий был проведен анализ современных и традиционных методов съема с точки зрения требований к параметрам точности, надежности, энергопотребления, быстродействия, аппаратных, программных и технологических затрат.

Показано, что для построения надежной, экономичной, средней точности ССКИ целесообразно детально исследовать традиционный способ съема на основе дискретной ЗМЛЗ. Метод ЭШИ в отношении аппаратных затрат, алгоритмической сложности поиска величины координаты, дифференциальной нелинейности, эксплуатационных характеристик, превосходят дискретные и дискретно-аналоговые способы съема координатных данных. Этот способ применительно к разработке рентгеновского телескопа, рассмотрен в направлениях:

- расширение диапазона измерения координат с одновременным расширением диапазона регистрируемых энергий;,

- повышение быстродействия;

- улучшение нелинейности координатной характеристики;

- улучшение технологичности и эксплуатационных параметров.

Повышение прецизионности ССКИ с ЗМЛЗ потребовало

детального рассмотрения влияния электрических параметров линии и МПК на координатное разрешение-зтого способа, что явилось предметом исследования, описанного в третьей паве.

Ддя построения ССКИ на основе ЗМЛЗ разработаны простая линия с дискретными индуктивно-емкостными элементами и эквивалентные электрические схемы МПК, проведено моделирование линии с учетом электрических параметров МПК. Выявлена зависимость координатного разрешения от первичных параметров элементов дискретной линии и емкостей в виде:

//J ум fit

41/1 = 1,12а (е п/Qk) (1 /п ) (С /L ),

где:

С, L - соответственно эквивалентные &мюости и индуктивности одного звена линии с учетом емкостей электродов МПК;

а - коэффициент, учитывавший форму импульсной переходной фуякции фильтра;

С ш - среднеквадратично* цунавсго напряжения

- а -

усилителя;

(Зк - наведенный заряд на катодной плоскости МПК;

п - число звеньев линии.

На сснова этой зависимости предложена методика оптимизации и расчета, минимизирующий координатное разрешение ССКИ, Показано, что при заданных геометрии ШК, диапазоне измеряемых анергий и диапазоне координат, известных предельных значениях дума предусилителей и параметров фильтра можно найти приемлемую пару значений I, С, обеспечивающих заданное координатное разрешение. При этом желательно, при условии ЬС«согиз1, выбирать большее значение индуктивности, а в качестве емкостей линии использовать паразитные емкости электродов ШК.

Ва оскове предложенной методики проведены расчеты ССК11 применительно к рентгеновскому телескопу и сделана оценка координатного разрешения для нескольких пар значений (Ь, С). Оценка сравнима с разрешением ССКИ телескопа ТТЫ по эквивалентному иумовому заряду (Цэкв).

В главе 3 также приведены результаты измерения координатного разрешения и координатной характеристики макета ШК с ЭМЛЗ на анергиях 5,9, 29,8, 53,9 кэВ для 2-х направлений координат.

Измеренное посредством имитации сигналов ¡.ПК в линию электронное координатное разрешение ССКИ хорошо совпадает с расчетным для случая: Ь=10 мкГн, С=50 пф. При заряде на катоде СЗк=10*^Ся, координатное разрешение составило величину 0,-37 ш (расчетное значение 0,33 мм).

Ра зиэргии квантов 5,9 кэВ координатное разрешение МПК и ССКИ составило величину для координаты вдоль проволок анода 0,6 - 0,8 мм, для координаты перпендикулярно проволокам анода -0,6 мм в точках над анодом и 1,3 мм в точках между анодами. На энергиях квантоз 29,8 кэВ и 59,8 кэВ координатное разрешение Сшо 1,5 мм и 2,6 мм соответственно. Координатное разрешение в области малых энергий молено улучшить, выбрав другие аначения Ц С (например, 1=25 мкГн, С=20 пф). Расчетные и экспериментальные данные подтвердили возможность использования

СО Ш с ЭМЛЗ в телескопе АРТ-П вместо слоадьгк ¡систем считывания, если диапазон игмеряемт энергий широкий и сменен в область более высоких энергий (4-100 кэБ).

