Исследования в космических экспериментах эпохи повторной ионизации молодой Вселенной с помощью регистрации гамма-всплесков и их послесвечения (наблюдательная космология)НИР

Источник финансирования НИР

грант Президента РФ

Этапы НИР

# Сроки Название
1 1 ноября 2011 г.-31 декабря 2011 г. Исследования в космических экспериментах эпохи повторной ионизации молодой Вселенной с помощью регистрации гамма-всплесков и их послесвечения (наблюдательная космология)
Результаты этапа: В отчете представлены результаты работ по созданию экспериментального образца бортовой аппаратуры комплекса “UFFO-pathfinder” предназначенного для установки на борт КА «Ломоносов», для исследования транзиентных явлений, включая космические гамма-всплески. В отчете формулируются цели и задачи проведенных исследований, приводится описание экспериментальных образцов указанных блоков, описание методики проверок и испытаний блоков, результаты испытаний. Рассматриваемая аппаратура включает в себя три блока детектирования: рентгеновского и гамма-излучения БДРГ, оптические камеры широкого поля зрения ШОК, телескоп ультрафиолетового излучения SMT, рентгеновский изображающий прибор UBAT. В отчете также формулируются основные выводы по результатам испытаний блоков детектирования экспериментального образца бортовой аппаратуры КА «Ломоносов» для исследования транзиентных явлений, включая космические гамма-всплески. В части отчета, которая по своему содержанию является пояснительной запиской к Техническому Заданию на создание СПО GROSS, представлен обзор имеющихся, разработанных до настоящего времени систем программного обеспечения типа GGOD, MGGPOD, и в особенности MEGAlib, разработанных для моделирования, сопровождения калибровки и тестирования приборов, сопоставимых с создаваемыми нами образцами гамма - мониторов «ГАММАСКОП» и«ГРОМ-С», разрабатываемых для исследования ранней Вселенной с использованием излучения гамма-всплесков образованных в ходе завершения эволюции самых первых звезд Вселенной. В отчете также представлены результаты анализа возможных конфигураций детекторов для регистрации рентгеновского и оптического/инфракрасного излучения для использования в космических экспериментах с учетом доступных массы, объема и параметров энергопотребления, технической готовности выбранных приборов и их стоимости, и выбор конфигурации обеспечивающей максимальный научный выход.
2 1 января 2012 г.-30 июня 2012 г. Исследования в космических экспериментах эпохи повторной ионизации молодой Вселенной с помощью регистрации гамма - всплесков и их послесвечения (наблюдательная космология)
Результаты этапа: В 1 главе отчета рассмотрены результаты калибровок аппаратуры UFFO Pathfinder, полученные в результате ее испытаний в составе изделия в ходе предполётной подготовки. В результате включений аппаратуры была осуществлена проверка функционирования и настройки гамма-монитора при работе в составе спутника, путем сравнения значений выходных показаний детекторов с калибровочными значениями, полученными в лабораторных условиях.. Выполнена также проверка прохождения всех команд, управляющих настройкой гамма-спектрометра, через бортовые системы. Во второй главе отчета приведены результаты моделирования кривой блеска и спектра гамма-всплеска на разных красных смещениях, исходя из спектра самого яркого гамма-всплеска GRB080319B, на основе данных о длинных гамма-всплесках, полученных космическим аппаратом Swift, построена гистограмма распределения гамма-всплесков на больших красных смещениях в предположении двух различных функций звездообразования во Вселенной. Для определения красного смещения далеких всплесков предложено использовать характерные линии резонансного гамма-поглощения в спектре гамма-всплеска, а также соотношение «Пиковая энергия - Светимость». В третьей главе отчета приведены результаты моделирования звездного неба в гамма-излучении с учетом реального фона, рабочих характеристик гамма-телескопов типа «ГАММАСКОП» и «ГРОМ-С», в зависимости от местоположения телескопа на борту КА, интенсивности и местоположения на карте известных источников гамма- и жесткого рентгеновского излучения. Итоговые характеристики прибора получены суммированием результатов моделирования для ~106 исходных гамма-квантов, равномерно распределенных по поперечному сечению в параллельном пучке радиусом равным радиусу описанной вокруг гамма-телескопа сферы. Глава 3 содержит также анализ доступных пакетов для моделирования, приводятся основные критерии выбора пакета. Для выбранного пакета GEANT4 оценены особенности параметризации поляризации частиц, приведены формулы для расчета поляризации конечных состояний частиц в основных процессах, а также характеристики поляризации, полученные в результате тестовых расчетов. В четвертой главе исследованы достижимые рабочие параметры для комбинаций различных фотосенсоров включавших лавинные фотодиоды, дрейфовых фотодиодов (ДФД), ФЭУ и Si-ФЭУ с кристаллами сцинтиллятора LaBr3:Ce различной геометрии. Исследованы влияние как абсолютных размеров кристалла, так и отношения длины и диаметра кристалла на эффективность регистрации и энергетическое разрешение LaBr3:Ce с различными фотоприемниками. Определено временное разрешение LaBr3:Ce. Для измерений энергетического разрешения кристаллов LaBr3:Ce из состава матрицы с размерностью (4х5) для фотонов с энергией 662 кэВ, от р/а источника 137Cs, выполненых с помощью матрицы ДФД, была определена средняя величина разрешения по 20 пикселям <FWHM>=6.4 %. В то же время, измерения выполненые с помощью ФЭУ Н7600U-200 с фотокатодом квантовой эффективности ~40 %, позволили получить распределение с существенно лучшей средней величиной энергетического разрешения по 20 пикселям, на уровне <FWHM>=4.4 %.
