Орбитальный детектор космических лучей предельно высоких энергий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат физико-математических наук Климов, Павел Александрович

• Климов, Павел Александрович
• кандидат физико-математических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Климов, Павел Александрович

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 КЛ ПВЭ.

1.2 Современная экспериментальная техника регистрации KJI ПВЭ.

1.2.1 AGAS А - 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 KJ1 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 ТУС (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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Орбитальный детектор космических лучей предельно высоких энергий»

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 5-1019 эВ, как следствие взаимодействия частиц с реликтовым излучением (предел Грейзена-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 KJI 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 км . 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 KJI 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 НИИЯФ 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».

3) Оценка эффективности работы орбитального детектора, порогов регистрации частиц, экспозиции, углового разрешения.

4) Изучение УФ свечения ночной атмосферы, как важного параметра, определяющего условия функционирования орбитального детектора КЛ ПВЭ «ТУС».

Создан первый лабораторный макет орбитального детектора «ТУС», разработаны оригинальные программы и алгоритмы работы электроники, нацеленной на регистрацию ШАЛ. Проведено тестирование работы лабораторного макета, и показана надёжность и эффективность функционирования.

В диссертации впервые проведено моделирование работы, оценка эффективности, энергетических порогов и экспозиции орбитального детектора КЛ ПВЭ с учётом новейших данных об УФ излучении ночной атмосферы, полученных спутником «Университетский-Татьяна». Рассмотрено функционирование детектора во всём диапазоне изменения интенсивности УФ свечения ночной атмосферы Земли, что позволит вдвое увеличить экспозицию по сравнению с другими аналогичными

ЛА приборами для частиц с энергией больше 3-10 эВ. Показано преимущество орбитального детектора перед наземными установками.

Детектором УФ излучения на борту спутника «Университетский-Татьяна» проведены первые орбитальные измерения свечения ночной атмосферы Земли с длиной волны 200-400 нм в столь широким динамическом диапазоне (106) и в разных временных масштабах. Эти измерения позволили производить мониторинг средней интенсивности свечения и регистрацию транзиентных световых явлений (0.1 — 100 мс). В работе приведены результаты обработки данных спутника «Университетский-Татьяна». Изучены медленные вариации УФ излучения и диапазон изменения интенсивности, а так же вспышечные явления в верхних слоях атмосферы, которые могут быть как фоновым явлением для детектора КЛПВЭ, так и объектом специального исследования. Показана надёжность и достоверность результатов детектора УФ, путём сравнения с данными других спутниковых экспериментов

Предложен алгоритм работы и впервые произведено моделирование следящего зеркала-концентратора для будущего орбитального детектора КЛ ПВЭ с использованием матрицы фотоприёмника с переменным размером ячейки, что позволяет улучшить соотношение сигнал-шум в два раза и повысить на порядок точность определения направления прихода первичной частицы.

Созданный при выполнении данной работы лабораторный образец фотоприёмника является основой создания электроники орбитального детектора «ТУС». Разработанные программы и алгоритмы регистрации, обработки и записи событий, войдут в состав программного обеспечения системы отбора ШАЛ орбитального детектора «ТУС». Данные алгоритмы обеспечивают эффективность отбора событий и могут быть использованы при создании последующих детекторов такого типа (проект КЛ ПВЭ, MEMS Space Telescope).

Результаты моделирования работы следящего зеркала-концентратора совместно с матрицей фотоприёмника переменного размера ячейки показали эффективность использования подобной быстрой адаптивной оптики в орбитальных детекторах КЛ ПВЭ. Предложенная схема прибора позволит понизить порог регистрации ШАЛ, увеличить статистику набора событий, улучшить угловое разрешение прибора. Работа проведена по инициативе Research Center of MEMS Space Telescope (Корея). Её результаты предназначены для создания орбитального детектора КЛ ПВЭ нового типа: MEMS Space Telescope. Разработанные алгоритмы управления следящим зеркалом уже успешно используются в детекторах транзиентных атмосферных явлений, основанных на адаптивной MEMS оптике (телескоп MTEL на борту спутника «Татьяна-2»).

