Проекты XXI века

Детектор НУКЛОН запущен на орбиту спутника Земли

Космодром Байконур, 26 декабря 2014 года, южная темная ночь, 21.30 по московскому времени. Последние приготовления к пуску ракеты. В небольшом затемненном зале в НИИЯФ МГУ собрались участники коллаборации НУКЛОН, чтобы наблюдать телетрансляцию запуска ракеты. На экране большого монитора видим неспешные движения людей из стартовой команды. Ракета Союз-2.1б стоит, освещенная прожекторами, на стартовой площадке N31 с детектором НУКЛОН в составе спутника РЕСУРС-П N2 под головным обтекателем. Ветерок относит туман парящего жидкого кислорода из топливных баков ракеты.

Последние минуты перед запуском ракеты - 26 декабря, 21.30.

В 21.45 отходят многоярусные конструкции, окружавшие ракету. На стартовой площадке уже никого, с главного пульта управления начался обратный отсчет времени. Считанные секунды до пуска. Доклады стартовой команды...

Немного истории. Детектор НУКЛОН создавался более 10 лет коллаборацией из нескольких научных и промышленных организаций во главе с НИИЯФ МГУ и предназначен для исследования спектра и состава космических лучей с энергией 10¹¹-5x10¹⁴ эВ в области так называемого колена (излома в наклоне спектра), открытого советскими физиками более 50 лет назад. Причина изменения формы спектра до сих пор не выяснена, несмотря на многочисленные эксперименты с широкими атмосферными ливнями, в том числе на высокогорных установках Памира, Тибета, Боливии, а также на баллонах в Антарктике. Надежды последнего времени связаны с новыми экспериментами на спутниках Земли. Они позволят провести прямые измерения и на основе большой статистики получить ответы на наиболее актуальные вопросы астрофизики происхождения космических лучей, механизмов их ускорения и распространения в Галактике.

В детекторе НУКЛОН разработана новая методика измерения энергии первичных космических частиц. Она основана на регистрации пространственно-углового распределения вторичных частиц электронными методами на установке с малой массой и большим геометрическим фактором, что имеет первостепенное значение для экспериментов в космосе. Детектор состоит из кремниевых и сцинтилляционных детекторов, углеродной мишени, вольфрамового конвертора гамма-квантов, а также микрокалориметра - всего более 10 тысяч каналов. В ОИЯИ была разработана и изготовлена двухуровневая сцинтилляционная система быстрого триггера (ССБТ). Цель триггерной системы - способность регистрации всех событий, их быстрая предварительная обработка с целью выборки событий в диапазоне энергий 10¹¹-5x10¹⁴ эВ и выдача управляющих команд для электроники всех детекторов. ССБТ содержит перестраиваемые триггеры первого и второго уровней для более эффективного отбора событий и состоит из трех двусторонних модулей, обеспечивающих многократное дублирование, а также электронной платы триггера первого уровня.

Детектор НУКЛОН создавался на базе современных детекторов физики частиц и включает в себя падовые кремниевые детекторы заряда, сцинтилляционные многостриповые детекторы триггерной системы, вольфрамовый конвертор гамма-квантов и микростриповые кремниевые детекторы.

В связи с жесткими требованиями к оборудованию на космических аппаратах все детекторы, в том числе триггерная система, с самого начала проектировались на промышленной основе, чтобы удовлетворить как требования к детекторам в физике высоких энергий, так и специфические космические требования. В течение многих лет незаменимым конструктором механики триггерной системы был недавно ушедший от нас Н.С.Толстой из КБ ЛЯП. Несколько вариантов разработанных и изготовленных модулей триггерной системы проходили тесты как на пучках SPS в ЦЕРН, так и на стендах также ушедшего И.П.Чупина из МКБ "Радуга" под контролем военного представителя.

Лето 2004 года. Изготовление первого прототипа триггерной системы. Обсуждение с главным конструктором
механики триггерной системы КБ ЛЯП Н.С.Толстым (на снимке справа).