3 1 июля 2012 г.-31 декабря 2012 г. Исследования в космических экспериментах эпохи повторной ионизации молодой Вселенной с помощью регистрации гамма - всплесков и их послесвечения (наблюдательная космология)
Результаты этапа: В 2012 году были проведены калибровки аппаратуры UFFO Pathfinder, в ходе ее испытаний в составе изделия в ходе предполётной подготовки космического аппарата, далее КА. Результаты калибровок приведены в настоящем отчете. В результате включений аппаратуры была осуществлена проверка функционирования и настройки гамма-монитора при работе в составе спутника, путем сравнения значений выходных показаний детекторов с калибровочными значениями, полученными в лабораторных условиях.. Выполнена проверка прохождения всех команд, управляющих настройкой гамма-спектрометра, через бортовые системы КА. Аппаратура была установлена на посадочные места и подсоединена к бортовым системам КА, была проведена отработка команд управления. Получение данных с приборов производились через бортовые системы спутника. Было проведено моделирование кривой блеска и спектра гамма-всплеска на разных красных смещениях, исходя из спектра самого яркого гамма-всплеска GRB080319B, результаты моделирования приведены в отчете. На основе имеющихся данных о длинных гамма-всплесках, зарегистрированных космическим аппаратом Swift, построена гистограмма распределения гамма-всплесков на больших красных смещениях в предположении двух различных функций звездообразования во Вселенной. Для определения красного смещения далеких всплесков предложено использовать характерные линии резонансного гамма-поглощения в спектре гамма-всплеска, а также соотношение «Пиковая энергия - Светимость» для гамма-всплеска. Было проведено моделирование звездного неба в гамма-излучении с учетом реального фона на орбите КА, рабочих характеристик гамма-телескопов типа «ГАММАСКОП» и «ГРОМ-С», в зависимости от местоположения телескопа на борту КА, интенсивности и местоположения на карте известных источников гамма- и жесткого рентгеновского излучения. Итоговые характеристики прибора получены суммированием результатов моделирования для ~106 исходных гамма-квантов, равномерно распределенных по поперечному сечению параллельного пучка падающего на телескоп, с радиусом равным радиусу описанной вокруг гамма-телескопа сферы. Был проведен анализ доступных пакетов программного обеспечения для моделирования приборов и их характеристик, приводятся основные критерии выбора пакета. Для выбранного пакета GEANT4 оценены особенности параметризации поляризации частиц, приведены формулы для расчета поляризации конечных состояний частиц в основных процессах, а также характеристики поляризации регистрируемого гамма-излучения, полученные в результате тестовых расчетов. Были исследованы достижимые рабочие параметры для комбинаций различных фотосенсоров включавших лавинные фотодиоды, дрейфовые фотодиоды (ДФД), ФЭУ и Si-ФЭУ с кристаллами сцинтиллятора LaBr3:Ce различной геометрии. Исследовано влияние как абсолютных размеров кристалла, так и отношения длины и диаметра кристалла на эффективность регистрации и энергетическое разрешение LaBr3:Ce с различными фотоприемниками. Определено временное разрешение LaBr3:Ce в системах совпадения. Для измерений энергетического разрешения кристаллов LaBr3:Ce из состава матрицы с размерностью (4х5) для фотонов с энергией 662 кэВ, от р/а источника 137Cs, выполненых с использованием матрицы ДФД, была определена средняя величина разрешения по 20 пикселям <FWHM>=6.4 %. В то же время, измерения выполненые с помощью ФЭУ Н7600U-200 с фотокатодом квантовой эффективности ~40 %, позволили получить распределение с существенно лучшей средней величиной энергетического разрешения по 20 пикселям, на уровне <FWHM>=4.4 %. Были рассмотрены перспективные космические средства