Сцинтилляционные детекторы на основе кристалла CsI(TI) для исследования гамма-излучения и солнечных нейтронов в околоземном космическом пространстве тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.08 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА, ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И т о ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ > УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ М.В.ЛОМОНОСОВА

^ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ^ ИМЕНИ Д.В.СКОБЕЛЬЦЫНА

■чг-

На правах рукописи УДК 537.591.8

Богомолов Андрей Владимирович

СЦИНТИЛЛЯЦИОННЫЕ ДЕТЕКТОРЫ НА ОСНОВЕ КРИСТАЛЛА СэЦТ!) ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ И СОЛНЕЧНЫХ НЕЙТРОНОВ В ОКОЛОЗЕМНОМ КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

01.04.08 - физика и химия плазмы.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва, 1997 г.

Работа выполнена в Научно-исследовательском институте ядерной физики им. Д.В. Скобельцына Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук, профессор Юрий Иванович Логачев

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Горчаков Е.В. доктор физико-математических наук, профессор Гальпер А. М.

Ведущая организация:

Физический институт Российской академии наук

Защита состоится 1Ч1£>сЯ1997 года в -¿Г час.

на заседании диссертационного совета К053.05.24 в Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: Москва, Воробьевы горы, МГУ, НИИЯФ, 19 корпус.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИИЯФ МГУ.

Автореферат разослан (Р^^сЯ ¿ря 1997 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

д.ф.-м.н.

Фомин Ю.А.

Общая характеристика работы.

Цель работы. Настоящая работа посвящена разработке и исследованию методов разделения частиц различных сортов при регистрации их детекторами на основе С$1(Т1), подготовке и осуществлению эксперимента по регистрации нейтрального излучения в околоземном космическом пространстве при помощи неорганического сцинтилляционного детектора на основе Св1(Т1) и исследованию с его помощью потоков и спектров у-квантов и нейтронов в эксперименте на борту орбитальной станции "МИР".

Актуальность проблемы. Разработка и создание новых приборов, позволяющих регистрировать у-излучение в широком диапазоне энергий и нейтроны с Еп>20 МэВ в экспериментах, осуществляемых в околоземном ■сосмическом пространстве (ОКП), важны для исследований в области физики солнечных вспышек и физики околоземного космического пространства, а также Оля решения прикладных задач, связанных с радиационной обстановкой внутри сосмических аппаратов. Данные приборы позволят изучать механизмы ускорения шстиц в солнечных вспышках при помощи регистрации нейтрального юпышечного излучения, а также исследовать существующее в околоземном 1ространстве нейтронное и у-излучение различной природы. Информация о ютоках и спектрах у-квантов и нейтронов на спутниковых высотах в околоземном 1ространстве (как альбедных, источником которых служит атмосфера Земли, так 1 локальных, образовавшихся в веществе космических аппаратов и самих ютекторов под действием космических лучей), с одной стороны, нужна для >пределения фоновых условий при регистрации у-квантов и нейтронов, >бразовавшихся в солнечных вспышках, и с другой стороны, для анализа >адиационной обстановки в целях обеспечения радиационной безопасности 'кипажей пилотируемых космических аппаратов.

Поскольку комплексная регистрация у-квантов и нейтронов солнечных спышек представляет интерес при исследовании механизмов ускорения частиц солнечных вспышках, целесообразно создание приборов, способных егистрировать у-кванты и нейтроны одновременно, разделяя их между собой, (тметим, что используемые в настоящее время приборы, способные дновременно регистрировать у-кванты и энергичные нейтроны, имеют либо ольшие размеры и массу, что сильно затрудняет их использование в кспериментах на ИСЗ, либо малую эффективную площадь и большой уровень юна при регистрации нейтронов, вызванный у-квантами. Кроме того, эти риборы достаточно дороги, что в настоящее время весьма существенно.

Таким образом, создание новых, по возможности более компактных, легких недорогих приборов, обладающих способностью одновременно регистрировать излучение в широком диапазоне энергий и нейтроны с энергиями >20 МэВ, при гом разделяя эти два вида излучений, а также исследование с помощью этих эиборов энергичного нейтрального излучения под радиационными поясами змли (РПЗ) являются актуальной задачей.

Новизна работы.

1. Разработана и экспериментально проверена фосвич-схема для разделения нейтральных и заряженных частиц, работающая в широком диапазоне энергий от 50 кэВ до 50 МэВ. Введенный в схему учет амплитуды светового импульса в Сб1(Т1) позволил впервые увеличить энергетический диапазон работы фосвич-схемы с Емах/Ем;п -100-200, в схемах, использованных ранее, до более 1000.

2. При исследовании метода разделения у-квантов и тяжелых заряженных частиц по форме импульса в Сз1{Т1) впервые экспериментально продемонстрирована возможность разделения у-квантов и а-часгиц начиная с энергий Е,= 30 кэВ.

3. Впервые детектором на основе Сб1(Т1) осуществлена регистрация фоновых нейтронов в лабораторных условиях, что показывает возможность проверки работы детекторов на основе Сб1(Т1) от нейтронов с энергиями >20 МэВ без использования ускорителей.

4. Впервые для разделения событий в №1(Т1) и Сб1(Т1) при одновременном просмотре этих сцинтилляторов одним и тем же ФЭУ применен способ сравнения полного количества света, выделенного в сцинтилляторе до некоторого времени I и после него. Этот способ впервые позволил осуществить разделение событий в №1{Т1) и в Сб1(Т1) начиная с энергий у-квантов 5 кэВ (до сих пор нижняя граница разделения составляла > 50 кэВ).

5. На космической орбитальной станции "МИР" экспериментально измерены широтные зависимости потоков и спектров у-квантов с энергиями >0.15 МэВ и нейтронов с энергиями >20 МэВ.

6. По данным о вторичном гамма-излучении, образующемся под действием электронов в веществе орбитальной станции, в области Бразильской магнитной аномалии на 1.-1.8 зарегистрированы потоки электронов с энергиями в десятки МэВ величиной >3-103 м^с-'ср"', имеющих аномально жесткий спектр.

Научная и практическая ценность работы.

Результаты выполненных разработок и исследований в области методик разделения частиц различных сортов при регистрации их детекторами на основе Сб1(Т!) были использованы при разработке прибора НЕГА-1, предназначенного для исследования энергичного нейтрального излучения в эксперименте на космической орбитальной станции "МИР". Они также будут использованы при последующей модернизации этого прибора для международной космической станции "АЛЬФА". При помощи прибора НЕГА-1 были получены данные о у-излучении с энергией выше 0.15 МэВ и нейтронах с энергиями выше 20 МэВ на космической орбитальной станции "МИР", характеризующие фоновое нейтральное излучение на сверхтяжелых ИСЗ.

Результаты данной работы по определению потоков и спектров фонового у-и нейтронного излучения, существующего на станции "МИР", важны, в первую очередь, для контроля за радиационной безопасностью экипажей пилотируемых

эсмических аппаратов большой массы, а также при наблюдениях нейтронов и у-шнтов солнечных вспышек, при исследованиях космических источников у-злучения в данном или подобных экспериментах.

При разработке и исследовании методов разделения, использовавшихся эи создании прибора НЕГА-1, а также при подготовке и проведении ■ссперимента с данным прибором на борту станции "МИР" были получены педующие результаты, имеющие самостоятельное значение.

Реализованная в приборе НЕГА-1 фосвич-схема, позволяющая за счет юта амплитуды импульса в Сэ^Т!) отделять нейтральные частицы от заряженных широком диапазоне энергий от 50 кэВ до 50 МэВ, а также схема разделения эбытия в №!(Т1) и в Сз1(Т1) при просмотре этих сцинтилляторов одним и тем же >ЭУ, использующая сравнение количества света, выделенного за различные нтервалы времени, могут быть использованы при создании других приборов, хему разделения импульсов в №1(Т1) и в Сб1(Т1) планируется использовать в кспериментах на спутнике "КОРОНАС-Ф" и космической станции "Альфа".

