Солнечно-Земная Физика 40 ЛЕТ КОСМИЧЕСКОЙ ЭРЫ В НИИЯФ МГУ Ю.И.Логачев

НАША ИСТОРИЯ

IX. CПУТНИКИ "ПРОТОН" и другие для изучения галактических космических лучей высокой энергии

В шестидесятые годы проводились интенсивные разработки и испытания новых ракет и в СССР и в США. В СССР кроме ракеты, выводившей в космос первые спутники и лунники, в 1962 году вошла в строй ракета для спутников "Космос", а в 1965 году начались испытания новой ракеты, ставшей к настоящему времени самой мощной ракетой, используемой для запуска тяжелых спутников не только российского производства, но и многих зарубежных стран и получившей название "Протон". Это название возникло из названия спутников "Протон", запущенных этой ракетой в 1965 году. История их запусков такова: подошло время испытания новой ракеты, способной выводить на орбиту Земли груз весом несколько тонн. Обсуждались варианты, что использовать в качестве этого груза, песок или научную аппаратуру. Песок конечно проще, но обидно, если запуск будет успешным.
Научную аппаратуру такого веса тогда еще никто не делал и на первый пробный пуск ракеты ставить уникальную аппаратуру было рискованно, пуск-то первый, как он пройдет? К тому же сроки до запуска были очень сжатыми, меньше года. Тем не менее, несмотря на эту ситуацию НИИЯФ МГУ предложил научную задачу, требующую подъема тяжелой аппаратуры, и обязался изготовить эту аппаратуру к требуемому времени (всегда есть надежда, что ракетчики тоже будут опаздывать).

Научная задача состояла в изучении энергетического спектра и химического состава галактических космических лучей в области энергий 10^11 - 10^14 эВ. Для измерения энергии таких частиц необходимо, чтобы они остановились в объеме прибора, выделили в нем всю свою энергию, а пробег протонов и созданных ими вторичных частиц при таких энергиях составляет более метра железа, т.е. для их поглощения требуется прибор очень большого объема, заполненного тяжелым веществом (свинец, железо и др.) Такие энергии не были доступны ускорителям заряженных частиц и кроме астрофизических задач - измерения спектра частиц и их химического состава - эксперимент мог ответить на ряд ядернофизических вопросов, например, о поведении сечения ядерного взаимодействия протонов и более тяжелых ядер с увеличением их энергии.
Для измерения энергии космических частиц в наземных экспериментах к тому времени широко использовались ионизационные калориметры, изобретенные ранее в СССР /44/. Такая же методика была применена и на спутниках "Протон" и ряде других, запущенных позже для решения тех же задач. Метод измерений был предложен Н.Л.Григоровым, он же осуществлял конкретное руководство изготовлением приборов, проведением экспериментов и обработкой результатов. На спутнике "Протон-1" был установлен прибор СЭЗ-14 (Спектр, Энергия, Заряд до 10^14 эВ ) весом около 7 тонн. В состав прибора СЭЗ-14 кроме калориметра входили также детекторы заряда частиц в виде ионизационных камер и мишени из графита и железа, в которых происходило взаимодействия частиц с веществом. Схематическое устройство прибора СЭЗ-14 приведено на рис. 9.1, подробное описание принципа его работы дано в /45/.

Рис. 9.1 Схематическое изображение прибора СЭЗ-14 I - детектоp взаимодействия; II - нижний сцинтилляционный счетчик; III - ионизационный калоpиметp; 1-10 - сцинцилляционные детектоpы энеpгии; 11 - диффузоp детектоpа энеpгии; 12 - диффузоp детектоpа взаимодействия; 14-16 - фотоумножители; 17 - детектоp заpяда (сдвоенный пpопоpциональный счетчик); 18 - детектоp напpавления; а - полиэтилен; б - железо; в - углеpод; г - свинец.

