Телескоп низкоэнергичного гамма-излучения RT-2

Телескоп низкоэнергичного гамма-излучения RT-2
Изучение быстрой переменности рентгеновского излучения в солнечных вспышках
А.Р.Рао1, С.К.Чакрабати3,4, Дж.П.Малкар1, С.Срикумар2, М.К.Хингар1, А.Нанди2,3,
Ю.Д.Котов5, А.И.Архангельский5, В.Н.Юров5, Р.Ф.Зятьков5
1 ТАТА институт фундаментальных исследований (TIFR), Мумбай (Бомбей), Индия
2 Индийская организация по космическим исследованиям, Индия
3 Центр космической физики, Калькутта, Индия
4 Национальный центр фундаментальной науки им. С.Р. Бозе
5 Московский инженерно-физический институт, Россия
Научные задачи эксперимента:
•
исследование рентгеновского и гамма-излучения Солнца и других космических
источников: галактических и внегалактических рентгеновских источников, ядер
активных галактик, гамма-всплесков, жесткого рентгеновского диффузного фона.
Цели эксперимента:
•
•
•
регистрация временных профилей солнечного рентгеновского излучения в
энергетическом диапазоне 15кэВ – 1МэВ с временным разрешением 0,1сек;
спектрометрия солнечного рентгеновского и гамма-излучения в энергетических
диапазонах 10кэВ – 1МэВ;
получение изображений солнечных вспышек в жестком рентгеновском диапазоне с
использованием полупроводникового детектора на основе CdZnTe и CMOS
матрицы с нанесенным на неѐ сцинтиллятором GdOS.
Основные характеристики
Параметр
Энергетический
диапазон
Эффективная
площадь, см2
Энергетическое
разрешение
Сцинтилляционный детектор
Режим
фосвич
Монторинг Cs(Tl)
15 – 150 кэВ
0,15 – 1
МэВ
100
100
<25%
(60кэВ)
8% (662 кэВ)
ППД
CZT
GdOS/CMOS
10 – 100
кэВ
48
15-200
кэВ
4,5
8% (60 кэВ)
Пороговый
режим работы
Время накопления данных детекторами во вспышечной и мониторной модах
Фосвич
CZT
GdOS/СMOS
Время накопления
(мониторинг)
1с временной ход
100c спектры
1с временной ход
100с спектры
100с изображение
Время накопления
(вспышечная мода)
0.1с временной ход
10с спектры
1с временной ход
100с спектры
100с изображение
Примечание: 1. Энергетические спектры в 512 каналах;
В диапазоне 0,15 – 1МэВ используется 256 каналов
Временной ход и изображения в CZT детекторе измеряется в четырех каналах
(<40кэВ; 40 – 60кэВ; 60 – 100кэВ; > 100кэВ);
Границы каналов могут измеряться телекомандами.
Принцип работы детекторов.
RT-2 включает в себя три детекторных блока RT-2/S, RT-2/G, RT-2/CZT (Рис.6) и
блок электроники RT-2/E. Детекторные блоки располагаются вне гермоотсека спутника.
Блок электроники располагается в гермоотсеке.
В блоках RT-2/S (Рис.7) и RT-2/G используются одинаковые составные
сцинтилляционные детекторы (фосвич-детекоры). Солнечное излучение через коллиматор
попадает на композицию сцинтилляторов 3мм NaI(Tl)/25мм CsI(Na) с одинаковым
диаметром 11,7см, просматриваемых одним ФЭУ (фосвич-детектор). Рентгеновские
фотоны поглощается в основном в NaI(Tl), гамма-кванты могут взаимодействовать в
любом из них, а также выделить энергию одновременно в обоих. Сигналы с ФЭУ
поступают в блок электроники, где по анализу формы сигнала выделяются события с
энерговыделением только в NaI(Tl). Фоновое излучение в фосвич-моде может быть
идентифицировано по взаимодействию излучения с кристаллом CsI(Na).
Сцинтилляционные детекторы работают параллельно в двух энергетических
диапазонах: 15 – 150кэВ (в фосвич-моде) и 0,27 – 1МэВ (в спектрометрический моде по
измерению полного сигнала от обоих сцинтилляторов). Фосвич-детекоры окружены
пассивной защитой. Углы зрения определяются коллиматорами из тантала толщиной
0.2мм. Для коллимированного излучения детекторы RT-2/S и RT-2/G имеют углы зрения:
4×4 и 6×6 градусов соответственно.
RT-2/S
RT-2/CZT
КАМ
Коллиматор
ФЭУ
Модули детекторов
CZT
Рис.6. Схемы блоков детекторов прибора RT-2
Калибровки детекторов проводятся на орбите с использованием маломощного
радиоактивного источника 57Co.
В блоке RT-2/CZT расположено два детектора жесткого рентгеновского излучения.
В одном из них использован полупроводник кадмий - цинк - теллур (CZT), который
обладает
высокой
тормозной
способностью,
низким
тепловым
шумом,
работоспособностью при температуре, близкой к комнатной (-10 + 10ºС), а также высокой
эффективностью регистрации для жесткого рентгеновского диапазона. Геометрическая
площадь детектора CZT равна 48см2, что достигается использованием трех модулей CZT
размером 40×40мм. Каждый модуль CZT представляет собой матрицу элементов
размером 2.5x2.5мм и толщиной 5мм.
Над CZT-детектором на расстоянии 40см расположен
коллиматор в виде кодированной апертурной маски со
случайным расположением поглощающих элементов
(КАМ). Размер КАМ 180x180см2,(?!) толщина 0,5мм,
материал – тантал. Размер каждого элемента 2.5x2.5мм.