Проведенные исследования измерительных характеристик макетов детектора и системы съема информации были использованы для создания структуры и функциональной схемы астрономического рентгеновского телескопа АРТ-П Телескоп представляет собой информационно-измерительный комплекс аппаратуры и содержа четыре идентичных, модуля, расположенных на общей платформе. Каждый из модулей может автономно строить изображения участков небесной сферы в поле зрения 1,8" х1,8^ , набирать энгергетические спектры и измерять временной код интенсивности в диапазоне энергий 4-100 кэВ. Конструктивно один модуль ДРТ-П содержит четыре системы: систему детектирования (СДП), систему аналоговой обработки (CAO), систему преобразования информации (СПИ), систему обработки данных (СОД). Функционально в модуле АРТ-П работают три взаимосвязанные измерительные электронные системы: система логического отбора, система съема! координатной информации, система стека энергетической информации. Данные с трех изиаригелькьпс систем поступает в бортовую микроЭВМ (систему СОД) с обвдмои ОЗУ 64 Кбайта, информация с которой записывается в долговременное ЗУ объемом 16 Мбайт.

Система детектирования состоит из координатно-чувствительной МПК и модулирующего экрана, расположенного над детектором на расстоянии 1320 мм, образуя гелесюоп с кодированной апертурой.

Алгоритм получения и восстановления изображзкия в телескопе с кодированной апертурой заключается в следующем:

- параллельный поток рентгеновских квантов модулируется маской, состоящей из последовательности случайно расположенных прозрачных и непрозрачных элементов;

- тень' маски регистрируется позиционно-чувствительным детектором, при атом распределение скорости счета по разрешающим элементам детектора соответствует структуре маски и представляет собой суперпозицию проецируемых от

каэдого отверстия изображений наблюдаемого участка

- го -

небесной сф=фы; - информация, подученная на детекторе накапливается в памяти бортовой ЭВМ, а затем декодируется наземной ЭВМ, Результатом декодирования является изображение участка небесной сферы, содержащего наблюдаемые источники излучения, Еозможаость однозначного декодирования обусловлена тем, что для каждого направления прихода излучения формируется своя, отличная от других направлений, таблица кодировки (тенеграмма).

фи наличии в поле зрения нескольких источников на детекторе образуется тень, _ соответствующая суперпозиции различных таблиц кодировки к вклад кавдой зависит от интенсивности источника. «о

Формально алгоритм получения изображения можно представить следующим образом:

1. Процесс получения суперпозиции теней на детекторе выражается как:

Р = 5 * М + К

где:

Р - матрица отклика детектора;

5 - матрица изображения исследуемого участка небесной сферы;

М - матрица кодирующей маски телескопа; Н - матрица распределения собственного фона детектора, не

зависящего от модулирующего эффекта маски; * - оператор корреляции,

2. Декодирование изображения производится путем кросс-корреляции матрицы Р с матрицей декодирования в, зависящей от матрицы М>

§ « р * е = (5 * вд + N * в

где: ^

Ь - изображение, полученное в результате декодирования. Матрицы М и В подбираются так, чтобы выполнялись условия:

- кросс-корреляционная функция М*Я должна быть близка к. дел].та-функция-.

- я -

вклад фонового члена должен быть минимальным.

При выполнении этих условий восстановленное изображение Судет наиболее близко к истинному распределении яркости по исследуемому участку небесной сферы, поскольку

м * а ) + = Б +

Детектор телескопа (МПК) представляет собой 2-х слойный детектор в титановом корпусе цилиндрической формы, с газовым наполнением на основе Хе (85Х Хе + ЮГ Аг + 5Х СО^) при давлении газа до 1,5 атм. Детектор имеет: берилловое входное окно толщиной 0,5 мм с геометрической плошрдьп 625 см*, изготовленные с микронной точностью проволочные электрода из механически прочной керамики с высокими изоляционными свойствами, образующие измерительный и антисовпадательный слой детектора (см. рис, 1). В каждом слое предусмотрены антисовпадательные анодные проволочки по краям электродов. 3 детекторе отсутствуют газящие материалы (клей, компаунды и т.д. ), относительное содержание электроотрицательных примесей (вода, кислород) в газе не более (2-3) что обеспечивает

длительный ресурс работы в условиях космоса без смены газа (не менее года).

Съем информации о координате события в МПК производится с помощью герметичной (негазящей) линии задержки на дискретных индуктивных и емкостных элементах. Ячеистый коллиматор МПК обеспечавает поле зрения телескопа на полувысоте диаграммы направленности 1,8 х1,8 и является одновременно поддерживающей решеткой для бэррилиевого окна, подвергнутого действию избыточного давления газа В МПК применены высоковольтные гермовводы на основе лейкосапфировых трубок, благодаря чему, а также применению керамических рамок достигнуты наноамперные токи утечки и обеспечен низкий шумовой счет МПК ( не более 20 с') в наземных условиях.

