|
Ноябрь 2024 г.
|
Комплекс научной аппаратуры «ГАММА-400»
|
|
 |
|
2023
|
2022
|
2021 |
| 
2020 |
2019 |
|
2018 |
| 
2014 |
2013 |
|
Телестудия Роскосмоса: Гамма-400, Космическая среда №290 от 15 июля 2020.
Смотреть в источнике: www.tvroscosmos.ru.
Комплекс научной аппаратуры «ГАММА-400» (Гамма-Астрономическая Многофункциональная Модульная Аппаратура) предназначен для получения данных для определения природы «темной материи» во Вселенной, развития теории происхождения высокоэнергичных космических лучей и физики элементарных частиц, исследования космического гамма-излучения в диапазоне высоких энергий (20 МэВ – 1000 ГэВ) и рентгеновского излучения в диапазоне 5-30 кэВ, регистрации заряженных частиц космических лучей, поиска и исследования гамма-всплесков.
Разработка проекта «ГАММА-400» и проведение исследований выполняется в рамках Федеральных космических программ РФ 2006-2015 гг. и 2016-2025 гг.
В разработке комплекса научной аппаратуры «ГАММА-400» участвуют:
Научный руководитель проекта «ГАММА-400» - А.М. Гальпер;
Заместитель научного руководителя, технический руководитель – главный конструктор комплекса научной аппаратуры «ГАММА-400» - Н.П. Топчиев.
Проект «ГАММА-400» был утвержден в 2009 г. академиками В.Л. Гинзбургом и Г.А. Месяцем.
Комплекс научной аппаратуры (КНА) «ГАММА-400»
Гамма-телескоп ГАММА-400 и рентгеновский телескоп ART-XC, расположенные соосно, а также магнитно-плазменные детекторы, расположенные на выносных штангах, устанавливаются на космической платформе «Навигатор». Проводятся длительные одновременные наблюдения астрофизических объектов.
Научные задачи гамма-телескопа ГАММА-400
Современное состояние фундаментальных исследований по космологии, астрономии, физике частиц высоких энергий и космических лучей ставит ряд проблем, решить которые невозможно без привлечения результатов исследований по внеатмосферной гамма-астрономии сверхвысокой энергии (108-1012 эВ), а также и одновременном исследовании высокоэнергичного электрон-позитронного компонента галактических космических лучей. На основе современных результатов гамма-астрономических исследований, результатов исследования природы «темной материи», а также научно-исследовательских работ по проекту
«ГАММА-400»
определены основные научные задачи гамма-телескопа ГАММА-400:
- Измерение энергетических спектров галактического и внегалактического диффузного и изотропного гамма-излучения. Поиск аномалий в спектрах гамма-излучения. Поиск гамма-линий в излучении дискретных гамма-источников, в диффузном и изотропном гамма-излучении, возникающих при аннигиляции и распаде компонентов «темной материи».
- Регистрация потоков электронов + позитронов, измерение энергетических спектров этих частиц, выделение особенностей в их спектрах, которые могли бы быть связаны с процессами аннигиляции и распада компонентов «темной материи».
- Поиск новых и изучение известных галактических и внегалактических дискретных источников гамма-излучения высокой энергии: остатки сверхновых, пульсары, аккрецирующие объекты, микроквазары, галактики с активными ядрами, блазары, квазары; измерение их энергетических спектров и светимости.
- Отождествление дискретных гамма-источников с известными источниками излучения в других диапазонах энергии, в том числе, и с дискретными источниками, зарегистрированными наземными гамма-телескопами.
- Мониторинг светимости и энергетического спектра гамма-источников высокой энергии для изучения природы их переменности.
- Поиск и исследование гамма-всплесков.
- Регистрация высокоэнергетического гамма-излучения и потоков электронов + позитронов от солнечных вспышек.
