Октябрь 2021 г.    
 
Комплекс научной аппаратуры
«ГАММА-400»
 
   
 

2019

2018

2017

2016

2015

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:

  1. 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».
  2. 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».
  3. 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.
  4. Отождествление дискретных гамма-источников с известными источниками излучения в других диапазонах энергии, в том числе, и с дискретными источниками, зарегистрированными наземными гамма-телескопами.
  5. Мониторинг светимости и энергетического спектра гамма-источников высокой энергии для изучения природы их переменности.
  6. Поиск и исследование гамма-всплесков.
  7. 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

     

    AGILEFermi-LATCALETDAMPEГАММА-400
    Годы работы2007–н.в.2008–н.в.2015–н.в.2015–н.в.~2030
    Диапазон энергий, ГэВ0,03–500,1–30010–100001–100000,02–1000
    Вид наблюденияСканированиеСканированиеСканированиеСканированиеИсточник
    Эффективная площадь, м20,05
    (1 ГэВ)
    0,90,060,12
    (100 ГэВ)
    ~0,4
    (100 ГэВ)
    Угловое разрешение0,2°
    (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.
    1,58,5303218


    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)

    (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».