Программа работы телескопа, хранящаяся в ПЗУ'иикроЗВН (СОД) содержит несколько режимов работа с адаптивной, определяемой оператором с Земли, логикой отбора событий, изменяемыми уставками набора калибровочных данных, управлением высоковольтными источниками питания, заданием времени набора событий. После определения по командам статуса прибора в

ООЛОСГПЬ

(КИкшмЭ 10.1мм)

J,P 0, мм окно.

О ________ бериллий 0.5мм

ЗддйфоЬая

А 0'о.1 юоо jTT .............

ь '0 0.02

3600 , Í ■ / ...... (АЦаноЗ (0.02мм)

Ü '

ь

1000 --(К2)катоЗ (0.1мм)

18

О ..... (Д1)брейфоЬая

плоскость(0.1ин)

12 -Й-'-¿500 М (АС)аноЗ(0.02пм)

(Л2)йрейфо6оя плоскость (1,5мм)

корпус

''////''''' / < / /' / // ///// / < / / // // / / ////,' / ///;//// /// /

Fue,7' Конфигурация злектрабой МПК, потенциалы на электробох и расстояние между электродами (цифры слева)-

• 1Ъ -

сеансе сянзи телескоп может самостоятельно в течение суток накапливать и записывать научную информацию в ДЗУ объекта емкостью до 16 Мбайт, периодически производить набор калибровочных координатных спектров от встроенных изотопов, обработку этих спектров и получение кярректируювд. кодов. С помощью последних вместе с корректирующими данными звездного датчика в телескопе автоматически стабилизируются параметры измерительных трактов телескопа.

^Телескоп работает в 3-х режимах: "Энергетическая калибровка", "'Поток фотонов", "Изображение". Программа "Энергетическая калибровка" тестирует спектрометрические тракты телескопа и накапливает два энергетических спектра емкостью 1024x16 байт от изотопов Ге , Ат .

Режим "Поток фотонов" позволяет накапливать научнуп информацию в ходе наблюдений без сжатия данных, а также; координатные калибровочные данные. Для каждого фотона записывается время, энергия и координаты события (объем информации на событие составляет 5 байт).

Режим "Изображение" производит сжатие научной информации. В процессе исследования накапливаются тенеграммы размерой 86x82 элемента в 13 поддиапазонкых энергии от 4 до ВО кэВ, энергетические спектры 1-го и 2-го слоев, координатные калибровочные спектры, спектры средней интенсивности, временные спетры.

В логике работы телескопа реализован алгоритм получения информации о событии, построенный на принципе "проба -хранение -анализ-решение" за время не более 10 мке (максимальное время дрейфа электронов в 1-ом слое МПК). Аппаратная часть телескопа, благодаря атому пропускает в микроэвм в основном полезные события, для фоновых событий происходит только счет их числа. Программа микроэвм производит также селекцию событий по значениям энергии и совокупности мастерных сигналов. Таким образом, производится аппаратно-программный отбор полезных событий, повышающий режекдию диффузного рентгеновского фона и фона заряженных частиц.

В случае регистрации в х слоях )«ПК нескольких события (первичный и (флуоресцентный квант ксенона (29 кзВ):

комптновские события; заряженные частицы) аа время, равное максимальному времени дрейфа электронов в 1-ом слое детектора («vio мкс), отсчитываемого с момента регистрации первого события, в системе предусмотрена аналоговая запись координатной и энергетической информации о 2-х первых пришедших событиях и счет числа событий с последующей режекцией информации флуоресцентного кванта,' комлтоновских событий, заряженных частиц путем амплитудного отбора и сравнения числа событий. Полезным событием система считает одно и только одно событие, пришедшее за время анализа ( 10 икс), Кроме того, отбор заряженных частиц производится амплитудным отбором сигнала в каждом отдельном слое и суммы амплитуд сигналов от потерь анергии в двух слоях МПК, а также методом антисовпадений сигналов 2-х слоев и боковых амтисовпадательных счетчиков каждого слоя. Также производится анализ длительности токовых импульсов КПК с первого слоя.

