Орбитальный детектор космических лучей предельно высоких энергий

• Автор: Климов, Павел Александрович
• Шифр специальности: 01.04.23
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 142 с. : ил.

Оглавление
Оглавление
Введение

Глава 1. Космические лучи предельно высоких энергий и методы их регистрации

1.1 Проблемы происхождения КЛПВЭ

1.1.1 Энергетический спектр. ГЗК - предел

1.1.2 Проблема источников и анизотропии KJIПВЭ

1.2 Современная экспериментальная техника регистрации KJI ПВЭ

1.2.1 AGASA - наземная установка регистрирующая ШАЛ

1.2.2 HiRes — наземная установка флуоресцентного свечения ШАЛ

1.2.3 Pierre Auger Observatory - наземная установка гибридного типа

1.3 Обсуждение современных экспериментальных данных
1.4 Проекты космических экспериментов по изучению КЛ ПВЭ. Орбитальный детектор ТУ С
1.4.1 Физические основы наблюдения частиц КЛПВЭ как флуоресцирующего трека в атмосфере Земли
1.4.2 Современные орбитальные проекты
1.4.3 Орбитальный детектор «ТУС»
Глава 2. Интенсивность ультрафиолетового свечения ночной атмосферы
2.1 Мировые данные по наблюдению свечения ночной атмосферы с борта ИСЗ
2.1.1 Вариации свечения атмосферы на пути спутника
2.1.2 Вспышки в верхних слоях атмосферы (транзиентные световые явления)
2.2 Данные спутника «Университетский-Татьяна»
2.2.1 Аппаратура детектора УФ излучения
2.2.2 Медленные вариации УФ излучения
2.2.3 Вспышки УФ излучения
Глава 3 Моделирование работы оптических элементов детектора 'ГУС (зеркала-концентратора, световода). Проект создания будущей «следящей» оптической системы для наблюдения ШАЛ
3.1 Моделирование работы зеркала- концентратора
3.2 Зеркало Френеля
3.3 Трековое зеркало
3.4 Моделирование работы световодов

Глава 4. Численное моделирование сигналов ШАЛ в детекторе ТУС и триггерной системы
4.1 Этапы моделирования
4.2 Пространственная и временная привязка модели
4.3. Инжекция первичной частицы и развитие ШАЛ
4.4 Генерация флуоресцентного излучения и его распространение по направлению к детектору
4.5 Действие оптической системы детектора
4.6 Работа электроники канала
4.7 Работа триггерной системы
4.8 Восстановление направления прихода частицы по данным детектора ТУС
Глава 5. Электронный блок фотоприемника
5.1 Кластер ФЭУ и электроника предварительной обработки сигнала
5.2 Логическая схема работы электроники кластера
5.3 Питание ФЭУ. Система АРУ в кластере ФЭУ
5.4 Тестирование работы кластера
5.5 Калибровка ФЭУ
Глава 6. Ожидаемые результаты
6.1 Оценка порогов регистрации КЛ ПВЭ, эффективного времени работы прибора и количества регистрируемых частиц
6.2 Возможность изучения глобальной анизотропии КЛПВЭ с помощью детектора ТУС
Заключение
Литература