Гамма-телескоп ГАММА-400
Физическая схема гамма-телескопа ГАММА-400
Структура гамма-телескопа ГАММА-400
Гамма-телескоп ГАММА-400 состоит из:
верхнего (АСверх) и боковых (АСбок) антисовпадательных детекторов;
конвертера-трекера (К), представляющего собой 13 плоскостей двухслойных (с взаимно перпендикулярным расположением) SciFi координатных детекторов – 7 плоскостей, прослоенных вольфрамом W толщиной 0.1 X0;
4 плоскости, прослоенные W толщиной 0.025 X0; 2 плоскости без вольфрама;
времяпролетной системы (ВПС) из сцинтилляционных детекторов С1 и С2, разнесенных на 500 мм;
координатно-чувствительного калориметра (КК) из КК1, КК2, БДК КК2:
а) КК1 состоит из слоя кристаллов CsI(Tl) и 1 плоскости двухслойных (с взаимно перпендикулярным расположением) SciFi координатных детекторов без W;
б) КК2 состоит из кристаллов CsI(Tl);
в) боковых детекторов калориметра (БДК КК2);
сцинтилляционных детекторов С3 и С4.
Дополнительно в состав гамма-телескопа входят:
триггерная система (ТС), система сбора научной информации (ССНИ) и другие блоки электроники (БЭ);
2 звездных датчика.
Регистрация частиц
Первичные гамма-кванты проходят без взаимодействия антисовпадательные детекторы АС. Заряженные частицы исключаются из регистрации антисовпадательными детекторами. Гамма-кванты конвертируются в электрон-позитронную пару в конвертере-трекере К. Электрон-позитронная пара при взаимодействии с веществом детекторов создает электромагнитный ливень, который регистрируется в детекторах гамма-телескопа. Времяпролетная система ВПС формирует апертуру гамма-телескопа и исключает из регистрации частицы из нижней полусферы. Электромагнитный ливень регистрируется в двух частях калориметра КК1 и КК2. Частицы ливня регистрируются в сцинтилляционных детекторах С3 и С4.
Регистрация частиц осуществляется двумя апертурами: основная – сверху-вниз, формируемая АС и ВПС, и боковая, формируемая детекторами БДК КК2 и калориметром КК2.
Высокоэнергичные (более нескольких ГэВ) частицы при взаимодействии с веществом калориметра создают поток частиц (в основном фотоны с энергией до 1 МэВ), которые двигаются от калориметра к АС (т.н. «обратный ток») и могут провзаимодействовать в АС и исключить из регистрации первичные частицы. Для исключения детектирования таких частиц используется как сегментационный (все сцинтилляционные детекторы двухслойные и состоят из отдельных полос),
так и временной (по времени пролета) методы.
Улучшение углового разрешения достигается с помощью высокоточного определения точки конверсии в многослойном конвертере и реконструкции оси ливня с помощью координатных детекторов в конвертере-трекере К и калориметре КК1. Этот метод позволяет достичь высочайшего углового разрешения ~0,01° при энергиях ~100 ГэВ.
Использование толстого калориметра (до ~18 X0) позволяет расширить энергетический диапазон регистрируемых частиц до нескольких ТэВ для гамма-квантов и до ~10 ТэВ для электронов+позитронов и повысить энергетическое разрешение гамма-телескопа до ~2% при энергиях ~100 ГэВ.
Режекция протонов ~5×105 достигается режекцией как в калориметре, так и в других детекторах.
Таблица 1. Основные характеристики ГАММА-400, полученные в результате проведения эскизного проекта.
|
|
ЭП
(эскизный проект)
2009-2010 гг.
|
ДЭП
(дополнение к эскизному проекту)
2011-2012 гг.
|
ТП
(технический проект)
2013-2014 гг.
| ДЭП
(дополнение к эскизному проекту)
2016-2021 гг.