Оцененное угловое разрешение композиции CZT для
слабых вспышек составляет 30 угловых минут, для
мощных вспышек может быть улучшено обработкой
вплоть до 2 угловых минут.
Другой детектор блока RT-2/CZT выполнен из
сцинтиллятора GdOS размером 25х50мм и толщиной 3мм,
находящемся в оптическом контакте с CMOS матрицей с
эффективным размером пикселов 100х100мкм. Над
GdOS/CMOS детектором на расстоянии 40 см установлен
коллиматор в виде двух пластин Френеля, которые
изготовлены
из
вольфрама
толщиной
1мм,
Рис.7. Общий вид блока RT-2S обеспечивающие модуляцию излучения вплоть до 100кэВ.
Для наиболее мощных вспышек при их простой пространственной структуре угловое
разрешение может достигать 5 угловых секунд.
Бортовая память составляет 10 Мбайт при одной или двух передачах
телеметрических данных на Землю.
Общий вес прибора RT-2 – 44кг, потребление 20вт.
_____________________________________________________________________
The RT-2 Experiment
Onboard the
Coronas-Photon Satellite
The main goal of the CORONAS-PHOTON mission is to study the solar hard
electromagnetic radiation in the wide energy range from UV to high-energy gamma ray
(~ 2000 MeV). The RT-2 telescope covers the energy range 15 to 150 keV extendible
up to 1 MeV. The RT-2 system is comprised of 3 detector modules namely RT-2/S, RT2/G (both Phoswich detectors), RT-2/CZT (CZT and CMOS detector) and 1 processing
electronics box RT-2/E.
The RT-2/S and RT-2/G consist of NaI (Tl) / CsI (Na) scintillator Phoswich assembly
viewed by a photomultiplier (PMT). The entire assembly sits behind a mechanical slat
collimator surrounded by a graded shield and has viewing angles of 4o x 4o and 6o x 6o,
respectively for RT-2/S and RT-2/G.
The RT-2/CZT consists of three CZT detector modules and one CMOS detector
arranged in a 2 x 2 array. Each CZT module consists of 256 individual detectors of
dimension 2.5 mm x 2.5 mm and CMOS consists of 512 x 1024 pixels of dimension 50
µm x 50 µm (the final image in CMOS, however, is generated by taking 2X2 pixels in
the central 512 X 512 part). The entire detector assembly sits behind two different types
of coding devices, namely Coded Aperture Mask (CAM) and Fresnel Zone Plate (FZP),
surrounded by a shield and has a viewing angle ranging from 5o to 8o.
The RT-2 experiment is designed to have a time resolution of the order of 100 msec
and to have fast spectral studies of solar hard X-ray flares as well as the image of the
flare in hard X-rays. All the three modules will be mounted co-aligned to the SUN.
Details of the RT-2 Blocks
RT-2/S, G
RT-2/CZT
RT-2/E
Weight (kg)
12.5±0.4
11.5±0.4
7.5±0.4
Power (W)
4.5±0.5
7.5±0.5
3.5±0.5
Dimension (mm)
250 X 230 X 365 250 X 230 X 465 400 X 190 X 229
Detectors
Type
NaI (Tl) + CsI (Na)
CZT
CMOS
Thickness (mm)
3+25
5
3
40 X 40
116 Dia
24 X 24
Size (mm)
Readout
PMT
768 pixels
256 X 256 pixels
Effective area (cm2)
100
48
4.5
Energy resolution
< 25%
8%
NIL
15 – 150 keV
10 – 100 keV
15 – 200 keV
(RT-2/S)
(1 module)
25 – 150 keV
25 – 100 keV
(RT-2/G)
(2 modules)
Time Resolution
1 s count
1 s count
(normal mode)
100 s spectrum
100 s image
Energy range
(3 modules)
100 s image
Time Resolution
0.1 s count
1 s count
(flare mode)
10 s spectrum
100 s image
100 s image
Notes: 1. Spectra are in 512 channels;
2. Counts and CZT images are in 4 channels (<40 keV; 40 – 60 keV; 60 –
100 keV; > 100 keV); channel boundaries can be changed by command.
3. CMOS image is a 1-bit image
Flare statistics observable with the RT-2 experiment
(Background in RT-2/S: 15-25 counts/s)
Flare frequency
Counts in RT-2/S
(per day)
(10 s)
Solar
Comments
Solar min
max
250
25
40
Micro-flares
25
2.5
400
Flare statistics
2
0.2
5000
Flare spectrum
0.1
0.01
10000
Time resolved
(CZT: 5000)
spectrum
Detector capabilities
1. RT-2/S: 15 - 150 keV; upto 20000 counts/s; M class flares
2. RT-2/G: 25 - 120 keV; upto 20000 counts/s; X class flares
3. RT-2/CZT:
Three CZT detectors; upto 100,000 cts/s.
Coded Aperture Mask (CAM) and Fresnel Zone Plate (FZP) are used as follows:
CZT1: 10 - 100 keV; CAM; 2 arc-min imaging.
CZT2: 25 - 100 keV; CAM. 2 arc-min imaging
CZT3: 25 - 100 keV; FZP
1 arc-min imaging.
One CMOS detector: 15 - 200 keV; FZP arc-sec imaging for bright flares
(brighter than 20 keV flux of > 103 ph/cm2/s/keV occurring roughly about once in 6
months during solar maximum).