наблюдения гамма-всплесков на больших красных смещениях для исследований ранней Вселенной. Проведен анализ методов регистрации вспышечных астрофизических явлений в оптическом, жестком рентгеновском и гамма диапазонах в ходе мониторных наблюдений на космических аппаратах. Рассмотрены основные характеристики аппаратуры для исследования космических гамма-всплесков в активных (Swift, Agile и обсерватория Fermi (бывш. GLAST)), или готовящихся к реализации космических экспериментах (проекты EXIST, SVOM). Рассмотрены перспективы развития космических средств по исследованию гамма-всплесков. Проведен анализ возможности использования новых типов детектирующих элементов и фотоприёмников. Рассмотрены перспективы исследования космических гамма-всплесков до 2030 и 2050 гг. Были рассмотрены особенности применения перспективных неорганических сцинтилляторов на основе бромидов лантана и церия в качестве позиционно-разрешаемых элементов: их энергетическое разрешение, локализация мест взаимодействия гамма-квантов. Приведены результаты испытаний детекторов составленных из матриц детекторов малого размера применяемых для улучшения пространственного разрешения детектора фотонов гамма-излучения. Наряду с испытаниями и определением энергетического и пространственного разрешения детекторов излучения состоящих из сцинтилляционных кристаллов нового типа и различных фотоприемников, ФЭУ, лавинных и дрейфовых фотодиодов, а также кремниевых фотоумно-жителей были проведены также временные измерения для выбранных конфигураций фотосборок Показано что: – энергетическое разрешение кристаллов на основе LaBr3:Ce при одинаковых геометриях детекторов и фотоприемниках одного типа всегда лучше нежели разрешени традиционно используемых в космических экспериментах сцинтилляторов CsI или NaI. – пространственное разрешение достижимое с использованием сцинтилляционных кристаллов нового типа сопоставимо с разрешением достигнутым в случае примененения тех же геометрий кристаллов на основе CsI. – сцинтилляторы нового типа на основе LaBr3:Ce или Ce: Br3 позволяют получить существенно лучшее временное разрешение для событий типа совпадений импульсов от двух детекторов. Достигаемое время разрешения на уровне 140 пс позволяет надеяться на возможность построения на основе таких сцинтилляционных детекторов телескопов космического гамма-излучения с хорошим соотношением сигнал/шум за счет малых значений временных окон совпадения, с возможностью использовать время пролета между слоями детекторов в качестве критерия отбора полезных событий. – новый тип фотоприемников выполненный как много-катодный лавинный фотодиод, или матрица таких фотодиодов позволят уменьшить геометрические размеры детекторов, и уменьшить энергопотребление системы питания таких детекторов. Представлена концепция создания экспериментального образца базы данных для хранения и обработки потоков нейтрального излучения регистрируемых на российских КА. Подготовлено техническое задание на создание системы архивирования данных получаемых с мониторов гамма-излучения. Рассмотрена методика идентификации гамма-всплесков на больших красных смещениях. Представлен классический метод определения красного смещения — по положению отождествленных линий различных элементов. Рассмотрены фотометрические методы оценки красного смещения гамма-всплесков, спектральное определение красного смещение по эффекту Гана — Петерсона, определение красного смещения по линиям резонансного поглощения в спектрах гамма-всплесков. Рассмотрены технологические средства, обеспечивающие локализацию гамма-квантов в широкоапертурном гамма-телескопе. Рассмотрена оптимальная технология изготовления элементов кодирующей маски широкоапертурного гамма-телескопа. Рассмотрены матрицы детекторов с системами считывания использующих матрицы фотосенсоров.
