Skobeltsyn Institute of Nuclear Physics
Lomonosov Moscow State University

Научная аппаратура «НУКЛОН» (от слова «нуклон» - частица ядра), разработанная и созданная в НИИЯФ МГУ в кооперации с российскими организациями, предназначена для исследования нашей галактики, ее объектов, поисков странной и темной материи путем регистрации и изучения галактических космических лучей. Они представляют собой интенсивный поток адронной компоненты: от протонов до самых тяжелых ядер по таблице Менделеева; а также меньший по интенсивности поток электронов и позитронов.

Зная основные характеристики галактических космических лучей – это распределения частицы по типам и кинетическим энергиям (энергетические спектры), и учитывая астрономические данные по астрономии в разных диапазонах и современные представления о свойствах элементарных частиц, можно построить модель нашей галактики для изучения ее объектов, например, нейтронных звезд и сверхновых. Также с помощью этой модели осуществляется целенаправленный поиск факта существования антиматерии, странной и темной материи.

Более точные характеристики галактических космических лучей можно получить только над атмосферой Земли, так как до поверхности доходят не сами космические лучи, а вторичные частицы, рожденные при взаимодействии космических лучей с веществом атмосферы. Именно поэтому эксперимент «НУКЛОН» ставят на орбите нашей планеты.

Общий вид космического аппарата «Ресурс-П» №2 с научной аппаратурой «НУКЛОН»

Аппаратура «НУКЛОН» устанавливается в виде моноблока на борту серийного российского спутника «Ресурс-П» №2. К нему «НУКЛОН» будет прикреплен штангой. От него же будет питание и управление. Потребляемая мощность – 160 ватт. Телеметрия - не менее 10 гигабайт в сутки. Несмотря на малые размеры, «НУКЛОН» имеет 11104 регистрирующих каналов, сигнал с каждого из них подвергается первичной обработке и оцифровке.

Чтобы научную аппаратуру установили на спутник, ученым нужно было сделать ее легкой по массе – не более 300 килограмм. При этом сохранить чувствительность к частицам высоких энергий. Дело в том, что для их регистрации требуется очень тяжелый прибор - ионизационный калориметр.

Разработчики эксперимента «НУКЛОН», ученые из НИИЯФ МГУ, смогли решить эту проблему, сочетая очень тонкий ионизационный калориметр (микрокалориметр) с кинематическим методом KLEM (Kinematic Lightweight Energy Meter). Суть метода в том, что частица входит в плотное вещество, дает каскад вторичных частиц, по их среднему углу разлета определяется энергия первичной частицы. Это позволит обнаруживать частицы с энергиями от 100 ГэВ до 1 ПэВ.

Ионизационный калориметр, изобретенный в 50-х годах в НИИЯФ МГУ, до недавнего времени являлся единственным недорогим и надежным спектрометром энергии первичной частицы за пределами атмосферы, но при этом с существенным недостатком, который заключался в потребности большого количества плотного вещества.

Угол обзора научной аппаратуры «НУКЛОН» 117° (солнечные батареи условно не показаны)

Основные параметры научной аппаратуры «НУКЛОН»:
• Масса ~ 300 кг, с гермоконтейнером менее 360 кг
• Энергопотребление < 160 Вт
• Суточный объем телеметрии ~ 10 Гбайт
• Число независимых сенсоров 11104
• Гарантийный срок эксплуатации ≥ 5 лет

Коэффициент экспозиции, м²ср сутки:
• Протоны ~ 240
• Протоны ~ 55
• Ядра Fe ~ 600
• Ядра Fe ~ 140
• Электроны ~ 150

Энергетическое разрешение, %:
• Протоны 70-80
• Протоны ~ 50
• Ядра Fe 70-80
• Ядра Fe ~ 30
• Электроны ~ 10

Подавление протонов > 10⁴

Габаритные размеры научной аппаратуры - менее 1 метра.

В состав научной аппаратуры входят четыре основные системы (см. рис. 1а):
- система измерения заряда первичной частиц (или фиксации его отсутствия) – четыре слоя падовых кремниевых детекторов (1);
- спектрометр KLEM – графитовая мишень (2) и шесть тонких (~2 мм) слоев вольфрама, над каждым из которых расположен слой микростриповых (шаг стрипа ~0.5 мм) кремниевых детекторов (3);
- сцинтилляционная система быстрого триггера, предназначенная для выделения «интересного» события из фона – шесть слоев сцинтилляторов (4);
- вольфрамово-кремниевый микрокалориметр, предназначенный для полетной калибровки спектрометра KLEM и выделения электромагнитной компоненты (высокоэнергичных фотонов и электронов) из состава космических лучей - шесть 8 мм слоев вольфрама, над каждым из которых расположен слой микростриповых (шаг стрипа - 1.0 мм) кремниевых детекторов (5).

Рис. 1а. Общая компоновка аппаратуры «НУКЛОН»

Рис. 1б. Устройство микрокалориметра включает шесть слоев вольфрама и шесть слоев кремниевых микростриповых детекторов (слои раздвинуты)

Созданный микрокалориметр имеет мелкое секционирование. Кроме основной задачи, микрокалориметр способен выделять по форме каскада электромагнитную компоненту космических лучей на фоне большого числа адронных событий.

