Введение
Спутник NASA программы Explorer Explorer 11 (также известный как S 15) был спутником NASA, на котором впервые в космосе был установлен гамма-телескоп. Это ознаменовало начало космической гамма-астрономии. Запущенный 27 апреля 1961 года ракетой-носителем Juno II, спутник передавал данные до 17 ноября 1961 года, когда проблемы с электропитанием прекратили научную миссию. За семь месяцев существования космического аппарата было зарегистрировано двадцать два гамма-всплеска и приблизительно 22 000 событий космического излучения.
Explorer 11 (also known as S 15) was a NASA satellite that carried the first space borne gamma ray telescope. This marked the beginning of space gamma ray astronomy. Launched on 27 April 1961 by a Juno II, the satellite returned data until 17 November 1961, when power supply problems ended the science mission. During the spacecraft's seven month lifespan it detected twenty two events from gamma rays and approximately 22,000 events from cosmic radiation.
Запуск
"Эксплорер-11" был запущен с целью обнаружения источников высокоэнергетических гамма-лучей. Космический аппарат вышел на орбиту с апогеем в , перигеем в , периодом 108,10 минут и наклонением 28,90°. Помимо обнаружения гамма-лучей, "Эксплорер-11" был разработан для картирования их направления с особым вниманием к плоскости Галактики, Галактическому центру, Солнцу и другим известным источникам радиоизлучения; для установления связи между измерениями и плотностью потока космических лучей и плотностью межзвездной среды; и для измерения высокоэнергетического альбедо гамма-лучей в атмосфере Земли. Спутник представлял собой октагональную алюминиевую конструкцию в форме ящика со стабилизацией вращением, установленную на цилиндре (диаметром и длиной). "Эксплорер-11" был сконструирован таким образом, чтобы его стабильное движение представляло собой кувырок вокруг поперечной главной оси с наибольшим моментом инерции. Гамма-телескопический комплекс был установлен таким образом, чтобы его ось чувствительности, параллельная продольной оси спутника, вращалась в плоскости кувырка. Ориентация этой оси в пространстве определялась с точностью до 5° с помощью оптических датчиков ориентации и с использованием известной диаграммы направленности антенны аппарата. Телеметрия передавалась только в реальном времени двумя передатчиками PM, поскольку бортовой магнитофон вышел из строя при запуске.
Сэндвич из кристалла / счетчик Черенкова
Инструментарий для эксперимента с кристаллическим сэндвичем Черенкова на Explorer 11 был таким же, как и для эксперимента с гамма-телескопом. Эксперимент с гамма-лучами был разработан исследователями из Массачусетского технологического института (MIT) главным образом для обнаружения космических гамма-лучей с энергией более 50 МэВ. Данные о заряженных частицах собирались с использованием того же инструмента. Этот телескоп использовался для определения интенсивности и распределения углов наклона геомагнитно захваченных протонов. Телескоп состоял из антисовпадения пластикового щита, слоев кристаллов йодида натрия (NaI) и йодида цезия (CsI), а также цилиндрического детектора Черенкова. При снятии требования антисовпадения с пластиковым сцинтиллятором, информация о заряженных частицах регистрировалась всеми тремя счетчиками. Кроме того, фиксировались совпадения заряженных частиц между кристаллическим сэндвичем и детекторами Черенкова. В этом режиме получалась информация о направлении. Эффективная площадь телескопа составляла примерно… Направление взгляда телескопа совпадало с осью симметрии космического аппарата. Для пучка, падающего параллельно направлению взгляда телескопа, эффективность обнаружения падала до 0 при отклонении на 15° от этого направления. Энергетические пороги для каждого детектора были следующими: (1) сцинтилляционный пластик (верхняя часть) – электроны 350 кэВ, протоны 3,5 МэВ; (2) сцинтилляционный пластик (нижняя часть) – электроны 400 кэВ, протоны 35 МэВ; (3) кристаллический сэндвич – электроны 400 кэВ, протоны 75 МэВ; и (4) Черенков – электроны 15 МэВ, протоны 350 МэВ. Время накопления данных о заряженных частицах составляло приблизительно 30 секунд. Единственная схема масштабирования на Explorer 11 позволяла контролировать только один канал за раз. В течение 7 месяцев, когда прибор был включен и работал на орбите, полезным временем наблюдения считались только 141 час (3%). В течение этого времени телескоп осуществлял наблюдение за гамма-лучами и заряженными частицами.
Контртелескоп Фосвича-Черенкова
Этот эксперимент был разработан для поиска высокоэнергетических гамма-лучей (энергией более 50 МэВ) с небесной сферы. Основная схема детектора состояла из сэндвича сцинтилляционных кристаллов NaI и CsI (20 г/см2), считываемого одним фотоумножителем, и счетчика Черенкова из Lucite, считываемого двумя фотоумножителями. Он был полностью окружен щитом из сцинтиллирующего пластика, который наблюдался пятью фотоумножителями. Сэндвич-детектор обеспечивал материал с высоким атомным номером для процесса образования пар, то есть энергичные гамма-лучи преобразовывались в электрон-позитронные пары. Затем электроны и позитроны попадали в счетчик Черенкова, который регистрировал частицы, проходящие через его объем только в направлении вниз. Одновременные электрические сигналы от двух фотоумножителей указывали на то, что через телескоп прошла одна или несколько заряженных частиц. Сигналы или их отсутствие от окружающего пластикового щита в момент регистрации события указывали, была ли причиной регистрации незаряженная или заряженная частица. Кроме того, "последняя" и "суммарная" составляющие сигналов от фотоумножителя, считывающего сэндвич-детектор, позволяли различать события, вызванные нейтронами и гамма-лучами. Эксперимент работал нормально с момента запуска до 17 ноября 1961 года. Телескоп Explorer 11, разработанный в Массачусетском технологическом институте (MIT), использовал комбинацию сэндвич-сцинтиллятора и счетчика Черенкова для измерения направлений прихода и энергий высокоэнергетических гамма-лучей. Поскольку телескоп нельзя было направить, космический аппарат был установлен в медленное вращение для сканирования небесной сферы. Из-за более высокой, чем планировалось, орбиты, которая привела космический аппарат в область помех от радиации радиационного пояса Ван Аллена, и раннего выхода из строя бортового магнитофона, из примерно 7 месяцев работы прибора удалось получить только 141 час полезного времени наблюдений. За это время было зарегистрировано тридцать одно событие с "гамма-сигнатурой", когда телескоп был направлен в направления, удаленные от атмосферы Земли, которая является относительно ярким источником гамма-лучей, образующихся при взаимодействии обычных протонов космических лучей с атомами воздуха. Небесное распределение тридцати одного направления прихода не показало статистически значимой корреляции с направлением какого-либо потенциального космического источника. В отсутствие такой корреляции установить, что причиной тридцати одного события являются гамма-лучи космического происхождения, не удалось. Поэтому результаты эксперимента были представлены в виде верхних пределов, которые были значительно ниже пределов, полученных в предыдущих экспериментах на воздушных шарах. Улучшенный гамма-телескоп, также разработанный в MIT, был запущен на борту орбитальной солнечной обсерватории 3 (OSO 3), запущенной в 1967 году. Он позволил впервые однозначно зарегистрировать высокоэнергетические космические гамма-лучи как из галактических, так и из внегалактических источников. Последующие эксперименты, как на орбите, так и на Земле, выявили многочисленные дискретные источники космических гамма-лучей в нашей галактике и за ее пределами.