Разработка и изготовление такого сложного прибора в короткий срок даже для НИИЯФ МГУ, обладавшего высоким потенциалом, потребовало огромных усилий. По распоряжению дирекции (читай С.Н.Вернова) на создание этой аппаратуры были брошены все силы института, все финансовые ресурсы. Почти весь потенциал механических мастерских, а в шестидесятых годах он был немалым, огромная группа электронщиков занимались изготовлением аппаратуры спутников "Протон".
Авторитет С.Н.Вернова и Н.Л.Григорова способствовал привлечению к созданию каркаса прибора СЭЗ-14 и его основных элементов (конструкция, крепление поглотителя из железа) сил конструкторского бюро, в котором разрабатывалась ракета-носитель и сам спутник. Это была важная состовляющая успешного создания прибора, но все-таки главные вопросы прорабатывались в НИИЯФ МГУ: прибор был напичкан электроникой, одних усилителей импульсов было более сотни. До спутников "Протон" такой объемной и сложной аппаратуры в космос еще не запускалось. Коллектив наших сотрудников, среди которых кроме Н.Л.Григорова необходимо отметить И.Д.Рапопорта, А.Ф.Титенкова, А.В.Смирнова, Б.М.Яковлева, В.Е.Нестерова, И.А.Савенко, В.Я.Ширяеву и др., опять, как и при запуске первых спутников работал с огромным энтузиазмом, буквально совершил научный подвиг, создав за кратчайший срок (всего 9 месяцев) сложнейшую аппаратуру, безотказно проработавшую в полете около 3 месяцев.

Ракета "Протон" оказалась такой мощной, что позволила кроме прибора СЭЗ-14 вывести на орбиту и еще несколько приборов, предназначенных для изучения высокоэнергичных электронов и гамма-квантов, а также химического состава солнечных космических лучей. Ведущими физиками-экспериментаторами здесь были Л.Ф.Калинкин, Е.А.Пряхин, Н.Н.Володичев и ряд других. Многие из перечисленных сотрудников по результатам экспериментов на всех четырех спутниках "Протон" впоследствии защитили кандидатские диссертации.

При полетах спутников "Протон-1,-2,-3" был получен уникальный, до сих пор не подтвержденный и не опровергнутый результат о резком загибе спектра протонов при энергии около 2.10^12 эВ. При этом наклон спектра суммы всех частиц (протонов, альфа-частиц и более тяжелых ядер) оставался постоянным, согласующимся с результатами других косвенных экспериментов. Если спектр протонов действительно испытывает резкое изменение наклона, то в области высоких энергий космических лучей происходит изменение химического состава частиц, выражающееся в обогащении космических лучей тяжелыми ядрами, ибо доля протонов при больших энергиях становится уже ничтожно малой. Это значит, что нужно вносить коррективы в механизм ускорения частиц в источнике, требуя от последнего ускорения только ядер с Z > 2. Важность этих выводов очевидна, но хотелось бы обладать большей увереннностью в их справедливости.
Для подтверждения этого результата и продвижения в область еще больших энергий на ИСЗ "Протон-4" светосила прибора для регистрации частиц высокой энергии, получившего название ИК-15 (Ионизационный Калориметр до энергий 10^15 эВ), была увеличена в 10 раз. Однако результаты полета спутника "Протон-4" также не дали однозначного ответа на вопрос о загибе спектра протонов. Еще несколько запусков (см. табл.4) также не смогли ответить на этот вопрос.

              Тавлица 4

       Спутники Земли для изучения 
   космических лучей высокой энергии

Спутник     Год     Прибор и его вес    Время активной  
                                              pаботы

Протон-1   1965    СЭЗ-14,     7 тонн     3 месяца

Протон-2   1965    СЭЗ-14,     7 тонн     3 месяца

Протон-3   1966    СЭЗ-14,     7 тонн     3 месяца  

Протон-4   1968    ИК-15,   12,5 тонн     8 месяцев

Интеркосмос-6  1972     Стопка 2,4 тонн  4 суток *) 
                              фотоэмульсии,                 