Введение
Изучение спектра космических лучей предельно высоких энергий (КЛ ПВЭ) имеет фундаментальное значение для теоретической и экспериментальной астрофизики. Ещё в 60-х годах 20 века было предсказано наличие обрезания спектра при энергиях свыше 5-Ю19 эВ, как следствие взаимодействия частиц с реликтовым излучением (предел Грейзепа-Зацепина-Кузьмина). Однако, эксперименты, направленные на изучение спектра в этой области энергий дали противоречивые результаты. Наличие частиц с энергией выше ГЗК-предела, с одной стороны, стимулирует поиски близких источников (в радиусе —100 МПк), которые были бы способны ускорять частицы до столь больших энергий, и моделирование процессов ускорения в этих астрофизических объектах (активных ядрах галактик, пульсарах, скоплениях галактик), а с другой стороны открывает возможности теоретических исследований, связанных с совершенно другими механизмами приобретения энергии частицами во Вселенной (распады сверхмассивных частиц, топологические дефекты).
При этом, исследования КЛ ПВЭ осложнены очень низкой частотой прихода частиц, что требует создания наземных установок с большой площадью для увеличения статистики. Наибольшая из современных наземных установок Pierre Auger Observatory, обладает общей площадью 3000 км2. Дальнейшее увеличение площади наземных установок нецелесообразно, к тому же, детектор, расположенный на земле, обладает рядом недостатков, в частности не полным обзором небесной сферы и неравномерностью экспозиции.
Другой путь - изучение КЛ ПВЭ по флуоресцентному треку широкого атмосферного ливня (ШАЛ) в атмосфере с борта искусственного спутника Земли. Такой детектор обладает большой площадью обзора, равномерностью экспозиции по всему небу, не требует больших площадей на поверхности Земли. Создание таких детекторов является актуальной экспериментальной задачей современной физики космических лучей. Пионерский детектор такого типа, «Трековая Установка» («ТУС»), создаётся в НШГЯФ МГУ.
В рамках проекта по созданию детектора «ТУС» перед автором работы были следующие цели:
1) Разработка, создание и тестирование работы лабораторного макета фотоприёмника орбитального детектора КЛ ПВЭ «ТУС».
2) Моделирование и оптимизация параметров оптической системы детектора «ТУС».

отличается медленным движением светящегося пятна - в тысячи раз медленнее скорости света.
1.4.2 Современные орбитальные проекты.
Создание наземных установок для изучения космических лучей предельно высоких энергий по масштабу большему, чем Обсерватория Пьер Оже, нерентабельно, и эксперименты с еще большей рабочей площадью лучше проводить с помощью флуоресцентных орбитальных детекторов на спутниках Земли. Впервые такой метод регистрации КЛПВЭ предложил Дж. Линсли [26]. В дальнейшем эта идея получила развитие в проектах «КЛПВЭ» и «ТУС» Федерального космического агентства РФ [27-31] и ЕиБО Европейского космического агентства [32-34], который в 2006 году стал развиваться усилиями уже японских специалистов и называется теперь ЕЕМ-БИБО [35].
В детекторах «КЛПВЭ» и «ТУС» сигнал флуоресценции атмосферы, вызываемый частицами ШАЛ, приходит на зеркало-концентратор детектора и фокусируется на мозаику ячеек фотоприемника (рис. 1.28), который находится в фокальной поверхности зеркала. В фотоприемнике этот световой сигнал преобразуется в электрический и регистрируется во времени на многоканальном осциллографе. Каждая ячейка приемника в заданный момент времени «видит» ливень на определенной высоте в атмосфере, так что в фотоприемнике фактически регистрируется каскадная кривая ливня и его направление. По числу частиц в максимуме будет определяться энергия первичной частицы. При регистрации ШАЛ с борта спутника детектор с узким полем зрения ориентирован так, что световой сигнал проходит через атмосферу но вертикали, и в этом направлении поглощение света флуоресценции в атмосфере на порядок меньше, чем в наземных опытах в горизонтальном направлении. Большая площадь зеркала позволяет регистрировать сигналы ШАЛ с высоты спутника. Количество ячеек фотоприёмника определяет площадь обзора в атмосфере и точность измерения направления прихода частиц. При использовании зеркала поле зрения детектора ограничено размером фотоприёмника, который, не может быть большим, так как, он затеняет зеркало, которое, в свою очередь, зеркало вносит большие искажения на периферии приемника (аберрация изображения). Преимуществом применения зеркала-концентратора является сравнительная простота изготовления зеркала большой площади и, тем самым, возможность наблюдения частиц КЛ ПВЭ с большой высоты орбиты для осуществления большой площади обзора атмосферы даже при малом поле зрения детектора.