Автором создан пакет программ первичной обработки, позволяющий перативно получать информацию о потоках частиц, регистрируемых комплексом аучной аппаратуры ТРИФ-1" в эксперименте на станции "МИР". После ростейшей модернизации этот пакет программ может быть использован для ервичной обработки и оперативного просмотра информации, получаемой в ругих спутниковых экспериментах и передаваемой на Землю по каналам РТС.

На защиту выносятся:

1. Методы разделения событий, вызваных частицами различных сортов, ри регистрации их неорганическими сцинтилляционными детекторами на основе :з1(Т1) по форме светового импульса:

способ автоматического разделения нейтральных и заряженных частиц в етекторах на основе кристалла Сз1(Т1), окруженного пластическим цинтиллятором, учитывающий амплитуду импульса в СбЦТ!) путем сравнения мплитуд светового импульса через несколько наносекунд и через ~0.5 мкс после го начала;

экспериментальное обоснование возможности разделения у-квантов и тяжелых аряженных частиц начиная с энергий Е,=30 кэВ, с использованием зависимости юрмы импульса в СвКИ) от средней ионизации регистрируемых частиц;

методика разделения событий в Ыа1(Т1) и в Св[(Т1), в спектрометрах у-злучения, собранных на основе комбинированных детекторов из №1(Т1) и Сэ1(Т1), росматриваемых одним ФЭУ, использующая сравнение количества света, ыделенного в различные интервалы времени.

2. Широтные зависимости потоков и спектров у-излучения с энергией выше .15 МэВ и нейтронов с энергиями выше 20 МэВ на космической орбитальной танции "МИР", полученные по данным прибора НЕГА-1.

3. Результаты исследования заряженных частиц в околоземном осмическом пространстве по вторичному у-излучению. Существование в области

Бразильской магнитной аномалии на 1.-1.8 повышенных потоков электронов ( энергиями в десятки МэВ,имеющих аномально жесткий спектр.

Апробация работы. Основные материалы диссерг *•■• -— обсуждались на Международной конференции по космическим лучам (Алма-Ата 1988), на Международном семинаре по научному космическому приборостроения (Фрунзе, 1989), на 1-м Российско-Американском рабочем совещании по проект; "Солнечный Зонд" (Москва, 1995), на 24 Международной конференции пс космическим лучам (Рим, 1995), на Международной конференции по космические, лучам (Москва, 1996), на 31 научной Ассамблее СОБРАЯ (Бирмингем: 1996), ; также на научных семинарах ОКИ и ОКФИ НИИЯФ МГУ и Ломоносовских чтениях.

Публикации. Основные результаты диссертации содержатся в 9 печатны) работах.

Структура и объем диссертации. Диссертация содержит введение четыре главы, заключение и список литературы, занимает объем 15<> страниц включая 53 рис., 8 таблиц и 174 библиографических ссылки.

Содержание диссертации.

Во введении к диссертации обосновываются актуальность и научна? новизна работы, указываются ее цели, рассматриваются научная и практическа> ценность работы и формулируются основные положения, выносимые автором не защиту.

В первой главе диссертации дан обзор литературных данных о у-излучении и нейтронах в околоземном космическом пространстве, проблек/ физики солнечных вспышек и физики околоземного пространства, которые можно решить благодаря исследованию энергичного нейтрального излучения, г также приборов и методов регистрации у-излучения и нейтронов.

Регистрация у-излучения и нейтронов в ОКП позволяет изучать явления, е которых они рождаются - прежде всего, ускорение частиц в солнечных вспышках а также процессы в радиационных поясах Земли и некоторые астрофизические явления. Помимо вспышечного и атмосферного нейтрального излучения, которое существует в ОКП, при проведении экспериментов на космических аппарата* возникают потоки локального излучения, которое образуется под действием космических лучей (КЛ) в веществе детекторов и космических аппаратов.

Нейтральное излучение имеет преимущество перед заряженными частицами в том, что оно не взаимодействует с магнитными полями и поэтом> сохраняет информацию о времени рождения и направлении на источник.

Регистрация нейтронов и у-квантов, образовавшихся во взаимодействиях ускоренных во вспышках на Солнце частиц позволит решить ряд вопросов, касающихся процессов ускорения во вспышках, таких, как темпы ускорения частиц, анизотропия ускоренных во вспышке частиц, максимальная энергия да которой они могут ускоряться, угловое распределение частиц в области

ускорения, позволяют оценить полное число ускоренных во вспышке протонов, а также форму спектра ускоренных ионов. При этом данные о спектрах ускоренных во вспышке частиц в области энергий в десятки МэВ могут быть получены наиболее просто путем регистрации нейтронов, поскольку при исследовании потоков протонов, ускоренных во вспышках, возникает необходимость учитывать их взаимодействия с межпланетными магнитными полями. Совокупность данных о частицах, присутствующих в области ускорения, полученных по y-излучению и нейтронам, и данных измерений заряженных частиц в ОКП позволяют судить о коэффициенте выхода ускоренных частиц из области ускорения в ОКП.

Одними из последних результатов исследования механизмов ускорения частиц на Солнце явилось обнаружение во время вспышек в июне 1991 г. приборами ГАММА-1, OSSE и EGRET у-излучения с энергиями до нескольких ГэВ, а также наблюдение вспышечного y-излучения с Ег >50 МэВ в течение ~8 часов.

Результаты прямой регистрации солнечных нейтронов, несмотря на их сравнительно небольшое число (всего 7 случаев прямой регистрации: 5 на спутнике SMM (прибор GRS) и 2 на обсерватории CGRO (прибор COMPTEL), позволили получить ряд новых данных об ускорительном процессе во вспышках, наиболее важным из которых представляется сделанный по результатам измерений детектором GRS на SMM во время вспышек 21.06.80 и 03.06.82 вывод о том, что во вспышках протоны и ионы могут ускоряться до энергий 1 ГэВ за время порядка минуты. Для каждого из имеющихся событий были рассчитаны общее число и форма спектра ускоренных протонов.

На основании анализа всей имеющейся совокупности данных по регистрации нейтрального излучения солнечных вспышек был сделан ряд важных выводов. В частности, все существующие вспышки стали разделять на два типа -импульсные, которым соответствуют высокие плотность плазмы и напряженность магнитного поля, и длительные, для которых данные величины более низкие В импульсных вспышках основную роль играет стохастическое ускорение, а для длительных вспышек главная роль принадлежит ускорению на ударных волнах.

Вместе с тем, изучение процессов ускорения частиц во вспышках на Солнце по сей день остается актуальной научной проблемой, так как до сих пор не существует законченных теоретических моделей, объясняющих быстрое ускорение частиц во вспышках от тепловых энергий до энергий в десятки ГэВ. Еще не решены вопросы о природе нескольких фаз ускорения частиц в солнечных вспышках, о локализации ускорительного процесса в солнечной атмосфере и некоторые другие проблемы. Все это указывает на необходимость разработки новых приборов и методов изучения y-излучения и нейтронов в ОКП.

Естественно, что для успешной регистрации нейтронов и у-квантов солнечных вспышек необходима подробная информация о фоновых условиях, существующих при регистрации вспышечных частиц, то есть о потоках и спектрах атмосферных и локальных нейтронов и у-квантов.