Космос-1543  1984   "СОКОЛ",   2,4 тонн  27 суток

Космос-1713  1986    "СОКОЛ",   2,4 тонн  25 суток

*)Прибор возвращен на Землю

Методические причины искажения спектра протонов могут лежать в самой природе энергичных частиц, а именно в возникновении в калориметре, в котором измеряется их энергия, вторичных частиц, движущихся во все стороны, в том числе и в детектор зарядов, который должен в случае протонов регистрировать однозарядную частицу. И чем больше энергия первичной частицы, тем большее число вторичных она создает в веществе прибора, без которого невозможно измерить энергию первичной частицы. Вторичные частицы не только заполняют, но можно сказать заполоняют весь объем прибора и часть окружающего пространства, они рассеиваются и движутся во всех направлениях, в том числе и сверху вниз, как бы сопровождая первичную частицу. Этот эффект хорошо известен и называется обратным током частицы. Появление частиц обратного тока в детекторе зарядов переводит случай регистрации протона в случай частицы с большим зарядом, что приводит к недосчету числа протонов. Для имитации протоном альфа-частиц в детекторе заряда, кроме импульса от первичного протона, должен возникнуть еще трехкратный по отношению к нему импульс, так как амплитуда выходного сигнала детектора заряда пропорциональна квадрату заряда частицы, т.е. альфа-частица создает в четыре раза больший импульс, чем протон. Так как с увеличением энергии протона эффект обратного тока возрастает, то и число недосчитанных протонов также будет возрастать, что приведет к видимому укручению энергетического спектра протонов. Таким образом проблема обратного тока из ионизационного калориметра представляет собой серьезное препятствие для корректного измерения энергетического спектра протонов в области высоких энергий.

Для борьбы с обратным током в аппаратуре "СОКОЛ" спутников Космос-1543 и Космос-1713, запущенных почти через 10 лет после спутников "Протон" (см. табл.4), для измерения заряда частиц с Z = 1 (протоны) и Z = 2 (альфа- частицы) использовались направленные черенковские детекторы небольших размеров, что в значительной степени позволило исключить влияние частиц обратного тока на величину измеряемого заряда. Кроме того, картина прохождения частиц через прибор была визуализирована, так что можно было выделять частицы и создаваемые ими электромагнитные каскады, лежащие целиком в створе прибора, что позволяло более надежно определять их энергию. Создание аппаратуры "СОКОЛ", проведение экспериментов и обработка их результатов осуществлялись, по сравнению со спутниками "Протон", практически уже совсем другим научным коллективом. Здесь кроме "старой гвардии": Н.Л. Григорова и И.Д.Рапопорта активно участвовали В.Я.Шестоперов, И.В.Яшин, Д.М.Подорожный и ряд других сотрудников.

Эксперименты на спутниках Космос-1543 и Космос-1713 показали, что аппаратура "СОКОЛ" позволяет эффективно бороться с обратным током, но однозначного ответа на главный вопрос о форме спектра протонов и здесь получено не было, ибо время работы каждого из спутников составляло менее месяца и набранная статистика по протонам оказалась недостаточной для обоснованных выводов. Для окончательного решения этого важного вопроса необходим более длительный эксперимент с подобной аппаратурой, который до настоящего времени еще не проведен.
На спутниках "Космос-1543 и Космос-1713" регистрировались также тяжелые ядра в области энергий 50-1000 ГэВ/нуклон, что позволило построить энергетические спектры ядер гелия, углерода, кислорода и железа /46/. На рис. 9.2 в качестве примера приведены энергетические спектры ядер С, О и группы Fe. Если аппроксимировать эти спектры степенным законом, то лучше всего подходит показатель степени = 2,5.

Рис. 9.2 Энергетические спектры ядер углеpода, кислоpода и железа в области высоких энергий по результатам полетов аппаратуры "Сокол".

Почти такой же наклон получен и для энергетического спектра ядер Не. Отношения абсолютных значений потоков этих ядер при различных энергиях, характеризующие состав частиц при данной энергии, практически такие же, как и в области меньших энергий. Это говорит о том, что в рамках этих аппроксимаций состав ядер в галактических космических лучах остается примерно постоянным от 1 ГэВ/нуклон по крайней мере до 1000 ГэВ/нуклон. Для больших энергий есть указания на увеличение тяжелых ядер в составе ГКЛ /47/.

Отметим, что в этих экспериментах нашим сотрудникам удалось дальше всех продвинуться по энергиям частиц ( вплоть до 2 ТэВ/нуклон ) для ядер С и О. Статистические ошибки в этой области энергий пока велики, поэтому необходимо продолжать эксперименты для увеличения статистики измеряемых частиц, особенно в области больших энергий. Использование для этих целей аппаратуры "СОКОЛ" адекватно задаче и требуется только увеличить длительность эксперимента в 10-20 раз, что вполне достижимо для существующих средств космической техники. Кроме того, в институте предложено несколько новых экспериментов, способных продвинуться в изучении космических лучей в сторону еще больших энергий /48,49/. .

назад		вперед		оглавление		литература
		На первую страницу по истории солнечно-земной физики