Рожков Георгий Валерьевич Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, Москва, Россия Рожков Георгий Валерьевич Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, физический факультет, Москва, Россия Научный руководитель: Июдин А.Ф., д.ф.-м.н. НИИЯФ Моделирование функций отклика сцинтилляционных детекторов для регистрации рентгеновского и гамма- излучения от космических источников

Содержание доклада Актуальность работы Цель и задачи Метод Общий вид прибора INTERSONG Постановка эксперимента Основные результаты Обсуждение Дальнейшая работа Литература

Актуальность работы Активное использование сцинтилляционных приборов в рентгеновской и гамма-астрономии Низкое угловое разрешение (~1°) современных комптоновских детекторов Малая эффективность регистрации первичных фотонов (1-10%) Сложность и дороговизна постановки реального эксперимента Необходимость тщательного подбора составляющих и конфигурации, качественного анализа данных Все эти факторы обуславливают интерес к компьютерному моделированию функций отклика

Цель и задачи Цель : разработка методики моделирования функций отклика сцинтилляционных приборов и отыскание зависимостей энергетического и угловое разрешения прибора, эффективности регистрации и эффективной площади от энергии, типа и направления прихода первичной частицы на примере конкретных приборов (INTERSONG). Задачи : 1)Моделирование геометрии прибора и его физико- химических свойств 2)Моделирование эксперимента по облучению прибора частицами 3)Анализ и интерпретация полученных данных

Метод Основным средством симуляции физического эксперимента был программный пакет MEGAlib, основанный на GEANT4, для обработки выходных данных разработан ряд программ на C/C++, использующих ROOT. Вся работа велась в среде Linux с дистрибутивами Fedora В ходе работы использовались следующие программы пакета MEGAlib: Geomega (позволяет описать геометрию прибора и его химические свойства), Cosima (задание физических условий и моделирование эксперимента), Revan и Sivan (анализ данных разных уровней), Mimrec (восстановление изображения источника). GEANT4 Mimrec library The MEGAlib software package Cosima Simulation interface Sivan library Revan library Geomega

Общий вид прибора INTERSONG Прибор INTERSONG состоит из: 1. Годоскоп (3D-строповый сцинт. детектор, НС) 2. Калориметр (сцинт. кристаллы LaBr 3 (Ce)) 3. Антисовпадательная защита (сцинт. пластины HC) Часть детектора Размеры составной части, мм Хим. состав Число составных частей Общие размеры, мм Сцинт. 3D- строповый детектор (годоскоп, имиджер) 138 х 1.5 х 1.5 HC (Polystyrene) 86 х х 140 х x1.56x1.56 (с отверстием по форме стрипа) PMMA (Acrylic, C 5 O 2 H 8 ) Калориметр 14 х 14 х 30LaBr 3 (Ce)10 х х 140 х 30 Millipore1 Антисовп. защита 2:10 х 138 х 99 2:10 х 159 х 99 1:159 х 159 х 10 HC5-

Общий вид прибора INTERSONG Рис.1. Общий вид прибора INTERSONG Рис.2. Ориентация последовательных слоёв стропов

Постановка эксперимента В ходе моделирования предполагалось, что вся установка находится в вакууме. Прибор облучался моноэнергетическими фотонами (50, 100, 200, 500 кэВ и 1, 2, 5, 10, 25, 50, 100 МэВ) от далёкого точечного источника, при этом приходящий фронт частиц почти плоский. Весь эксперимент проводился в программе cosima (версия 2.24 для фотонов) пакета MEGAlib, предназначенной для симуляции космических экспериментов по регистрации фотонов.