Весь круг научных проблем, связанных с регистрацией нейтрального излучения можно разделить на три класса: задачи, при решении которых наиболее важны ^направленность детектора; 2)его спектрометрические свойства и 3)его эффективная площадь. Для таких задач, как регистрация потоков у-излучения и нейтронов солнечных вспышек, потоков нейтрального излучения на спутниковых орбитах и внугри станции, у-всплесков и т.п. (относящихся к 3-ему классу), целесообразно использовать сцинтилляционные детекторы на основе неорганических кристаллов. Кристалл С51(Т1) обладает как хорошей эффективностью, так и наиболее выраженной зависимостью формы сцинтилляционного импульса от средней ионизации регистрируемой частицы, что дает возможность осуществить разделение нейтронов и у-квантов. Энергетическое разрешение СбКТ!) на уровне около 10% позволяет производить оценку формы спектра у-излучения и регистрацию основных у-линий от солнечных вспышек, хотя вопрос об улучшении энергетического разрешения в детекторах на основе Сб1(Т!) остается актуальным.

Условия космического эксперимента указывают ,на целесообразность использования небольших по размерам и массе и не очень сложных приборов, одновременно регистрирующих различные типы излучений, разделяемые автоматически внутри прибора.

Во второй главе описан ряд методических разработок по разделению частиц различных сортов при регистрации их детекторами, собранными на основе сцинтилляционного кристалла СбКП).

При регистрации нейтрального излучения сцинтилляционными детекторами прежде всего требуется исключить регистрацию заряженных частиц. Для этого основной кристалл окружается со всех сторон органическим сцинтиллятором, в котором эффективно взаимодействуют только заряженные частицы. Для уменьшения размеров, массы и сложности приборов, предназначенных для космических экспериментов, целесообразно просматривать оба сцинтиллятора одной и той же системой ФЭУ, однако для этого требуется эффективная схема разделения событий по форме сцинтилляционного импульса.

Принцип работы большинства фосвич-схем заключается в формиро вании короткого сигнала, пропорционального амплитуде светового импульса в первые несколько наносекунд (это соответствует длительности вспышки в пластическом сцинтилляторе). Из-за того, что вспышка в Сб1(Т1) имеет гораздо большую длительность (две компоненты с характерными временами 0.5 и 7 мкс), формируемый сигнал будет иметь значигельную амплитуду только при наличии вспышки в пластическом сцинтилляторе. Далее, как правило, этот сигнал подается на пороговый дискриминатор, вырабатывающий импульс запрета. Однако диапазон работы такой схемы ограничивается тем, что в Сз1(Т1) все же образуется некоторое количество света, и для импульсов в СвЦТ!) с большой амплитудой сигнал запрета будет вырабатываться.

В данной работе предложен новый принцип фосвич-схемы, позволяющий значительно расширить диапазон ее работы, учитывая световыделение в кристалле Сз1(Т1). Для этого короткий сигнал сравнивается не с пороговым уровнем, а с сигналом, пропорциональным количеству света в Сз1(Т1), в данном случае, с амплитудой импульса через -0.5 мкс после его начала.

Электронная схема, реализующая описанный выше принцип, состоит из двух основных трактов. Сигнал, снятый с анода, используется для формирования короткого импульса, пропорционального количеству света, выделенному в пластическом сцинтилляторе. Затем сигнал усиливается и задерживается на время 0.5 мкс., необходимое для достаточного нарастания импульса в Сз1(Т1). Сигнал, снятый с последнего динода, используется без изменения формы в качестве импульса, амплитуда которого пропорциональна количеству света в СбЦТ!). Оба импульса (короткий отрицательный и длинный положительный) подаются на цепь смешивания - систему из двух резисторов, выбором сопротивления которых можно подобрать пропорции смешиваемых сигналов. Схема настраивается таким образом, чтобы в случае выделения света только в Сз1(Т1) амплитуды смешиваемых импульсов были приближенно равны. Тогда добавка к короткому импульсу, обусловленная наличием дополнительного света в пластическом сцинтилляторе, приведет к появлению некоторого отрицательного импульса на выходе цепи смешивания. Этот выброс поступает на вход дискриминатора, срабатывающего от отрицательного сигнала. При наличии выброса (и только в этом случае) дискриминатор выработает сигнал запрета, означающий приход заряженной частицы.

Фосвич-схема была проверена в широком диапазоне энергий от 50 кэВ до >50 МэВ от радиоактивных источников и от мюонов космических лучей. Эффективность ее работы по самым грубым оценкам составила более 98%. Введенный в схему учет амплитуды светового импульса в Сз1(Т1) позволил впервые увеличить энергетический диапазон работы фосвич-схемы с Енах/Емст -100-200, в схемах, использованных ранее, до более 1000.

Для уменьшения фона при регистрации нейтронов, образовавшихся как во вспышках на Солнце, так и в атмосфере Земли помимо исключения заряженных частиц необходимо отделить нейтроны от у-излучения, как вспышечного и альбедного, так и локального происхождения, рождающегося под действием космических лучей в веществе космического аппарата.

Нейтроны взаимодействуют в СвКТ!) с образованием тяжелых заряженных частиц (в-основном, протонов, дейтронов и а-частиц), а у-кванты - с образованием электронов. Поэтому в детекторах на основе Сэ1(Т1) разделение п и у-квантов возможно благодаря существующей у Сз1(Т1) зависимости отношения количества света, выделенного в основных компонентах сцинтилляционной вспышки (с характерными временами 0.5 и 7 мкс), от средней ионизации частицы.

Одним из самых простых способов анализа формы импульса является сравнение количества света, выделенного до и после некоторого момента

времени I. Именно таким способом были проведены исследования возможности идентификации нейтронов на интенсивном фоне у-квантов в НИИЯФ МГУ (под руководством Рюмина С.П.) на ускорителе в ИФВЭ для энергий вторичных частиц >7 МэВ. Однако разделение событий в этих работах было осуществлено на стадии компьютерной обработки, тогда как в условиях космического эксперимента разделение нейтронов и у-квантов должно осуществляться автоматически. Реализация автоматического разделения нейтронов и у-квантов для космических экспериментов этим методом исследуется в данной работе.

В схеме разделения нейтронов и у-квантов сигнал с последнего динода ФЭУ используется для формирования двух импульсов, амплитуда одного из которых (Аб) пропорциональна полному количеству света, собранному до некоторого момента времени I после начала импульса (N1.5 мкс), а другого (Ам) - за последующие ~7 мкс. Эти интервалы времени формируются логическими схемами, сигналы с которых служат для управления ключами, ответственными за сбор и хранение амплитуд. Оба импульса поступают на компаратор, осуществляющий их постоянное сравнение. Коэффициенты усиления сигналов подобраны так, чтобы в случае прихода нейтрона больше была амплитуда быстрой компоненты (Аб,) а для у-кванта - амплитуда медленной компоненты (Ам)- Тогда на выходе компаратора после формирова-ния сигналов высокий уровень будет наблюдаться только для нейтронов.

Исследование работы схемы разделения нейтронов и у-квантов производилась с помощью аппаратуры КАМАК, подключенной к ЭВМ. Для каждого импульса амплитудными анализаторами измерялись амплитуды Аб и Ам . Помимо этих амплитуд для каждого импульса в ЭВМ записывалось состояние компаратора. Проверка производилась с а-источником 239Ри. (энергия а-частиц 5.15 МэВ). Между источником и Сэ!(Т1) находился тонкий слой фольги для получения а-частиц с энергиями <5.15 МэВ. По результатам измерений строились двумерные диаграммы, по осям которых отложены амплитуды Аб и Ам, а также их сечения при постоянных значениях энергии, измеренной по Ае . Помимо измерений с радиоактивными источниками для определения точного порогового значения Аб/Ам использовалась имитация событий с помощью генератора.