Результаты анализа измерений УФ излучения ночной атмосферы Земли, произведённых на спутнике «Университетский-Татьяна» в широком временном диапазоне (от быстрых вспышек до медленных вариаций) и широком энергетическом диапазоне (энергии в УФ излучении от 10 кДж до нескольких МДж) позволяют:

1) Оценить фон УФ излучения атмосферы и влияние транзиентных явлений в измерения флуоресценции ШАЛ.

2) Проектировать детекторы ШАЛ с учетом частоты, энергии и пространственного образа транзиентных атмосферных явлений.

3) Развивать модели процессов возникновения электрических разрядов в верхних слоях атмосферы и проверять их достоверность в сравнении с полученными экспериментальными данными.

Заключение диссертации по теме «Физика высоких энергий», Климов, Павел Александрович

Заключение

В работе рассмотрен первый российский орбитальный детектор космических лучей предельно высоких энергий ТУС, разрабатываемый в НИИЯФ МГУ и получены следующие основные результаты

1. Создан первый лабораторный макет фотоприёмника орбитального детектора ТУС.

2. Разработано программное обеспечение логического блока электроники, позволяющее эффективно регистрировать и отбирать события ШАЛ. Проведено тестирование работы лабораторного макета.

3. Надёжность работы ячейки фотоприёмника проверена и доказана в измерениях УФ фона ночной атмосферы в течение 2 лет в космическом эксперименте на спутнике «Университетский-Татьяна».

4. В результате анализа данных спутника «Университетский-Татьяна» получена карта медленных вариаций интенсивности УФ свечения ночной атмосферы Земли и быстрых вспышек (транзиентных световых явлений) в верхних слоях атмосферы. На основе этих спутниковых данных произведены оценки УФ фона детектора ТУС.

5. Создана полная модель функционирования орбитального детектора, на основе которой произведена оценка эффективности регистрации частиц КЛ ПВЭ, энергетических порогов детектора и экспозиции с учётом новейших данных об УФ излучении ночной атмосферы, в том числе данных спутника «Университетский-Татьяна». Предложенная методика измерений позволит вдвое увеличить время экспозиции по сравнению с другими аналогичными лл приборами для частиц с энергией больше ЗТ0 эВ.

6. Разработана и оптимизирована стратегия изучения глобальной анизотропии источников КЛ ПВЭ с помощью орбитального детектора.

7. Разработана модель функционирования следящего зеркала-концентратора для будущего орбитального детектора КЛ ПВЭ с использованием матрицы фотоприёмника с переменным размером ячейки, и показано, что оптика такого вида позволяет улучшить соотношение сигнал-шум в два раза и повысить на порядок точность определения направления прихода первичной частицы.

Автор диссертации выражает глубокую благодарность научному руководителю, ведущему научному сотруднику НИИЯФ МГУ, д.ф-м.н Хренову Борису Аркадьевичу.

Автор так же выражает глубокую благодарность научному сотруднику отдела частиц сверхвысоких энергий Гарипову Гали Карымовичу щедро делившимся своим богатым опытом физика- экспериментатора.

Автор благодарен заведующему отделом частиц сверхвысоких энергий профессору Калмыкову Николаю Николаевичу и заведующему отделом космических излучений к.ф.-м.н. Яшину Ивану Васильевичу за внимание к работе по теме диссертации на всем протяжении её выполнения.

Автор благодарен научному сотруднику отдела частиц сверхвысоких энергий Шаракину Сергею Александровичу за помощь в моделировании работы детектора «ТУС».

Автор благодарен C.B. Троицкому за советы и обсуждение результатов по поиску глобальной асимметрии источников космических лучей предельно высоких энергий по данным космических экспериментов (эксперимента «ТУС», в первую очередь).