|
|
Угловое разрешение
(при Eγ ~ 100 ГэВ)
|
0,2°
|
~0,01°
|
~0,01° | ~0,01° |
|
Энергетическое разрешение
(при Eγ ~ 100 ГэВ)
|
~ 3%
|
~1%
|
~1% | ~2% |
|
Диапазон энергий
- гамма-кванты
- электроны/
позитроны
|
30-1000 ГэВ
|
0,1-3000 ГэВ
|
0,1-3000 ГэВ | 0,02-1000 ГэВ
0,02-10000 ГэВ
|
|
Чувствительная площадь
|
0,44 м2
|
0,64 м2
|
1,0 м2 | ~0,7 м2 |
|
Объем передаваемой информации
|
500 Мбайт/сутки
|
100 Гбайт/сутки
|
100 Гбайт/сутки | 100 Гбайт/сутки |
|
Регистрируемые частицы
|
гамма-кванты, электроны, позитроны, протоны, ядра
|
гамма-кванты, электроны, позитроны, протоны, ядра
|
гамма-кванты, электроны, позитроны, протоны, ядра | гамма-кванты, электроны, позитроны |
Таблица 2. Сравнительные характеристики гамма-телескопов Fermi-LAT и ГАММА-400
|
|
Fermi-LAT
|
ГАММА-400
|
|
Орбита
|
560 км
|
500-300000 км
|
|
Диапазон энергий
|
100 МэВ - 300 ГэВ
|
20 МэВ - 1000 ГэВ
|
|
Чувствительная площадь
|
1,8 м2
|
0,7 м2
|
|
Координатные детекторы
|
Si стрипы
с шагом 0,23 мм
|
SciFi
с шагом
0,2 мм
|
|
Угловое разрешение
(Eγ > 100 ГэВ)
|
~0,1°
|
~0,01°
|
|
Калориметр
- толщина, р.е.д.
|
CsI(Tl)
8,5
|
CsI(Tl) + SciFi
~18
|
|
Энергетическое разрешение
(Eγ > 10 ГэВ)
|
~10%
|
~2%
|
|
Режекция протонов
|
104
|
~5×105
|
|
Объем передаваемой информации, Гбайт/сутки
|
20
|
100
|
Таблица 3. Характеристики действующих космических гамма-телескопов и спектрометров
по сравнению с ГАММА-400
| AGILE | Fermi-LAT | CALET | DAMPE | ГАММА-400 | |
Годы работы | 2007–н.в. | 2008–н.в. | 2015–н.в. | 2015–н.в. | ~2030
| |
Диапазон энергий, ГэВ | 0,03–50 | 0,1–300 | 10–10000 | 1–10000 | 0,02–1000
| |
Вид наблюдения | Сканирование | Сканирование | Сканирование | Сканирование | Источник
| |
Эффективная площадь, м2 | 0,05
(1 ГэВ) | 0,9 | 0,06 | 0,12
(100 ГэВ) | ~0,4
(100 ГэВ)
| |
Угловое разрешение | 0,2°
(10 ГэВ) | 0,1°
(100 ГэВ) | 0,2°
(100 ГэВ) | 0,1°
(100 ГэВ) | 0,01°
(100 ГэВ)
| |
Энергетическое разрешение, % | 100
(0,4 ГэВ) | ~10
(100 ГэВ) | ~2
(100 ГэВ) | ~2
(100 ГэВ) | ~2
(100 ГэВ)
|
Толщина калориметра
при нормальном падении, р.е.д. | 1,5 | 8,5 | 30 | 32 | 18 |
Таблица 4. Характеристики разрабатываемых космических гамма-телескопов и спектрометров
по сравнению с ГАММА-400
| e-ASTROGAM | AMEGO | HERD | AMS-100 | ГАММА-400 |
| Годы работы | ~2028 | ~2029 | ~2027 | ~2039 | ~2030 |
| Диапазон энергий, ГэВ | 3•10-4–3 | 2•10-4–10 | 0,5–105 | 0,1–104 | 0,02–1000 |
| Вид наблюдения | Сканирование | Сканирование | Сканирование | Сканирование | Источник |
| Эффективная площадь, м2 | 0,16
(1 ГэВ) | 0,3
(1 ГэВ) | ~0,8 | ~2,5 | ~0,4
(100 ГэВ) |
| Угловое разрешение | 0,2°
(1 ГэВ) | 2°
(100 МэВ) | 0,1°
(10 ГэВ) | ~0,01°
(100 ГэВ) | 0,01°
(100 ГэВ) |
| Энергетическое разрешение, % | 30
(100 МэВ) | 10
(1 ГэВ) | 1-2
(200 ГэВ) | 1-2
(100 ГэВ) | ~2
(100 ГэВ) |
Толщина калориметра
при нормальном падении, р.е.д. | 4,3 | 5 | 55 | 70 | 18 |
Космический аппарат для комплекса научной аппаратуры «ГАММА-400»
Космический аппарат вместе со служебным базовым модулем «Навигатор» разрабатывает
АО «НПО Лавочкина».
|