Для количественной оценки качества разделения и использовался безразмерный параметр ^=((АБу/Аму)-(АБа/Ама))/(<зу+са), где Абу, А^а, Аму и Ама -значения амплитуд быстрой (Б) и медленной (М) компонент для событий, определенных схемой как у-кванты (у) и тяжелые заряженные частицы (а), а сгу и са - полуширины распределений для событий, интерпретированных как гамма-кванты и альфа-частицы, соответственно. При Аьуг=АБа=сопз1 измерялись Аму , Ама ,сгу, ста , и по ним вычислялся параметр разделения

В предположении, что основная доля событий в лабораторных условиях вызвана у-квантами (нейтронов мало, заряженные частицы исключались фосвич-схемой) по относительным скоростям счета нейтронов и у-квантов были сделаны оценки, показывающие, что в области энерговыделений, соответствующих

фодуктам ядерных реакций нейтронов в Csl(TI) (Е~5 МэВ) схемой исключаются ie менее 95% у-квантов.

Проверка работы схемы была проведена как для диапазона энергий фодуктов ядерных реакций нейтронов (энергии частиц более нескольких МэВ), ак и для меньших энергий. Вопрос о нижней границе разделения у-квантов и яжелых заряженных частиц по форме сцинтилляции в Csl(TI) важен для оценки юзможности регистрации нейтронов детектором на основе Csl(TI) не только по шряженным продуктам их ядерных реакций, но и по ядрам отдачи Cs и I. По 1итературным данным, ядро отдачи от нейтрона с энергией 100 МэВ может дать экую же сцинтилляцию в Csl(TI), как и у-квант с энергией «100-200 кэВ (с учетом шконов сохранения и различия в световыходах частиц).

Нижняя граница диапазона работы исследуемой методики разделения нейтронов и у-квантов обусловлена флуктуациями числа фотонов. Для ее установления был проведен отдельный эксперимент, в котором использовалась га же схема разделения, настроенная для работы в области энергий десятки-зотни кэВ, а в качестве датчика использовался кристалл Csl(TI) малых размеров в фабричной упаковке с просверленным в ней отверстием для а-источника. В этом эксперименте впервые было доказано, что методика раз деления нейтронов и у-■свантов, основанная на сравнении количества света в Csl(TI), собранного за эазное время в течение импульса, может использовать ся для разделения у-<вантов и тяжелых заряженных частиц начиная с 30 кэВ. Вопрос о верхней границе применимости данного метода исследовался в упомянутых выше экспериментах на ускорителе в ИФВЭ, где было получено, что в космических и наземных экспериментах она составляет 100 и 150 МэВ, соответственно.

В рамках исследования методики автоматического разделения нейтронов и у-квантов также была проведено определение оптимального времени t конца сбора быстрой компоненты. В отдельном эксперименте кристаллом Csl(TI) размером 08см-8см регистрировались частицы от радиоактивных источников 207Bi (у-кванты с энергиями 0.57 МэВ и 1.064 МэВ), 60Со (у-линии 1.17 МэВ и 1.33 МэВ) и 239Ри (а-частицы с энергией 5.15 МэВ). Для замедления а-частиц до энергий -1.25 МэВ между а-источником и кристаллом была установлена тонкая майоларовая фольга. Измерения проводились описанной выше схемой для восьми различных t-i, лежащих в диапазоне 0.7-4.0 мкс, и трех различных значениий энергии: 0.57 МэВ (207Bi ), 1.064 МэВ (207Bi ) и 1.25 МэВ (средняя между линиями 60Со). Оценка качества разделения проводилась с помощью описанного выше параметра а также по разности и отношению медленных компонент для у-квантов и альфа-частиц и по энергетическому разрешению в медленной компоненте. Наилучшее качество разделения (максимальное значение £) было достигнуто при t=1.25 мкс. Вместе с тем, в условиях спутниковых экспериментов, где трудно осуществить стабильную настройку схемы, целесообразно выбирать t-2.0-3.0 мкс, так как при таких t значение Ам/Аб близко к максимальному, а параметр разделения Е, уменьшается не более, чем на 17%.

Для проверки метода разделения нейтронов и у-квантов путем сравнения количества света, собранного за дза различных интервала времени, с использованием описанной выше схемы была осуществлена регистрация фоновых нейтронов, (рождающихся в ядерных взаимодействиях космических лучей с атмосферой Земли) с энергиями >20 МэВ детектором на основе Сб1(Т1) в лабораторных условиях. Следует отметить, что регистрация атмосферных нейтронов с помощью детектора на основе Сэ1(Т1) в лабораторных условиях до настоящего времени не производилась. Это связано с тем, что поток нейтронов с Еп>20 МэВ на уровне моря по данным экспериментальных измерений и теоретических расчетов составляет всего около 10~3 см~2.с"1, тогда как интегральный поток у-квантов с энергией Еу>5 МэВ равен ~1,5-10"1см"2.с-1. Кроме того, эффективность регистрации нейтронов таких энергий Сб1(Т)) толщиной 10 см составляет менее 10 %, а эффективность регистрации у-квантов в несколько раз выше.

Детектором нейтронов в эксперименте служил кристалл Сэ1(Т1) толщиной и диаметром 10 см, окруженный пластическим сцинтиллятором для исключения заряженных частиц. Была использована фосвич-схема, предложенная в диссертации. Амплитуда импульсов, пропорциональных количеству света, выделенному за первые 1.2 мкс и за последующие 7 мкс, измерялась 256-канальным амплитудным анализатором, выполненным в стандарте КАМАК и подключенным к 1ВМ РС АТ-286. Для калибровки по энергиям использовался радиоактивный источник 60со, имеющий у-линии с энергиями 1,17 и 1,33 МэВ, а также форма спектра фонового у-излучения в лаборатории.

В ходе эксперимента за время ~19,5 ч было набрано 3-10^ событий с энергиями >0.5 МэВ. На диаграмме зависимости Ам от Аб под прямой линией, содержащей основную часть событий (у-кзанты) на равномерном фоне случайны* совпадений импульсов наблюдается еще одна линия, гораздо менее яркая пс сравнению с линией гамма-квантов. Отношение Ам/Аб для событий на этой линии составляет 0,65+0,05 от отношения Ам/Аб для у-квантов, что соответствует средней ионизации -30-40 МэВсм^г', которую имеют протоны с энергией 8-12 МэВ. Так как заряженные частицы, падающие на детектор, исключались фосвич-схемой, эти события интерпретировались как продукты ядерных реакций нейтронов с СэЦТ1). Энергия событий в этой полосе >5 МэВ, что согласуется с энергетическим диапазоном заряженных частиц, рождающихся в ядерны> взаимодействиях нейтронов с Св1(Т1).

Сечения диаграммы, построенные для трех интервалов энергий 5-7, 7-10 и 10-13 МэВ, демонстрируют, что скорость счета у-излучения с энергией Еу>5 МэЕ при регистрации нейтронов может быть подавлена схемой более, чем в 50 ра; (Для событий с энергиями 5-7 МэВ в максимуме, соответствующем у-квантам, N-1000 имп, а в максимуме, соответствующем нейтронам, N-20 имп).

Оценка величины потока зарегистрированных нами нейтронов не противоречит литературным данным. С учетом фоновых случайных событий

(около 70% от всех событий в интересующей нас области) число нейтронов, провзаимодействовавших в кристалле СбЦТ!) с образованием заряженных частиц в диапазоне 5-13 МэВ, равно 850±150. Такое количество событий может наблюдаться когда интегральный поток нейтронов с энергиями Еп>20 МэВ примерно равен (1,3±0,3)Ю~3 см'2-с-1 при условии, что форма их спектра соответствует имеющимся литературным данным.

Методика разделения событий в сцинтилляционных детекторах путем сравнения количества света, выделенного за различные интервалы времени была предложена и экспериментально исследована для разделения событий в Ма1(Т1) и Сб1(Т1) при одновременном просмотре этих сцинтилляторов одним и том же ФЭУ. Применение комбинированного детектора из тонкого №1(Т1) и стоящего за ним Сй1(Т1) позволяет сочетать наилучшее среди неорганических сцинтилляторов энергетическое разрешение №1(Т1) для фотонов малых энергий и большую эффективность Св1(Т1) для фотонов больших энергий, а также исключить для событий в №1(Т1) фон, со стороны станции и придать прибору направленность.