Микрокалориметр состоит из шести плоскостей по четыре ледера. Один ледер содержит четыре кремниевых микростриповых детектора со 128 стрипами толщиной 300 мкм, шириной 1 мм и длиной 25 см. Каждая плоскость включает вольфрамовый поглотитель и четыре ледера после него. Стрипы в соседних плоскостях ориентированы перпендикулярно друг к другу. Суммарно в микрокалориметре информация считывается с 1536 каналов. Каждая плоскость содержит пластину вольфрамового поглотителя толщиной 7.5 мм и плотностью 17.3 г/см³. Таким образом, один слой содержит 1.92 радиационных длин (X₀). Дополнительный слой поглотителя толщиной 3.5 мм, помещенный позади микрокалориметра для улучшения рассеяния электронов в обратном направлении в условиях развитого каскада, увеличивает полную толщину до 12.4X₀. Вместе с системой измерения энергии и мишенью толщина микрокалориметра «НУКЛОН» составляет 15.3X₀.

Микрокалориметр регистрирует каскад вторичных частиц после основной системы измерения энергии. Функционально микрокалориметр измеряет ионизацию от частиц каскада и служит для выделения и измерения энергии электромагнитной компоненты (электронов, позитронов, гамма-квантов) в общем составе космического излучения. Также микрокалориметр позволяет провести дополнительные измерения энергии протон-ядерной компоненты космических лучей и выполнить калибровки системы KLEM.

Методика KLEM основана на измерении пространственной плотности вторичных частиц на различных стадиях развития ядерного электромагнитного каскада. Этот метод является комбинацией кинематического метода и метода сверхтонкого калориметра.

В основе методики лежит пособытийное измерение пространственной плотности потока вторичных частиц, рожденных в точке ядерного взаимодействия в графитовой мишени и проходящих через тонкие вольфрамовые гамма-конверторы (три слоя). В настоящее время такая концепция осуществляется в проекте «НУКЛОН». Для определения энергии частиц используется параметр S=<ɳ2>×N, пропорциональный множественности N вторичных частиц, регистрируемых после гамма-конвертера, и среднему квадрату псевдобыстроте частиц ɳ=ln tg(θ/2) (θ – угол разлета вторичных частиц). В условиях реального эксперимента S рассчитывается для каждого ядра, взаимодействующего в мишени, путем измерения числа вторичных частиц Ni, зарегистрированных в стрипе с координатами Xi, Yi. Взвешенный центр каскада в слое X0, Y0 и H – расстояние до усредненной точки взаимодействия определяются по данным, полученным во многих слоях: Sx=Sln2(2H/(Xi-X0))Ni, Sy=Sln2(2H/(Yi-Y0))Ni

Теоретически рассчитанная зависимость “-E” показывает, что для всех первичных ядер ~E(0.7-0.8). Точность определения энергии для первичного спектра степенного вида с параметром γ~2.6-2.8 близка к 50%, что сравнимо с точностью эмульсионного метода и метода тонкого калориметра (микрокалориметра). Восстановление энергии в тестах на пучках (монохроматический пучок).

Для проверки результатов моделирования были проведены эксперименты в ЦЕРНе. Кривые калибровки и восстановленное энергетическое распределение показали удовлетворительное соответствие экспериментальных данных и расчетных значений. Результат этого анализа подтвердил предположение о возможности использования аппаратуры «НУКЛОН» для измерения энергии частиц.

Основные характеристики научной аппаратуры «НУКЛОН»:
• геометрический фактор ~0.3 м² ср (геометрический фактор микрокалориметра - ~0.08 м² ср);
• зарядовое разрешение не менее 0.2 зарядовых единиц;
• энергетическое разрешение не менее 70% (с использованием микрокалориметра не менее 50%) для всех типов ядер;
• энергетическое разрешение не менее 70%
• энергетическое разрешение электромагнитной компоненты не менее 8-10%.
Декларируемые характеристики были экспериментально подтверждены в ходе ускорительных экспериментов на выведенном пучке SPS ЦЕРН адронов, ядер и электронов в области энергий 50-350 ГэВ, и зарядов Z=1-30.

Несмотря на скромные используемые ресурсы, такие как масса, геометрические размеры, энергетика и т.п., эксперимент «НУКЛОН» увеличит общемировую статистику, собранную за предыдущие 50 лет исследования, как минимум в 2 раза. Причем речь идет о качественно новом материале - впервые будет исследован беспрецедентно широкий энергетический диапазон космических лучей в четыре порядка единой методикой в ходе долговременного, не менее 5 лет, орбитального эксперимента.

«НУКЛОН» - это полностью отечественный астрофизический проект. Он включен в Федеральную космическую программу России, заказчиками проекта являются Федеральное космическое агентство и Российская академия наук.

Участники проекта «НУКЛОН»:
• Научно-исследовательский институт ядерной физики имени Д.В. Скобельцына Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова
• Объединенный институт ядерных исследований, Дубна
• Научно-производственное объединение автоматики имени Н.А. Семихатова, Екатеринбург
• Научно-исследовательский институт материаловедения, Зеленоград
• Конструкторское бюро «Арсенал» имени М.В. Фрунзе, Санкт-Петербург
• Ракетно-космический центр «Прогресс», Самара

Научная аппаратура «НУКЛОН» в сборке