4 1 января 2013 г.-30 июня 2013 г. Исследования в космических экспериментах эпохи повторной ионизации молодой Вселенной с помощью регистрации гамма - всплесков и их послесвечения (наблюдательная космология)
Результаты этапа: В главе 1 рассмотрены результаты дополнительной наземной отработки γ-спектрометра БДРГ, предназначенного для исследования космических γ-всплесков, в ходе предполётной подготовки научной аппаратуры спутника «Ломоносов». Была проверена точность определения координат γ-всплеска методом сравнения показаний трёх разнонаправленных детекторов γ-спектрометра. Проведен анализ влияния точности калибровок на величину возможных систематических ошибок при определении координат γ-всплесков. Проведено сравнение фона трёх фосвич-детекторов прибора БДРГ в режиме мониторинга. Показано, что среднечасовые значения фона в сходных энергетических каналах различаются в среднем на 5%, что гарантирует систематическую погрешность координаты ≤1.5o . Проверка реальной точности определения координаты с учетом всех факторов для γ-всплесков выполнялась также с помощью радиоактивного источника. Для имитации всплеска радиоактивный изотоп быстро помещался в определенную точку в поле зрения сборки из трёх детекторов прибора БДРГ. Имитировались всплески длительностью ~40 секунд, при этом яркость всплеска в каналах 25-100 кэВ была на уровне фона. Сопоставление средних значений вычисляемых координат с заданным положением изотопа показало, что систематические отклонения вычисляемой координаты не превышают 1о. В главе 2 рассмотрена программа разработки программного обеспечения для сопровождения изготовления, калибровки и летных испытаний приборов «ГАММАСКОП» и «ГРОМ-С», в том числе: -для обработки телеметрической информации в автоматическом режиме; -для экспресс-обработки телеметрической информации, и анализа результатов регистрации экспериментальной информации в реальном времени; -создание базы данных, и системы архивирования накапливающейся экспериментальной информации. Приводятся требования к ПО, к математическому, программному и информационно - лингвистическому обеспечению. Приведена концепция создания экспериментального образца базы данных для хранения и обработки потоков нейтрального излучения регистрируемых на российских КА. В главе 3 приведен анализ методов измерения поляризации жесткого рентгеновского и гамма-излучения астрофизических объектов, среди которых выделен, как наиболее перспективный в диапазоне 0.1-1.0 МэВ метод Комптоновской поляриметрии. Как следует из результатов моделирования, для выбранной конфигурации при регистрации поляризованных фотонов асимметрия составляет более 10% для 300 кэВ и менее 10% для 1 МэВ. Для расширения поляризационных возможностей телескопа в область больших энергий требуется оптимизация параметров его позиционно-разрешаемых элементов.
5 1 июля 2013 г.-31 декабря 2013 г. Исследования в космических экспериментах эпохи повторной ионизации молодой Вселенной с помощью регистрации гамма - всплесков и их послесвечения (наблюдательная космология)
Результаты этапа: В 2013 году были проведены дополнительные наземные отработки гамма-спектрометра БДРГ, предназначенного для исследования космических гамма-всплесков, в ходе предполётной подготовки научной аппаратуры спутника «Ломоносов». Целью наземной отработки была проверка точности определения координат гамма-всплеска методом, основанным на сравнении показаний трёх разнонаправленных детекторов гамма-спектрометра. Был проведен анализ влияния точности калибровок на величину возможных систематических ошибок при определении координат гамма-всплесков. Для определения точности получения координат гамма-всплеска с учетом всех факторов было проведено физическое моделирование гамма-всплесков. Имитации всплеска достигались помещением радиоактивного изотопа в определенную точку пространства в поле зрения сборки из трёх детекторов прибора БДРГ. Имитировались всплески длительностью ~40 секунд, при этом яркость всплеска в канале анализа 25-100 кэВ была на уровне космического фона. Сопоставление средних значений вычисляемых координат с заданным положением изотопа показало, что систематические отклонения получаемой координаты всплеска не превышают 1о Вклад различия фоновых показаний трёх фосвич-детекторов прибора БДРГ в режиме мониторинга (8 энергетических каналов для событий в кристалле NaI(Tl) и 8 каналов для событий в CsI(Tl), соответствует суммарной систематической погрешности определения координат не превышающей ~1.5o . Было разработано программное обеспечение для сопровождения изготовления, калибровки и летных испытаний приборов «ГАММАСКОП» и «ГРОМ-С», в том числе: - программного обеспечения для обработки телеметрической информации в автоматическом режиме; - программного обеспечения для экспресс-обработки телеметрической информации, и анализа результатов регистрации экспериментальной