Время высвечивания №1(Т1) составляет »0.25 ¡.¡сек, световой импульс в Сб1(Т1), как было сказано, имеет 2 основные компоненты с временами 0.5 и 7.0 мкс. Для проверки метода была использована та же схема, что и для разделения нейтронов и у-квантов, с измененным временем I сбора первого импульса, равным 0.5 мкс. Проверка осуществлялась для двух вариантов детектора. Первый вариант соответствует идеальному случаю, когда весь испускаемый кристаллом №1(Т1) свет попадает на фотокатод ФЭУ. В этом варианте использовались два отдельных кристалла Ыа1(Т1) и Сб1(Т1) диаметром 30 мм и толщиной 15 мм, расположенных рядом. Второй вариант сцинтиллятора соответствует №1(Т1) (0200 мм, И=4 мм ) и расположенному за ним Сб1(Т1) (0200 мм, И=100 мм), в котором поглощается достаточно большая часть света, испущенного Ма1(Т1).

Двумерные диаграммы зависимости Ам от А& и их сечения показали возможность разделения событий, обусловленных взаимодействиями у-квантов в №1(Т1) и в СбЦТ!), начиная уже с амплитуд импульсов в №1(Т1), соответствующих энергии у-квантов Е=5 кэВ для идеального варианта и с 15 кэВ для второго варианта, и вплоть до энергий более 3 МэВ. Принципиальных ограничений метода в области больших энергий нет.

Для численных оценок эффективности разделения использовалась величина Э, равная разности средних значений Ам для №1(Т1) и Сэ1(Т1) при одной и той же величине А^, деленная на значение стандартного отклонения а. При вычислении а по Сэ1(Т1) эта величина позволяет по таблицам нормального распределения определить долю событий в Ся1(Т1), зарегистрированных как Ыа1(Т1), и наоборот. Именно эта величина была использована для сравнения исследуемой схемы с другими методами, в частности, с "методом пересечения нуля", использованным в приборе ОББЕ на обсерватории СвВО. Для энергии 122 кэВ величина Б в приборе ОББЕ составила 3.9, а исследуемый метод позволяет достичь 5=3.9 уже при энергии 20 кэВ. События в №1(Т1) и в Сб!(Т1) в приборе

ОББЕ разделялись начиная с 60 кэВ, эффективность разделения при этой энергии составляла всего 69%. Предложенный нами метод дает возможность разделения №1(Т1) и СбЦТ!) при энергии 60 кэВ с эффективностью более 99.8%.

В третьей главе приведено описание задач, процесса подготовки и условий проведения эксперимента при помощи комплекса научной аппаратуры ТРИФ-1" на борту орбитальной станции "МИР". Представлены результаты наземных испытаний сцинтилляционного детектора НЕГА-1, собранного на основе Сб1(Т1), дано описание разработанного автором пакета программ, позволяющего осуществлять первичную обработку и оперативный анализ информации, получаемой в данном эксперименте.

Начиная с 5 октября 1995 г. на модуле "Спектр" орбитальной станции "МИР" (средняя высота -400 км, наклонение орбиты 51°, период обращения -90 мин) проводится эксперимент с комплексом научной аппаратуры "ГРИФ-1". Эксперимент "ГРИФ-Г является многоцелевым по направлениям исследований и комплексным по составу аппаратуры. Задачи эксперимента охватывают изучение высокоэнергичного нейтрального излучения солнечных вспышек, исследование пространственных распределений и вариаций потоков гамма-излучения, нейтронов и заряженных частиц в околоземном космическом пространстве, астрофизические наблюдения.

С точки зрения исследования у-излучения и нейтронов наибольший интерес представляет прибор НЕГА-1 - всенаправленный сцинтилляционный спектрометр у-излучения и нейтронов высоких энергий. Прибор содержит 4 идентичных детекторных блока. Каждый блок собран на основе кристалла Сз1(Т1) (010 см, И=10 см), помещенного в "антисовпадательный" колпак из пластмассового сцинтиллятора. Прибор предназначен для исследования нейтрального излучения солнечных вспышек, а также временных и пространственных характеристик у-излучения и нейтронов в околоземном космическом пространстве. Основные параметры прибора: энергетический диапазон у-квантов ДЕ,=0.05-50 МэВ, нейтронов ДЕП>20 МэВ, эффективные площади при регистрации у-квантов £>,-250 см2, нейтронов - 5„~20 см2.

Измерение потоков регистрируемых у-квантов в приборе НЕГА-1 осуществляется в 6 энергетических диапазонах 0.05-0.15, 0.15-0.5, 0.5-1.5, 1.5-5, 5-15 и >15 МэВ. Для определения энергетического интервала служит система пороговых дискриминаторов и следующих за ними схем антисовпадения (АС). На этом же этапе организовано исключение регистрации заряженных частиц, для этого на схемы АС поступает сигнал запрета с фосвич-схемы. В приборе использована фосвич-схема, описанная выше.

На втором этапе из всех нейтральных событий выделяются события, вызванные нейтронами, в тех каналах, где их можно ожидать, а именно в энергетических каналах 5-15 МэВ и >15 МэВ (регистрация нейтронов по заряженным продуктам ядерных реакций), а также 0.05-0.15 и 0.15-0.5 МэВ (регистрация нейтронов по ядрам отдачи Сб и I в упругих взаимодействиях). В

приборе использовалась схема разделения нейтронов и у-квантов, также описанная выше.

В блоке электроники на первом этапе обеспечивается логическое суммирование сигналов от всех блоков детектирования, затем после предварительного пересчета на системе триггеров (там, где это необходимо) импульсы поступают на счетчики (цифровые либо аналоговые, либо и цифровые, и аналоговые). С выхода счетчиков информация о скоростях счета поступает на телеметрию по следующим каналам: нейтральные частицы, б каналов: 0.05-0.15, 0.15-0.5, 0.5-1.5, 1.5-5, 5-15 и 15-50 МэВ, нейтроны, 4 канала: 0.05-0.15, 0.15-0.5, 5-15 и 15-50 МэВ, сумма заряженных частиц (срабатываний фосвич-схемы) и сумма нейтронов (срабатываний схемы разделения нейтронов и у-квантов). Частота опроса параметров 1 раз в 5.12 с.

Работу с прибором НЕГА-1 до проведения эксперимента на ОКС "МИР" условно можно разделить на два этапа. Первый из них заключался в оптимальной настройке прибора с одновременной отработкой методики регистрации частиц. На втором этапе были измерены окончательные характеристики отдельных блоков и прибора в целом и проведена проверка работы прибора от потоков реальных частиц (радиоактивных источников и фона в лаборатории). Предварительно были проведены исследования стабильности работы основных схем при изменении температуры от 0 до 40°.

Помимо прибора НЕГА-1 аппаратура включает в себя еще три прибора:

Направленный сцинтилляционный спектрометр жесткого рентгеновского и y-излучения РХ-2 (диапазон энергий регистрируемых фотонов ДЕГ=10-300 кэВ, эффективная площадь S~300 см2, поле зрения Г2=1 ср). Прибор предназначен в основном для астрофизических наблюдений, включая патруль вспышечной активности Солнца.

Спектрометр заряженных частиц ФОН-1 (ДЕе=40-500 кэВ, AEP=1-3 МэВ) с большим геометрическим фактором Г-80 см2ср. Прибор предназначен для измерений потоков заряженных частиц малой интенсивности вне РПЗ.

Спектрометр заряженных частиц ФОН-2 (дЕе=0.04-1.5 МэВ, ДЕр=2-200 МэВ) с малым геометрическим фактором Г-0.5 см2ср. Прибор предназначен для измерений больших потоков заряженных частиц в радиационных поясах.