Рис.3. Пример моделирования взаимодействия фотона с энергией 5 МэВ с прибором Постановка эксперимента Рис.4. Пример моделирования взаимодействия фотона с энергией 5 МэВ с кристаллом калориметра

Основные результаты Рис. 7. График зависимости эффективной площади прибора INTERSONG от энергии первичных фотонов Рис. 5. График зависимости углового разрешения прибора INTERSONG от энергии первичных фотонов Рис. 6. График зависимости энергетического разрешения прибора INTERSONG от энергии первичных фотонов Для конфигурации 1 (стропы толщиной 1.5 мм):

Основные результаты Рис. 10. График зависимости эффективной площади прибора INTERSONG от энергии первичных фотонов Рис. 8. График зависимости углового разрешения прибора INTERSONG от энергии первичных фотонов Рис. 9. График зависимости энергетического разрешения прибора INTERSONG от энергии первичных фотонов Для конфигурации 2 (стропы толщиной 250 мкм):

Обсуждение Из приведённых графиков видно, что характеристики моделируемого прибора серьёзно уступают существующим аналогам: Энергетическое разрешение существующих аналогов составляет 5-10%, угловое разрешение ~1°, а эффективность до 15-20%, а для прибора INTERSONG этому диапазону соответствует лишь энергетическое разрешение. Однако, дальнейшие модификации конфигурации прибора могут существенно улучшить его параметры, в том числе: угловое и позиционное разрешение, эффективность. Кроме того, детектор обладает несколькими значимыми достоинствами: компактность и малая масса телескопа (6 кг), конструктивная простота, широкий диапазон исследуемых энергий, возможность анализа событий с образованием пар и поляриметрии Прибор Характеристика COMPTELACTMEGANCTLXeGRITETCC INTERSONG best conf. Величина Энергетическое разрешение E/E,% ~ 2 МэВ МэВ кэВ) 2 МэВ Угловое разрешение, °~ 2 МэВ~ МэВ кэВ) Позиционное разрешение, мм 3 ~ 10 3 < 1~ 0.1~ 1.61~ 0.04~ 0.02 Геометрическая площадь, см 2 ~ ~ ~ Эффективность, %~ 0.1~ 8.3~ 8~ Поле зрения FoV, % неба~ 925~ 18~ 25~ 8~ 24~2~2 Диапазон энергий, МэВ – Тип годоскопа Жидк. сцинт. П/п стрип. Si П/п стрип. Ge TPC 3D-стрип. сцинт. HC Тип калориметра Сцинт. NaI П/п стрип. Ge Сцинт. NaI Cцинт. GSO:Ce Cцинт. LaBr 3 (Ce) Защита от шумовACD, TOF ACD (BGO) ACD ACD (BGO) Триггер ACD, триггер Поляриметрия Для самых мощных источн. Возможна

Дальнейшая работа В рамках работы над моделированием функций отклика сцинтилляционных детекторов планируются решение следующих задач: Моделирование нейтронных функций отклика для прибора INTERSONG Моделирование функций отклика для приборов DRGE-1, DRGE-3 комплекса RELEC (рис. 11,12). Рис.11. Слева – упрощенная схема конфигурации детектора DRGE-1, справа – реализация её в программе Geomega. Рис.12. Схема геометрии детектора DRGE-3

Литература Aprile E. et al. The LXeGRIT Compton Telescope Prototype: Current Status and Future Prospects. Proc.SPIE Int.Soc.Opt.Eng. 4851, pp Bloser P.F. et al. The MEGA Advanced Compton Telescope Project. New Astronomy Reviews, Volume 46, Issue 8-10, p Boggs S.E. et al. Overview of the Nuclear Compton Telescope. New Astronomy Reviews, Volume 48, Issues 1–4, Pages 251– Curionia A. et al. A Study of the LXeGRIT Detection Efficiency for MeV Gamma-Rays during the 2000 Balloon Flight Campaign. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, Volume 576, Issue 2-3, p , Diehl R. The COMPTEL experiment on the NASA Gamma-Ray Observatory. Space Science Reviews, Volume 49, Issue 1-2, pp Mizumura Y. et al. Development of a 30 cm-cube Electron-Tracking Compton Camera for the SMILE-II Experiment. Journal of Instrumentation, Volume 9, Issue 05, article id. C Zoglauer A. et al. Cosima - the Cosmic Simulator of MEGAlib.Nuclear Science Symposium Conference Record (NSS/MIC), 2009 IEEE: pp Zoglauer A. First Light for the Next Generation of Compton and Pair Telescopes. Doctoral thesis, Technische Universität München Zoglauer A. et al. MEGAlib - Medium Energy Gamma-ray Astronomy Library. New Astronomy Reviews 50(7-8): pp (ROOT руководство пользователя).

Спасибо за внимание!