Система съема энергетической информации усиливает, фильтрует, запоминает и хранит до начала аналого-цифрового преобразования амплитуды 3-х сигналов. Система имеет широкий диапазон измерений (не менее 25), десятиразрядный АЦП с ценой младшего разряда 0,1 кэВ, энергетическое разрешение менее (вместе с детектором) 18Х на энергии 5,9 кэВ.

Широкодианазонная двухкоординатная система сгема позволяет кодировать пару координат в поле (256x268) мм с ценой младшего разряда 0,25 мм с координатным разрешением не более 0,6-0,8 им.

Результаты наземной отработки телескопа содержатся в главе 6.

Наземная отработка телескопа включала исследование параметров детектора, комплексную настройку детектора с электронной системой сгема логической, энергетической, координатной информации от точечных источников излучения Fe'и Arf'V - а также калибровку телескопа на параллельном пучке квантов.

Исследование параметров детектора телескопа при облучении точечными источниками проводилось с целью поиска рабочей точки МПК: приемлемого, давления газа, рабочих напряжений на анодах и

напряженности поля в дрейфовом промежутке. Для этого измерялась счетная характеристика МПК и определялось рабочее плато этой характеристики, измерялась зависимость энергетического разрешения детектора и уровня катодных сигналов на энергиях 5,9, 29,9, 59,6 кэВ от разности потенциалов между анодом и катодом на двух слоях МПК при разных давлениях. Рабочая зона напряжений на электродах МПК и рабочее давление газа выбраны из условий обеспечения приемлемых для телескопа энергетического и координатного разрешений, т.к. предельные (лучше) значения этих параметров лежат в разных точках рабочей зоны анод-катодной разности потенциалов. ~

Была выбрана рабочая зона напряжений на электродах МПК, ■где энергетическое разрешение составляет от точечных источников на энергиях: 5,9 кзВ - не хуже 20Х, 29,9 кэВ 15=18Х, 59,6 кзВ - 14-15*.

Координатное разрешение при этом находится ^пределах 0.60,3 мм. Однако, если не стремиться выполнять компромиссные условия по одновременному обеспечению хороших координатного и энергетического разрешений в широком диапазоне энергий, в работе показано, что можно получить у такого детектора энергетическое разрешение на энергии 5,9 кэВ-15-16% и на энергии 59,6 кэВ - 12-131 и менее при засветке от точечных источников.

Проведен цикл калибровок телескопа на параллельном пучке квантов с yr.noвой расходимостью пучка не более 5 мрад, полученном на специальном вакуумном стенде с рентгеновскими трубками. Получены калибровочная энергетическая характеристик;! преобразования в координатах энергия-код б диапазоне эиоргий 5,9-60 гаВ с удовлетворительной линейностью и зависимость энергетического разрешения от энергии при засветке всей чувствительной поверхности МПК.

На параллельном пучке квантов получены ряд изображений: лезвие Орнтин, фрагмент ма^ки телескопа. ]-осстановленг-изображение рентгеновского ж-тсчиикп на нескольких энергия*« 1'Р-з мс>л.У-1;!ЦИ)1 погона Фрагментом манки телескопа и пплучеш/ .-•тг-.г..-".',м'чт? контрастности |г;м источника г,т !»«»••; т ви.

что подтверждает достаточность координатного разрешения и линейность координатной характеристики в широком диапазоне энергий для получения хорошей угловой разрешающей способности телескопа. В конце главы 6 приведены некоторые наблюдательные данные, полученные при калибровке прибора от известных космических источников в процессе полета обсерватории "ГРАНАТ": телескоп может локализовать источники небесной сферы с погрешностью 1,5 угловые минуты с угловым разрешением не более 5 угловых минут.

Таким образом, построен прецизионный высокоинформативный прибор. Параметры телескопа АП-П сравнимы с ранее созданными приборами Х1?Т (Англия) и ТТМ (Голландия), кроме того,в АРТ-П расширена верхняя граница диапазона наблюдений для получения изображений до 60 кэВ, уменьшено мертвое время до 1 мс, используется бортовая память объеиаи 16 Шайт. Координатное разрешение детектора телескопа АРТ-П (0,6-0,8 мм на 5,9 кзВ) позволяет получать угловое разрешение 2,0 угловые минуты, ко из-за ограничений компоновки спутника "ГРАНАТ" в АРТ-П не удалось использовать эту возможность, создав более длинный чубус (до 3000 мм),как в телескопе КНТ.