В процессе подготовки эксперимента был создан пакет программ для предварительной обработки и оперативного просмотра информации, получен ной в эксперименте ТРИФ-1" с целью оперативного анализа радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве, для контролирования работы отдельных блоков и приборов в течение эксперимента, а также для систематизации всей информации, получаемой в эксперименте и преобразования ее в форму, удобную для хранения и вторичной обработки.

На первом этапе работы первичная информация с приборов преобразуется из уровней напряжения (выдаваемых в ЦУП) в скорости счета. Так как данные о географическом положении и ориентации станции поступают, как правило,

Kl

позднее научной информации с комплекса "ГРИФ-1", в пакет включена программа оперативного просмотра файлов, содержащих только скорости счета и бортовое время.

Вместе с тем, формат информации для хранения должен включать также информацию об ориентации станции и магнитных координатах. Магнитные координаты вычисляются стандартной программой, использующейся в НИИЯФ МГУ, на основе модели магнитного поля образца 1990 года. Затем осуществляется привязка географических и магнитных координат к каждому кадру информации с приборов методом линейной интерполяции. Эти файлы хранятся в архивированном виде, во всех последующих программах предусмотрена предварительная разархивация файлов. При включении файла в архив данных информация о нем записывается в специальный файл справок, через который организована работа программы выделения информации за определенный промежуток времени в отдельный файл.

Серия программ для оперативного просмотра включает программу для построения любой комбинации параметров и координат в зависимости от времени, программу для построения географических карт интенсивности любого параметра и программу для построения диаграмм зависимости интенсивности любого параметра от L и В. Программы для просмотра могут быть использованы также при работе со вторичной информацией.

В четвертой главе описаны результаты эксперимента по регистрации энергичного нейтрального излучения под РПЗ, полученные при помощи прибора НЕГА-1 в эксперименте на орбитальной станции "МИР", приводятся широтные зависимости потоков и спектров у-квантов с энергиями >0.15 МэВ и нейтронов с энергиями >20 МэВ по данным этого эксперимента, показана возможность исследования временных и пространственных характеристик потоков существующих в околоземном космическом пространстве электронов различных энергий косвенными методами путем регистрации их тормозного излучения, обсуждается природа регистрируемого нейтрального излучения, описаны результаты исследования возможностей прибора НЕГА-1 по регистрации нейтронов солнечных вспышек.

Временной ход скоростей счета в каналах прибора НЕГА-1 можно представить как суперпозицию широтного хода, обусловленного регистрацией у-излучения, образующегося при взаимодействии космических лучей с веществом прибора и орбитальной станции и дополнительного возрастания счета у-квантов при пересечении станцией зоны захваченной радиации. Фон y-излучения по данным прибора НЕГА-1 в несколько раз выше по сравнению с данными других приборов (GRS, OSSE, СОНГ). Это вызвано тем, что основной вклад в скорости счета у-квантов прибора НЕГА-1 вносит у-излучение, образующееся при взаимодействии К/1 с окружающим веществом, а прибор НЕГА-1 установлен на орбитальном комплексе "МИР", масса которого превышает сто тонн, и при этом находится внутри одного из модулей комплекса.

Широтный ход скоростей счета прибора НЕГА-1 в каналах >5 МэВ заметно больше широтного хода в каналах <5 МэВ (для <5 МэВ широтный ход составляет -3, а для >5 МэВ - -5.5). Такое различие можно объяснить следующим образом. Прибор НЕГА-1 регистрирует у-излучение различной природы. Локальное у-излучение непосредственно связано с взаимодействиями космических лучей с веществом станции, поэтому оно имеет широтный ход. Индуцированное у-излучение связано с образованием в детекторе изотопов с временами жизни, значительно большими, чем период обращения станции, поэтому широтного хода не имеет. Поскольку долгоживущих радиоактивных изотопов, излучающих фотоны с энергией >5 МэВ нот, этот вид у-излучения не наблюдается в каналах >5 МэВ. Сразу после пересечения зон внутреннего радиационного пояса наблюдается также компонента наведенного у-излучения в каналах <5 МэВ, имеющая характерное время спада -25 мин. Эта компонента, наблюдавшаяся также о других экспериментах, связана с распадом ядер образовавшихся при

взаимодействиях протонов радиационного пояса Земли и КЛ с Сэ1{Т1).

Доли локального и индуцированного излучения на станции "МИР" были оценены из сравнения скоростей счета в каналах излучения <5 МэВ и >5 МэВ в предположении, что широтный ход локального излучения не зависит от энергии, а широтный ход индуцированного излучения отсутствует. Индуцированное излучение в энергетических каналах 0.15-0.5, 0.5-1.5 и 1.5-5 МэВ составляет в среднем около 62%, 56% и 44% от всего у-излучения на экваторе и 21%, 16% и 10% на й=2.5 ГВ, соответственно.

После учета вклада индуцированного излучения были получены широтные зависимости локального у-излучения на станции "МИР" для 1=1=2-16 ГВ, затем было проведено восстановление спектров у-излучения, которое осуществлялось при помощи имевшейся в нашем распоряжении функции отклика прибора НЕГА-1 на моноэнергетические потоки у-квантов.

Полученная форма спектра у-квантов с энергиями >150 кэВ может быть описана степенной зависимостью вида сШ/с1Е=А. Е~а, при этом А изменяется от 1.1 ±0.2 до 5.5+0.6, то есть полученный широтный ход в среднем равен к 5, а показатель степени а составляет 1.01±0.09 независимо от широты. Широтный ход потока у-квантов в указанном диапазоне жесткостей аппроксимируется степенной зависимостью с показателем степени 1.04±0.16. Таким образом, данные по измерению потоков и спектров локального излучения на модуле "СПЕКТР" орбитальной станции "МИР" на разных широтах могут быть представлены в следующем виде:

ЬМ/с1Е(Е,В)=(15.5+О.8).В'(104-о-16)Е-<1О1'00Э)

Полученные результаты не противоречат данным других экспериментов. В пределах ошибок широтные зависимости показатели спектра у-излучения, полученные на орбитальной станции "МИР" прибором НЕГА-1 достаточно близки с данными аналогичных экспериментов с приборами СОНГ на ИСЗ "КОРОНАС-И" и НЕГА на ОК "Салют-7" - "Космос-1686". При этом прибором НЕГА был получен

более мягкий спектр, т.к. не было учтено влияние индуцированного у-излучения Широтные зависимости потока у-излучения имеют одинаковую форму (по данным прибора СОНГ поток у-излучения в диапазоне R>2 ГВ аппроксимируется степенной зависимостью с показателем степени 0.9±0.1, а по данным прибора НЕГА - аналогичной зависимостью с показателем 0.8±0.12), но величина потока по данным прибора НЕГА-1 значительно выше, что связано с большей массой космической станции. Измеренные нами широтные зависимости и форма спектра гамма-излучения также удовлетворительно согласуются с данными экспериментов на легких ИСЗ и высотных аэростатах, а поток гамма-излучения, измеренный на станции "МИР" превышает величины, полученные в этих экспериментах. Так, форма широтной зависимости потоков у-излучения согласуется с данными прибора GRS, согласно которым скорость счета у-квантов в интервале энерговыделений 25-100 МэВ зависит от пороговой геомагнитной жесткости обрезания места измерения R как «1/R, а также с данными измерений на спутнике "Космос-461", где аналогичная зависимость для потока у-квантов с энергиями >80 МэВ при R>4 ГВ аппроксимируется степенной функцией с показателем 1.13±0.06.