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Климов, Павел Александрович, 2009 год

1. J.W. Cronin, The Highest Energy Cosmic Rays, arXiv:astro-ph/0402487vl 20 Feb (2004).

2. T. Stanev, Ultra High Energy Cosmic Rays, arXiv:astro-ph/0411113vl 4 Nov (2004).

3. G.T. Zatsepin and V.A. Kuzmin. Upper limit of the spectrum of cosmic rays. // JETP Lett. 1966,4, 78.

4. Greisen K. End to cosmic-ray spectrum? // Phys. Rev. Letters 1966, 16, p. 748-750.

5. R.Aloisio, V.Berezinsky, P.Blasi, A. Gazizov, S. Grigorieva, B. Hnatyk, A dip in the UHECR spectrum and the transition from galactic to extragalactic cosmic rays, Astro. Part. Phys. 2007,27, p. 76-91.

6. P. Bhattacharjee, G. Sigl. Origin and Propagation of Extremely High Energy Cosmic Rays, arXiv:astro-ph/981101 lv2 23 Aug 1999

7. B.A. Кузьмин и B.A. Рубаков, Ядерная физика, 61,1122 (1998).

8. М. Takeda et al., Astro. Part. Phys., 19, (2003), 499.

9. D. Bird et al. Study of broad scale anisotropy of cosmic ray arrival directions from 2><1017 eV tolO20 eV from Fly's Eye data. // Astrophys. J. 1999, 511, p. 739.

10. D.J. Bird et al. Evidence for correlated changes in the spectrum and composition of cosmic rays at extremely high energies. // Phys. Rev. Lett. 1993, vol. 71, p. 3401-3404.

11. A. Watson, Highlights from the Pierre Auger Observatory-the birth of the Hybrid Era, ICRC-2007, Merida, Mexico.

12. M. Fukushima, Status and Prospect of Telescope Array (ТА) Experiment. // Proc. 30th ICRC. Merida. 2007. 4. p. 417-420.

13. Allard D., Parizot E., Olinto A.V. On the transition from galactic to extragalactic cosmic-rays: Spectral and composition features from two opposite scenarios. // AstroPart. Phys. 2007, 27, p. 61-75

14. J. Abraham et al. Observation of the suppression of the flux of cosmic rays above 4 x 1019 eV, arXiv:0806.4302vl astro-ph. 26 Jun 2008

15. B.B Просин. Диссертация на соискание степени доктора физ.-мат. наук, 2006. НИИЯФ МГУ.

16. D.S. Gorbunov et al. Evidence for a Connection between the y-Ray and the Highest Energy Cosmic-Ray Emissions by BL Lacertae Objects. // Astrophys. J 2002, vol. 577, iss. 2, p. L93-L96.

17. D.S. Gorbunov et al. Testing the correlations between ultra-high-energy cosmic rays and BL Lac type objects with HiRes stereoscopic data. // Pis'ma v ZhETF 2004, vol. 80, iss. 3, p. 167-170.

18. The Pierre Auger Collaboration, Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects. // Science 2007, 318, p. 938-943.

19. The Pierre Auger Collaboration, Correlation of the highest-energy cosmic rays with the positions of nearby active galactic nuclei. // Astropart. Phys. 2008, 29 p. 188-204 arXiv:0712.2843v2 astro-ph. 23 Jun 2008

20. Gorbunov D., Tinyakov P., Tkachev I., Troitsky S., On correlation of the highest-energy cosmic rays with nearby extra-galactic objects reported by Pierre Auger Collaboration. // Pis'ma v ZhETF 2008, v. 87, iss. 9, p. 547-549.

21. Jarrett T, Large scale structure in the local universe: the 2MASS galaxy catalog, 2004 Preprint astro-ph/0405069.

22. F. Kakimoto et al., A Measurement of the Air Fluorescence Yield. // Nucl.Instr.Meth. 1996, V. A372 , p. 527-533.

23. A.N. Bunner, Ph. D. Thesis, Cornell University (1967).

24. M. Nagano, K. Kobayakawa and N. Sakaki. Fluorescence efficiency of electrons in the atmosphere above oceans. // Proc. of 27-th ICRC, 2001 (Hamburg), 1, 675.

25. G. Rodrigues, for the AIRFLY collaboration, Air fluorescence yield dependence on atmospheric parameters. // Proc. 30th ICRC. Merida. 2007. 5. p. 933-936.