ОСНОВНЫЕ АСТРОФИЗИЧЕСКИЕ К ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ОДНОГО МОДУЛЯ ТЕЛЕСКОПА АРТ-П

Чувствительность по потоку на уровне 5^за 1(/с

Энергетический диапазон для спектрометрии и временного анализа Энергетический диапазон для построения изображения

Энергетическое разрешение, не более

Координатное разрешение, мм

Поле зрения, (ГШ,0 Угловое разрешение, не более

'Г

(2-5) 10 фотон/ си с кзВ;

4-100 кэВ;

4- 60 кэБ; Ж на 5,8 кзВ; Ш на 59,6 кзВ; 0,8-0,9 на энергии 5,9 xsE:

Шгресность локализации источника, не Солее 1,5';

258x240 мм2;

Площадь входного окна детектора Эффективная площадь детектора на энергии 10 кэВ, не менее Мэргвое время телескопа при регистрации

I

600 СМ ;

рентгеновских квантов в зависимости

от типа и энергии события - заряженных частиц, не Солее Площадь маски Размер элемента маски Прозрачность маски (типа 1П?А) Расстояние между маской и детектором Входное окно Газовая смесь в ШТК Давление

Скорость фонового счета, не более

80-1000 мкс ;

50 »ЖС ;

344x328 шг ;

2 х 2 ш* ; 0,5 1

1320 мм ;

500 мкм, Ве ;

857.Хй+10иг+51 а>,

20 с;

1,5 атм;

3, В Н В О Д Ы

1. Проведен анализ существующих методик и структу; рентгеновских телескопов. Показано, что получение изображений небесной сферы в диапазоне более 10 кэВ возмогши только телескопами с теневой (модуляционной) методикой. Лучшие наблюдательные данные в ряду телескопов с теневой методикой имеют телескопы с кодированной апертурой, позволяющие в режиме трехосной стабилизации обсерватории локализовать источники и разрешить их относительно друг друга с минутной угловой точностью. Существенное преимущество таких телескопов -возможность регистрировать быстропротекакцие процессы изменений интенсивности источников и достаточно высокая чувствительность к потоку излучения.

К началу раОот над проектом и в ходе создания телескопа готовились и были осуществлены запуски лишь двух телескопов с кодированной апертурой ЖТ (Англия, 1985 г.) и ТТМ (Голландия -СССР, 1987 г.), работавших в диапазоне (2-30 кэВ) сравнительно короткое время и 51а круговой орбите. При анализе научно-технической информации выявлено, что разработка

отечественного телескопа с Солее высокой эффективностью регистрации излучения, расширенным до 100 кэВ диапазоном измерений с меньшим мертвым временем является проблемой актуальной, имеет определенный научный интерес и предполагает реиение многих методических, системных, схемных, информационных и конструкторско-технологических задач. Одна из этих вадач - построение координатно-чувствительного детектора с электронной системой сгема логической, координатной и энергетической информации с хорошей режекцией фона (менее 10 см*с'кзВ ), обеспечивающей координатное разрешение не Солее 0,8 ии, саатЕвтстЕуисре минутному угловому разрешению телескопа, более чувствительную поверхность (не менее 1000 о/'), малое мертвое время (менее 1 ко), широкое поле зрения.

2. Для построения надежной, экономичной, средней точности системы съема координатной информации, определявшей угловую рааревавдув способность телескопа, детально исследован метод съема на основе дискретной линии задержки, который в сравнения с другими способами выгоден в отношении аппаратных затрат, алгоритмической простоты поиска координаты, эксплуатационных и метрологических характеристик. Исследование было направлено на расширение диапазона измерений координат с одновременным расширением диапазона регистрируемых энергий, повышение быстродействия и дифференциальной нелинейности двумерной координатной характеристики системы, изучены взаимное влияние параметров линии и электрических параметров детектора.

Выявлена зависимость координатного разрешения как функция первичных параметров злеменгов линии задержки. Построены с помощью ЭШ графики этой зависимости для нескольких пар значений Ь, С элементов линии в зависимости от диапазона зарядов, поступающих в линию задержки.