Наряду с локальным и индуцированным излучением существует у-излучение, связанное с зонами захваченной радиации. Одна из компонент такого y-излучения наблюдается при прохождении внутреннего радиационного пояса. На фоне области повышенного счета во всех каналах у-квантов существует область (L~1.8), в которой превышение потоков y-излучения над уровнем широтного хода особенно отчетливо проявляется в каналах регистрации у-квантов с энергиями 515 и >15 МэВ. Это свидетельствует о гораздо более жестком спектре у-квантов в этой области по сравнению с, измеренными на других участках траектории станции.

Географическое положение области повышеного (по сравнению с широтной зависимостью) счета (на уровне ~103 с-') у-квантов с энергиями >15 МэВ (L = 1.1-2.2, В < 0.28 Гс) хорошо совпадает с областью значимых потоков электронов с энергиями (Ее-0.3-1.5 МэВ), измеренных прибором ФОН-2 аппаратуры "ГРИФ-1" и значительно шире области локализации протонов с энергиями >100 МэВ, которые могли бы быть ответственны за образование у-квантов посредством рождения я°-мезонов (с последующим их распадом на 2 у-кванта). Повышенный счет в каналах регистрации у-квантов может быть обусловлен регистрацией тормозного излучения энергичных электронов. Так как подобный эффект наблюдается в том числе для у-квантов с энергиями >15 МэВ, это может служить указанием на то, что во внутреннем радиационном поясе Земли существуют электроны с энергиями вплоть до нескольких десятков МэВ.

Поскольку прибором НЕГА-1 в области L=1.8 наблюдаются повышенные потоки у-квантов с Е=15-50 МэВ до 350 м^с-'ср^МэВ"', оценки интегрального потока электронов с энергиями >15 МэВ, которые могут вызвать у-кванты с энергиями >15 МэВ в области с L-1.8, дают значения гЗхЮ3 м^с-'ср"1. Следует

отмстить, что другими научными группами в районе Бразильской аномалии на высотах -400 км регистрировались интегральные потоки электронов с энергиями >20 МэВ на уровне ~2х103 м-2с_1ср-1. Оценки потока электронов с энергиями в десятки МэВ, полученные в эксперименте "ГРИФ-1" для области L-1.8, дают несколько большие значения. Существование "жесткой" компоненты у-излучения может быть связано с электронным поясом, образовавшимся в результате инжекции электронов на L-2.5 в марте 1991 г. и впервые наблюдавшемся на спутнике CRRES. Авторы отмечают жесткий спектр инжектированных электронов, имеющий максимум на 15 МэВ и продолжающийся до энергий более 50 МэВ. Наблюдение этого явления прибором НЕГА-1 на L=1.8 может быть объяснено слабым дрейфом электронов в сторону меньших L.

В эксперименте "ГРИФ-1" наблюдается еще одна компонента у-излучения, связанная с тормозным излучением электронов в области внешнего радиационного пояса Земли. Эта компонента имеет более мягкий спектр по сравнению со спектром локального излучения. По тормозному у-излучению электронов внешнего радиационного пояса можно было наблюдать изменение структуры магнитосферы Земли после мощного выброса коронального вещества на Солнце 5-6 января 1997 г. Максимальный Кр -индекс наблюдался с 6 до 9 часов UT 10 января 1997 г. и составлял около 4. Из сопоставления временного хода и карт распределения y-излучения до и после бури было получено, что изменение структуры внешнего электронного пояса доходило до L-3 и наблюдалось в том числе для у-квантов с энергиями 5-15 МэВ (значит, для электронов с Е>5 МэВ).

При исследовании нейтронов прежде всего были сделаны оценки метода разделения нейтронов и у-квантов, использованного в приборе. Из сравнения скоростей счета в одинаковых энергетических каналах нейтронов и у-квантов следует, что на экваторе счет у-квантов подавлен в интервале 5-15 МэВ в 25 раз, а в интервале >15 МэВ - в 20 раз. Вместе с тем, сравнительный анализ скоростей счета нейтронов и у-квантов указывает на то, что основную долю событий в нейтронных каналах составляют присчеты у-квантов, обусловленные случайными наложениями импульсов. Для определения величин потоков нейтронов на станции "МИР" мы воспользовались участком орбиты, когда станция пересекала край аномалии вблизи экватора. На этом участке наблюдалось возрастание скоростей счета у-квантов, однако количество нейтронов не должно измениться, т.к. отсутствовал значимый поток протонов. После проведенной аппроксимации были вычислены зависимости средних скоростей счета нейтронов прибором НЕГА-1 в каналах 5-15 МэВ и 15-50 МэВ, от геомагнитной жесткости обрезания места измерения R. Средний широтный ход скоростей счета в канапе 5-15 МэВ несколько больший широтного хода в канале 15-50 МэВ, (в среднем отношение скорости счета при R=5.5 ГВ к скорости счета на экваторе составляет «4.2 для первого канала и =2.7 для второго) дает основание предположить, что существует тенденция к уменьшению жесткости

2(1

спектра регистрируемых нейтронов с уменьшением В. На существование этой тенденции указывается и в других работах.

В исследовавшемся диапазоне изменения П от 5 до 16 ГВ полученный широтный ход потока нейтронов аппроксимируется экспоненциальной зависимостью (ехр^Я)) с показателем что хорошо совпадает с широтной

зависимостью потоков нейтронов, измеренных прибором СОМРТЕ1.. Форма широтной зависимости потоков нейтронов практически совпадает с данными о потоках нейтронов с энергиями >20 МэВ, полученными в эксперименте НЕГА на ОК "Салют-7"-"Космос-1686", а величина потока нейтронов на станции "МИР" в среднем примерно в 2.5-3.5 раза выше. Это связано с локальной природой нейтронов с учетом того, что масса станции "МИР" более чем в 2 раза превышает массу ОК "Сапют-7"-"Космос-1686".

Наличие двух каналов энерговыделений нейтронов позволяет оценивать параметры спектра нейтронов в предположении, что он имеет определенный вид (степенной, экспоненциальный и т.п.). Для оценки спектра были использованы имевшиеся в нашем распоряжении функции отклика Сб1(Т1) на моноэнергетические потоки нейтронов, расчитанные в рамках каскадно-экситонной модели. Для 1_<1.1 среднее отношение отношение скоростей счета, составившее 2.1±0.15 соответствует степенному спектру нейтронов с показателем 1.2±0.2. Полученная нами форма спектра достаточно хорошо согласуется с другими данными, но абсолютные значения потоков, полученные по данным прибора НЕГА-1 превышают значения, полученных в большинстве других экспериментов, что связано с большой (>100 тонн) массой станции. Этот результат подтверждают независимые данные о. спектре нейтронов на орбитальной станции "МИР", полученные при помощи ядерных эмульсий (поэтому усредненные по всем Р).

Исходя из реальных фоновых условий на станции "МИР" были сделаны оценки чувствительности эксперимента с прибором НЕГА-1 по регистрации нейтронов от солнечных вспышек. Минимальный интегральный поток нейтронов во вспышке с энергиями >20 МэВ, который может быть зарегистрирован прибором НЕГА-1, равен 1всп—1.5-10 см с-' Эта величина в 2 раза ниже, чем в эксперименте на БММ, которая составляет ЗЮ"2 см_2с"1. Такая чувствительность достигается прежде всего благодаря уменьшению фона за счет разделения нейтронов и у-квантов по форме импульса в Св1(Т1). Возможность регистрации солнечных нейтронов была проиллюстрирована на основании литературных данных о конкретных вспышках. Так, вспышка 3.06.1982 г. была бы зарегистрирована в обоих каналах и по соотношению скоростей счета в них можно было бы оценить спектр приходящих нейтронов. Нейтроны от вспышки, аналогичной событию 15.06.1991 г. (мощностью 4% от 3.16.82 г.), могли бы быть зарегистрирована прибором НЕГА-1 на уровне 5.5а.

Основные результаты.