26. J. Linsley and R. Benson, Satellite Observation of Cosmic Ray Air Showers. // Proc, ICRC 17-th, Paris, 1981, 8, p.145-148.

27. B.B Александров и др. Проект исследования космических лучей предельно высоких энергий на российском сегменте международной космической станции. // Вестник МГУ, сер. физика и астрономия 2000, № 6, стр. 33-36.

28. В.А. Khrenov and M.I. Panasyuk for the Kosmotepetl collaboration, Proc. of Workshop on Observing of Extremely High Energy Cosmic Ray from Earth and Space, AIP Conf. Proc., Melville, N.Y., 566, 57 (2001)

29. В.A. Khrenov (Kosmotepetl Collaboration) Design and Development of Spase Experiments KLYPVE and TUS for Study UHECR. // Nucl. Phys. В Proc. 113, p. 115122,2002.

30. B.A. Khrenov. Complementary research ability of ground- and space-based detectors of ultra high energy cosmic rays. // Journ. Phys. G, Nucl. and Particles Phys 29 2003, p. 303312.

31. L. Scarsi et al, Extreme Universe Space Observatory (EUSO) Proposal for the ESA F2/F3 Missions, (2000).

32. L. Scarsi, O. Catalano, M.C. Maccarone, B. Sacco et al. EUSO Extreme Universe Space Observatory: Doing astronomy looking downward the Earth atmosphere. Proc. ICRC 2001, p. 839-842.

33. L. Scarsi, Proc. of Workshop on Observing of Ultra High Energy Cosmic Ray from Spaceand Earth, AIP Conf. Proc., Melville, N.Y., 566,113-127 (2001).

34. T. Ebisuzaki, The JEM-EUSO Mission. // Proc. 30th ICRC. Merida. 2007. 5. p. 10451048.

35. JEM-EUSO collaboration, Instrument Overview of the JEM-EUSO Mission. // Proc. 30th ICRC. Merida. 2007. 5. p. 1077-1080.

36. Лебединский А.И., Краснопольский B.A., Кузнецов А.П., Иозенас В.А. Исследование излучения земной атмосферы в видимой и ультрафиолетовой области. //МККЛ 1965, Стр. 77-88.

37. Шеффер Е. К. Ночное свечение атмосферы в линии кислорода АЛ 304 А на низких геомагнитных широтах. // Космические исследования 1971, т. 9, стр. 74-79.

38. GHCC Lightning Research Overview, www.ghcc.msfc.nasa gov/overview/iightning html/ 2000.

39. Franz R.C., R.J. Nemzek, and J.R. Winckler. Television image of a large upward electrical discharge above a thunderstorm. // Science 1990, 249,48.

40. Sentman D.D., Wescott E.M., et al. Preliminary results from Sprite94 aircraft campaign: 1. Red Sprites. // Geophys. Res. Lett. 1995, 22, 1205 1208.

41. Wescott, E., D. Sentman, D. Osborne, D. Hampton, and M. Heavner Preliminary results from the Sprites94 aircraft campaign. 2. Blue jets. // Geophys. Res. Lett. 1995, 22, 12091212.

42. Fukunishi, H., Y. Takahashi, M. Kubota, K. Sakanoi, U. S. Inan, and W. A. Lyons Elves: Lightning-Induced Transient Luminous Events in the Lower Ionosphere. // Geophys. Res. Lett. 1996,23(16), 2157-2160.

43. Inan U. S., Barrington-Leigh C., Hansen S., Glukhov V. S., Bell T. F., and Rairden R. Rapid Lateral Expansion of Optical Luminosity in Lightning-Induced Ionospheric Flashes Referred to as 'Elves'. // Geophys. Res. Lett. 1997, 24, 5, pp. 583-586.

44. Mende S.B., Frey H.U., Su H.T., Hsu R.R., Chen A.B., Fukunishi h., Takahashi Y„ Adachi Т., Lee L.C. Global TLE observation with ISUAL. // Berkley Special Seminar, Berkley, February 15,2005.