3. Предложена методика построения системы съема координаты на основе дискретной линии, минимизирующая координатное разрешение. Показано, что при заданных геометрии МПК, диапазонах энергии и координат, известных предельных значениях шума предусилителей и параметров фильтра можно' найти

приемлемую пару значений индуктивности и емкости линии (Ц С) с учетом параметров МПК, обеспечивании заданное координатное разрешение. При этом необходимо при условии постоянной задержи одного звена линии выбирать большее значение индуктивности, а в качестве емкости использовать . паразитные емкости элементов МПК.

Разработанная методика использована для расчетов системы съема координат применительно к рентгеновскому телескопу, произведено моделирование на компьютере отклика линии без учета и с учетом параметров паразитных цепей детектора. Сделана оценка координатного разрешения системы для двух пар практически возможных значений Ь, С. Оценка сравнима разрешением сложной координатной системы телескопа ТТМ. Таким образом, правильный выбор индуктивности и емкости линии може" обеспечить требуемое координатное разрешение системы.

4. Разработана и испытана экспериментальная установка макетами детектора и системой съема координатной информации на линии задеркки, расчитанной на основе предлодаиной методики. Приведенные экспериментальные результаты подтверддают возможность использования методики поиска оптимальных параметров линии задержи. Макет испытан на малых, средних и больших анергиях (Б,9 кзВ, 29,6 кэВ, 59,9 кэВ) с помощью экспериментальной установки для 2-х направлений координат, Координатное разреиение детектора вместе с системой съема составило (0,8-0,3) км, 1,5 мм, 2,5 км соответственно на энергиях 5,9, 29,6, 59,9 кэВ для направления вдоль анодные проводников, что дало возможность разработать шрокодиапазонную систему съема координат с детектор;-, телескопа большой площади на основе простой, содержащей дискретные компоненты линии вместо сложных систем считывания, подобных примененной в телескопе ТТМ, когда разрешение О, Г) м«" достигается значительным усложнением аппаратной и программной частей' телескопа.

5. Разработаны сгруктурнан и функциональная ехнмк, алгоритм работы аппаратно-программного комплекса

астрономического рентгеновского телескопа АРТ-П, который в составе астрофизической обсерватории "ГРАНАТ", запутанной в декабре 1989 г. , позволил провести длительные наблюдения небесной сферы в рентгеновском диапазоне энергий. Телескоп с кодированной апертурой АРТ-П включает детектирующее устройство с модулируюцим экраном и координатно-чувствительным детектором, а также систему съема и обработки координатной, энегетической, логический и временной информации.

Телескоп, работая в 3-х экспозициях - "Энергетическая калибровка", "ЧЬток фотонов", "Изображение", дает возможность получать изображения участков небесной сферы в рентгеновских лучах, измерять энергетические спектры и временной ход интенсивности источников. Телескоп, благодаря бортовой кикроЭШ, адаптивен в управлении и по командам с Земли может изменять логику отбора событий, коэффициент газового усиления детектора, параметры системы стабилизации измерительных каналов, работать в режиме сжатия информации, в процессе набора корректировать измерительную информацию по данным звездного датчика, способен автоматически накапливать в течение суток наблюдений научную информацию объемом до 16 1йайг с периодически проводимой полетной калибровкой энергетических и координатных каналов.

б. Проведена наземная отработка и калибровка 4-х модулей телескопа АРТ-П от точечных источников излучения и параллельного пучка излучения на специальном стенде, а также полетная калибровка от известных космических источников. Результаты калибровок, особенно полетных, подтвердили правильность научно-технических решений, выбранных в процессе создания телескопа. Телескоп с чувствительной поверхностью 2400 см'строит изображение небесной сферы в диапазоне анергий от 4 до 60 кэВ, в поле зрения 1,8*х 1,8 "на половине высоты диаграммы направленности (РШВД, с угловым разрешением источников не более 5 угловых минут и точностью локализации источников не более 1,5 угловых минут. Прибор набирает энергетические спектры излучения в диапазоне энергий 4-100 кэВ с энергетическим'разрешением не хуже 20£ на энергии 5,9' кзВ и

147, £,4,6 игсга&однг йги-эренкз '¡гфксщй интенсивности

: с ^ялтасек/ллиш хрэмглэп у^Г'-.'Ппнием. Ресурс

¡•¿Зсгы гэлесксгз в ус-ог^лх г.о.:;;-.члс-.г:го прсетрпнстиа 0»с> с-'оны ргйопого гзаа в детекторе тг. г-н'-п одного года позволяет исследсгать злпчаголык» ши'?::?г,о 1:стг:П5:ппоа галшсгичесмой и глег аьгггкческол природы.