Длительная история подготовки эксперимента НУКЛОН связана с тем, что по разным причинам, находящимся вне рамок компетенции коллаборации, детектор пять раз "пересаживался" с одного спутника на другой, с одной ракеты-носителя на другую и т.д. Каждая пересадка требовала адаптации к новым условиям, внесения изменений в детекторы, в том числе в детекторы и электронику триггерной системы, которая разрабатывалась, изготавливалась и тестировалась В.Ф.Борейко, Н.В.Горбуновым и В.М.Гребенюком. С другой стороны, как известно, нет предела совершенству, и в новые разработки триггерной электроники постоянно вносились улучшения.

2008 год. Сотрудники ОИЯИ А.Б.Садовский и З.В.Крумштейн готовят прототип детектора НУКЛОН к тестам на пучке в ЦЕРН.

С прототипами детекторов НУКЛОН ежегодно проводились тестовые сеансы на различных адронных и ядерных пучках SPS в ЦЕРН, включая тесты на пучке ядер в 2013 году. Неоценима помощь З.В.Крумштейна и А.Б.Садовского, участвовавших в работах на церновских пучках, а также сотрудников ОИЯИ, постоянно работающих в ЦЕРН, - Н.И.Зимина, В.Ю.Каржавина, В.А.Аносова и многих других.

2011 год. Сотрудники ЛЯП ОИЯИ С.Ю.Пороховой, В.М.Гребенюк, А.А.Тимошенко и Л.Г.Ткачев
за сборкой полетного образца триггерной системы НУКЛОН.

...Медленно тянутся последние минуты перед стартом. Прежде чем ракета устремится ввысь, на земле она проходит длительный этап подготовки. На космодром ее привозят в разобранном виде. И только после тщательных проверок начинается сборка конструкции в единое целое. Собирается пакет, проводятся испытания. После этого ракета готова к транспортировке на стартовый комплекс.

Но даже после установки на стартовый стол ракета отправляется в космос не сразу. Сначала - испытания и генеральная репетиция старта. Проводятся автономные испытания систем, проверяется каждая в отдельности, потом идут генеральные испытания. Имитируются полет ракеты-носителя, набор программ, первые 540 минут полета. Только ракета стоит на месте и вместо нее работают имитаторы. За стартом следят не по красивой картинке, которую привык видеть зритель, а по схемам так называемой телеметрии.

Вернемся в НИИЯФ МГУ. Там создан мини-ЦУП - центр управления полетом детектора НУКЛОН в составе спутника РЕСУРС-П N2, в который будут поступать информация о работе всех систем детектора на орбите и "сырые" данные для обработки и последующего анализа. Вечером 26-го в центре - участники коллаборации НУКЛОН из НИИЯФ МГУ, ОИЯИ, ФГУП "Арсенал" из Санкт-Петербурга, СКБ "Автоматика" из Екатеринбурга, НИИ материаловедения из Зеленограда, чтобы в онлайн режиме наблюдать телетрансляцию запуска ракеты с космодрома Байконур с детектором НУКЛОН. Здесь же присутствуют ректор МГУ В.А.Садовничий, директор НИИЯФ МГУ М.И.Панасюк и другие приглашенные.

В напряженной тишине затемненного зала через каждые 10 секунд звучат короткие доклады участников стартовой команды о работе систем на первых минутах ее полета...

Запуск проходит успешно, и на десятой минуте полета спутник отделяется от ракеты-носителя, что сопровождается облегченным вздохом присутствующих и аплодисментами. В Дубне было заранее известно о предстоящем запуске, и директор ОИЯИ В.А.Матвеев просил передать свои поздравления участникам коллаборации НУКЛОН.

Предполагаемый срок активной работы спутника на орбите 3-5 лет. Впереди большая работа по набору данных и их анализу.

Запуск прошел успешно. Вместе с создателями детектора НУКЛОН - ректор МГУ В.А.Садовничий и
директор НИИЯФ М.И.Панасюк. Четвертый справа - Д.М.Подорожный, руководитель эксперимента НУКЛОН.

Октябрь 2012 года. Полетная модель детектора НУКЛОН на тестовом пучке Н8 SPS в ЦЕРН.

Ноябрь 2014 года. Детектор НУКЛОН в составе спутника РЕСУРС-П N2
в монтажно-испытательном корпусе космодрома Байконур.

Сборка конструкции в единое целое.

Леонид ТКАЧЕВ,
руководитель работ по проекту НУКЛОН в ОИЯИ