45. Chen, A.B., et al. Global distributions and occurrence rates of transient luminous events. // J. Geophys. Res. 2008,113, A08306.

46. Гарипов Г.К., Панасюк М.И., Рубинштейн И.А., Тулупов В.И., Хренов Б.А., Широков А.В., Яшин И.В. и Салазар У. Детектор УФ на борту научно-образовательного микроспутника МГУ «Университетский- Татьяна». // ПТЭ 2006, №1,135-141.

47. Садовничий В.А., Панасюк М. И., Бобровников С. Ю. и др. «Исследования радиационной обстановки в околоземном космическом пространстве на микроспутнике МГУ «УНИВЕРСИТЕТСКИЙ». // Космические исследования 2007, т. 45. с. 275-289.

48. Гуревич А.В.и Зыбин К.П., Пробой на убегающих электронах и электрические разряды во время грозы. // УФН 2001, т. 171. с. 1177 1199.

49. Гарипов Г.К., Панасюк М.И., Тулупов В.И., Хренов Б.А., Широков А.В., Яшин И.В. и Салазар У. Вспышки УФ излучения в экваториальном районе Земли. // Письма в ЖЭТФ 2006, т. 82, с.204-206.

50. Grassmann V., et al. Thunderstorm Effects on Sporadic E Propagation in 144 MHz. // Dubus, 2005, l,p. 9-44.

51. Rairden R.L., Mende S.B. Time resolved sprite imagery. // Geophys. Res. Lett. 1995, 22, p. 3465-3468.

52. Chen A., et al. Analyzing ISUAL spectrometer data using a two-color diagram method. // Journal of Korean'Astronomical Society 2005, 38, p. 303 306.

53. Su H. T. et al. Gigantic jets between a thundercloud and the ionosphere. // Nature 2003, 423, p. 974-976.

54. Milikh G. M., Shneider M. N. Model of UV flashes due to gigantic blue jets. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2008, 41 234013 (6pp), doi:10.1088/0022-3727/41/23/234013.

55. Su H.T. et al. "Space and coordinated ground surveys of Transient Luminous Events"

56. Chern J.L., Hsu R.R., Su H.T., Lee L. C., Mende S.B., Fukunishi H., and Takahashi Y. Global Survey of Upper Atmospheric Transient Luminous Events on the FORMOSAT-2 Satellite. // J. Atmos. Terr. Phys. 2003, 65(5), p. 647-659.

57. Garipov G.K., Khrenov B.A., Park I.H., Tracking Mirror Detector for Cosmic Rays Ultra High energies. // Proc. 28th ICRC, 2005 Tsukuba, 4, p. 1109-1112.

58. Ильина Н.П., Калмыков H.H., Просин B.B. Черенковское излучение и параметры ШАЛ. //Ядерная физика, 1992, Т.55, вып.Ю, С.2756 2767.

59. The Pierre Auger Project Design Report, 1996.

60. Бондарцова O.B., Кириллов A.A. Зависимость глубины максимума ШАЛ ультравысоких энергий от зенитного угла. // 29-я РККЛ, Москва, 2006.

61. Hamamaysu, Photomultiplier tubes R1463, R1463P, 1998.

62. Garipov G.K.et al. The Photomultiplier Tubes in the Light Sensor of an Orbital Detector for Studying the Fluorescent Radiation of Extensive Air Showers. // IET 2005, v. 48, № 1, p.92-95.

63. Sommers P, Cosmic Ray Anisotropy Analysis with a Full-Sky Observatory. // Astropart. Phys. 2001, 14 271 arXiv:astro-ph/0004016.

64. Kalashev O.E., Khrenov B.A., Klimov P.A., Sharakin S.A., Troitsky S.V. Global anisotropy of arrival directions of ultra-high-energy cosmic rays: capabilities of space-based detectors. // JCAP03 2008 003, arXiv:0710.1382.

65. Yamamoto T. et al., The UHECR spectrum measured at the Pierre Auger Observatory and its astrophysical implications. // Proc. 30th ICRC. Merida. 2007. 4. p. 335-338.