4. Л Я ТЕРЛТУРА

1. Гзяшга на кзоЗротег:;е N 43 '.341'Э Устройство для сгл-'а ::сордш!.згно^ .•/яогслросолочмой г.репарц^эиагьг.сЯ Ткй'/рею® Н. С.

2. Заявка ка ипобдегвнгэ М Устройство для нет координатной тгопроволочноз пропгргглжалкгаЗ )са!:?ри.

УиС.ург/7» И. С.

3. Сюкяъъ Р. Л. , Я'йурокко К. С., М 71 , Вабаяян Г, Г. , Дзхзнов II А., Твбавд -св С. ?. , йз.гсся Е. Л. , Сггоггаиов Г). 'Л , ^.{польсшй ЯМ. , /'Г'""''-''' В.К , Црстопгдол ЯД , "огроусин КБ., Игерзнбгрг Л. С. , Зкнько Д. Л. , Ултанко В. С

гагопрозолочпая прозд'ционаглна'? кзора для '.'одсскспа I' кодиров?ккой апертур ой (пстронокичэскап ебсоргаторкп "ГРАНАТ"', // Аппаратура и татоды ксследоганля кссъмч'ского пространства. !Ьд ред. 3. 11 ГдлеСалоаа - М.: Шута, 1930 - С. 171-181.

4. ».¡Суре кто II С. , Швлякский !.1 К , Ьг.балян Г. Г., Деханш: 31 Л. , Сетяяя Р. Л., Табалдыо?, С. Р. , йоркез Е. А. , Арямкин Л. и /смберсгдй В. И. , стктср Л В. Астрономический рентгеновский телескоп ' с кодированной апертурой. // Препринты института ¡¿статут космических исг."эдс?ак!1й ЛН СССР. - 1938 - Пр-143Ь 23 с.

5. Бедроссв В. Ц , Ксряев Е. Л. Шргрйа 0.51 , .Чат задоркси в гибрвдяо-- пленочном исполнении // Взесоюаикй се мина; •

"Црогктарсванде.. у. прогзтодотко ^икроэгекгроккте устройств Гсп- до«. ■ (¡¿¡¡иге. 19*3 - с.с1-е&.

6. Вха&%я.яы& К. Н., И.О., Д'^ггио;: А. ,

Г. Г., Слнябл Р. А . С, Р. , Корне* К. А

от 03.С3.90

/ Порю:; К. А.

ОТ ОЗ. СО. 90 1.

^^орьаци;; / Ксрзеп Е. А

Астроношчосккй рентгеновский техзскоп АРТ-П для ннэатшсфорной обсерватории "ГРАНАТ". Аппаратура и гятоды ксслгдзвйкий косютэсхого пространства / Шд ред. Балабанова EM. - U : Клуш, 1523 - С. 132-191.

7. Яьйурекю К. С. , Павлинскмй М. Е , БаОалян Г. Г. , Дохадов И. А. , Cms» Р. А. , Табапдыов С. Г. , Корнев Е. Л., Лряикмн Е IL , Дзмбврскяя Е. II , Сдакяор JLC. - Астрономический рентгеновский ■телескоп с коднроЕгназй апертурой. // IV Мэвдународный семинар "Научное кэсмичосшз приборостроение: Tee. до1,«. - Фрунзе,, 1932 - С. 61-62.

8. У. L Сшизв, Ямбурекко Н. С. , Павлине кий М. Н. , ЕаСаллн Г. Г. , Дэханов 1£ А., Тебалйивв С. Р. , Корнев Е. А. , Сероитавов Е U , й,тслг»ский С. й , П/стоваюв И tt , Штраусов Н. В. , Егорзиберг А, С., Зжшю А."А., Шэвчонко В. С. , ШогопроЕСлочмЕя пропорциональная камера для телескопа с кодированной апертурой. // IV Цэидуиародний семинар "Иаучноо коскичзсиоэ приборостроение. Тез. докл. - Сруисе, 1S58 - С. 62.

С. 1&югопрсьалачквя пропорциональная камера: Отчет о ЭД1Г/ Осойоэ конструкторское бзро Института космических исследований АН СССР КК N: 02. 88. 0011160, РК М 01.83.0032475. - Срукг,е, 1988. - 84 с.