Основные результаты и выводы диссертационной работы состоят в следующем:

1. Разработана и экспериментально проверена фосвич-схема, предназначенная для исключения регистрации заряженных частиц детекторами нейтрального излучения в широком диапазоне энергий у-квантов от 50 кэВ до >50 МэВ. Впервые достигнут энергетический диапазон работы фосвич-схемы Емах/Емт >1000 (в схемах, использованных ранее, диапазон Емах/Ем|п обычно составлял -100-200).

2. Экспериментально доказана возможность разделения у-квантов и тяжелых заряженных частиц по форме импульса в сцинтилляционных детекторах на основе СбЦТ!) начиная с энергий у-квантов 30 кэВ. Получено, что при использовании в схемах разделения сравнения количества света, собранного до некоторого момента времени I и после него наилучшее качество разделения достигается при 1=1.25 мкс.

3. Впервые осуществлена регистрация фоновых нейтронов с энергиями более 20 МэВ в лабораторных условиях детектором на основе Сз1(Т1).

4. Впервые для разделения событий в №1(Т1) и Сз1(Т1) при одновременном просмотре этих сцинтилляторов одним и тем же ФЭУ был применен способ сравнения полного количества света, выделенного в сцинтилляторе до некоторого времени I и после него. Этот способ впервые позволил осуществить разделение событий в Ма1(Т1) и в ОэЦХ!) начиная с энергий у-квантов 5 кэВ (до сих пор нижняя граница разделения составляла > 50 кэВ).

5. Произведена настройка, калибровка и испытания сцинтилляционного спектрометра НЕГА-1, предназначенного для изучения у-квантов и нейтронов в околоземном космическом пространстве.

6. Разработан пакет программ для первичной обработки и оперативного просмотра информации в экспериментах на ИСЗ.

7. С помощью прибора НЕГА-1 в составе комплекса научной аппаратуры "ГРИФ-1" проведено исследование различных компонент у-излучения в эксперименте на станции "МИР": локального, индуцированного и дополнительного у-излучения при прохождении зон захваченной радиации. Оценен вклад индуцированного излучения в суммарные потоки у-излучения различных энергий на станции "МИР".

8. Получены потоки и спектры локального у-излучения с энергиями 0.15-100 МэВ на станции "МИР" для различных значений геомагнитной жесткости в диапазоне И>2 ГВ. Поскольку именно локальное излучение составляет основ-ную часть у-излучения, возникающего на тяжелых ИСЗ вне радиационных поясов, полученные результаты представляют интерес как фоновые условия при регистрации у-излучения солнечных вспышек, а также с точки зрения анализа радиационной безопасности пилотируемых космических полетов.

9. Продемонстрирована возможность использования прибора, измеряющего потоки у-излучения, для исследований косвенными методами потоков электронов различных энергий в РПЗ. Проведено исследование потоков и спектров высокоэнергичных электронов в области Бразильской аномалии по вторичному у-излучению. Полученные оценки суммарного потока электронов с энергиями >15 МэВ в области L-1.8 (>3-103 м"2с_1ср~1) выше, чем измеренные в других экспериментах. Форма спектра вторичного y-излучения в районе Бразильской аномалии указывает на аномально жесткий спектр образующих его электронов в области энергий десятков МэВ.

10. Показана возможность исследования динамики электронов во внешнем радиационном поясе по вторичному у-излучению. Получено, что в результате магнитной бури, вызванной солнечным корональным транзиентом ,5-6 января 1997 г., наблюдалось проникновение электронов с энергиями более 5 МэВ во внутренние области магнитосферы вплоть до L-3.

11. По данным эксперимента с прибором НЕГА-1 получены оценки потоков и спектров нейтронов с энергиями >20 МэВ на станции "МИР" на низких и средних широтах. Эти данные представляют интерес с точки зрения анализа радиационной безопасности пилотируемых космических полетов и как фоновые условия для регистрации нейтронов солнечных вспышек.

12. Исследованы возможности прибора НЕГА-1 при регистрации им нейтронов солнечных вспышек различной интенсивности. Получены оценки минимального потока нейтронов солнечных вспышек, который может быть зарегистрирован в эксперименте с прибором НЕГА-1 на станции "МИР", на уровне lBCn = 1.5-Ю"2 см2с"1., что в 2 раза ниже, чем в эксперименте с прибором GRS на спутнике SMM.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1) А.В.Богомолов, В.В.Богомолов, М.И.Кудрявцев, С.И.Свертилов."Прибор НЕГА-1 для регистрации солнечных нейтронов и у-квантов." Материалы Всесоюзной конференции по космическим лучам (1988 г.), Алма-Ата, 1989 г, часть 1, с.25-26.

2) А.В.Богомолов, Панков В.М., Кудрявцев М.И. Шкуркин Ю.Г., Богомолов В.В., Колесов Г.Я., Логачев Ю.И., Свертилов С.И., Выдай Ю.Т. "Комплекс приборов для фонового мониторинга в астрофизических и экологическихпрограммах". Труды IV Международного семинара "Научное космическое приборостроение", СССР, г.Фрунзе, 18-24 сентября 1989 г., часть 3, стр 42-50.

3) А.В.Богомолов, Антипов A.B., Белогорлов Е.А., Бритвич Г.В, Купцов C.B., Лупенко Г.В., Мягкова И.Н., Рюмин С.П., Чумаков A.A. "Регистрация нейтронов с энергиями 40-2000 МэВ на интенсивном фоне у-квантов с помощью Csl(TI) в эксперименте на синхрофазатроне У-70". Препринт НИИЯФ МГУ, N92-7/256.M. 1992.

4) A.V.Bogomolov, Kudryavtsev M.I., Pankov V.M., Svertilov S.I.. "The principles of neutron and gamma-ray experiment on Solar Probe". Proc. of the First US-Russian Scientific Workshop on FIRE Environment. Ed. by O.Vaisberg, B.Tsurutani. June,5-7,1995. P.203-208.

5) Bogomolov A.V., Kudryavtsev M.I., Pankov V.M., Bogomolov V.V., Denisov Vu.l., Kolesov G.Ya., Logachev Yu.l., Svertilov S.I. "The MIR-SPECTR Gamma Astronomy Experiment" Proc. 24 ICRC. 1995. Rome. Italy, V.3, P.567-570.

6) A.B.Богомолов, С.П.Рюмин. "Методика разделения взаимодействий частиц в Nal(TI) и в Csl(TI) при одновременном просмотре этих сцинтилляторов одним и тем же ФЭУ". Приборы и техника эксперимента 1996 N12 стр.36-41.

7) А.В.Богомолов, М.И.Кудрявцев, В.М.Панков, Ю.И.Денисов, Г.Я.Колесов, Ю.И.Логачев, С.И.Свертилов. Эксперимент "ГРИФ-1" на модуле "Спектр" ОКС "МИР": исследование рентгеновского, у- и нейтронного излучений солнечных вспышек, а также связи солнечной активности с динамикой потоков заряженных частиц в магнитосфере Земли. Известия Вузов. Сер. Радиофизика. 1996 Т39, N11-12, стр. 1539-1545.

3) А.В.Богомолов, И.Н.Мягкова. Регистрация нейтронов и у-квантов в лабораторных условиях с использованием разделения их по форме сцинтилляционного импульса в кристалле Csl(TI). Вестник Московского Университета, Сер.З. Физика астрономия. 1997. №2, стр.61-63.

9) A.B.Богомолов, В.В.Богомолов, Ю.И.Денисов, Г.Я.Колесов, Ю.И.Логачев, С.И.Свертилов, М.И.Кудрявцев, В.М.Панков, "Динамика потоков космических излучений в околоземном пространстве: предварительные результаты эксперимента "ГРИФ-1" на станции "МИР". Известия РАН., сер. Физ., 1997г., №6. стр.1130-1134.