информации в реальном времени; - программного обеспечения обслуживающего базу данных, и систему архивирования накапливающейся экспериментальной информации. Разработана концепция создания экспериментального образца базы данных для хранения и обработки потоков нейтрального излучения регистрируемых на российских КА. Был проведен анализ методов измерения поляризации жесткого рентгеновского и гамма-излучения астрофизических объектов, среди которых в был выделен, как один из наиболее перспективных в диапазоне 0.1-1.0 МэВ метод комптоновской поляриметрии, основанный на комптоновском рассеянии гамма-квантов в позиционно-разрешаемых элементах (пикселях) широкоапертурного гамма-телескопа. Описан подход к реализации подобных измерений, где необходимо обеспечить двойные совпадения, соответствующие взаимодействиям в двух соседних пикселях. Получено ограничение на размер пикселя, который должен иметь размер соответствующий величине одной массовой длины поглощения . Показано, что комптоновское рассеяние само по себе обладает избирательной способностью по углам рассеяния гамма-квантов, которые преимущественно рассеиваются перпендикулярно направлению их первоначального распространения. Поэтому ось прибора в оптимальном случае должна быть ориентирована в направлении на исследуемый источник. В 2013 году было выполнено моделирование измерений поляризации и спектральных характеристик в эксперименте с широкоапертурным гамма-телескопом. В качестве комптоновского поляриметра рассматривался ПЧД широкоапертурного гамма-телескопа. В ходе моделирования из зарегистрированных событий (т.е. событий, давших сигнал в сцинтилляторах) выделялись те, в которых первые два взаимодействия происходили в двух соседних пикселях - кристаллах NaI(Tl). Затем определяется угол между отрезком, соединяющим центры первого и второго кристаллов, и осью X прибора. Как следует из результатов выполненного моделирования, рассмотренная конфигурация ПЧД широкоапертурного гамма-телескопа в принципе позволяет регистрировать поляризацию при энергиях порядка сотен кэВ в случае, если падающее излучение сильно поляризовано. При энергиях больше 1 МэВ даже в случае сильно поляризованного излучения регистрируемый эффект незначителен. Для расширения поляризационных возможностей телескопа в область больших энергий требуется оптимизация параметров его позиционно-разрешаемых элементов. Был проведен запуск высотного аэростата с поляриметром POGOLITE на высоту ~ 40 км с циркумполярной траекторией вокруг северного полюса, о подборе аэростата с аппаратурой для измерения поляризации гамма – излучения от астрофизических объектов диапазоне 10-100 кэВ, и проведен экспресс-анализ результатов эксперимента. Разработана модель прибора «ГАММАСКОП» для использования в составе «UFFO-100». Была проведена закуплены системы вакуумных камер для реализации методик испытаний детекторов рентгеновского, гамма- и ультрафиолетового излучения в системе вакуумных камер. Проведены исследования возможностей повышения временного разрешения новых типов фото-сенсоров, применимых для регистрации жестких рентгеновских и гамма-фотонов в составе «UFFO-100». Была получена более точная оценка временного разрешения сцинтилляторов LaBr3:Ce и CeBr3 считываемых фотоприемниками типа лавинных много-катодных фотодиодов российского и зарубежного производства, ЛДФД и ФЭУ чувствительными к УФ длинам волн путем измерений этих параметров в ЛЭВ, НИИЯФ МГУ. По результатам работы с новыми фотоприемниками уточнены требования на изготовление новых типов сцинтиллирующих кристаллов, на их размеры, и требования к герметичной упаковке кристаллов. Новая партия кристаллов выращенных в 2012 годy протестирована в НИИЯФ МГУ с использованием ФЭУ и ЛДФД зарубежного производства, и с использованием много-катодных ЛФД российского и зарубежного производства компаний SenSL и HAMAMATSU. Проведен этап лабораторного макетирования ПЧД и электроники широкоапертурного гамма телескопа. На данном этапе была проверка возможности кодирования относительно большого числа пикселей ПЧД выходными сигналами существенно меньшего количества фотоумножителей. В приложении к главе 8 приводится техническая документация для приборов«ГАММАСКОП» и прототипа телескопа «ГРОМ-С» Было проведено моделирование рабочих параметров возможного следующего поколения рентгеновских и гамма-детекторов для использования в космических экспериментах по исследованию ранней Вселенной на больших красных смещениях. Разработан перспективный план научно-исследовательских работ ЛЭВ на период 2014-2015 гг. с учетом результатов передовых исследований по научной тематике ЛЭВ, направлений исследования в наблюдательной космологии и в астрофизике высоких энергий, появления новой технологии в изготовлении научной аппаратуры для космических исследований.

Прикрепленные к НИР результаты

Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".