Известия РАН. Серия физическая, 2019, T. 83, № 8, стр. 1042-1045

1. ПРОЕКТ TAIGA-IACT

Установки IACT являются современными инструментами для гамма-астрономии в TэВ-диапазоне и позволяют измерять спектры гамма-излучения. Энергия гамма-лучей определяется из анализа изображений на фотодетекторе IACT. В случае стереоскопических систем из нескольких IACT, которые наблюдают ШАЛ с разных углов обзора, расположение оси ливня и расстояние от данного телескопа до этой оси можно получить простой геометрической реконструкцией. Для одиночных IACT расстояние до оси ливня можно оценить на основе анализа черенковского изображения с помощью массива детекторов HiSCORE, которые являются составной частью установки ТАЙГА.

Проблема существующих экспериментов с IACT – HESS [1], MAGIC [2] и VERITAS [3] – в недостаточной чувствительности к гамма-излучению с энергией E > 15–20 ТэВ из-за малой эффективной площади установок (0.1 км²). С их помощью невозможно обнаружить поток гамма-излучения с энергией ~100 ТэВ. Для решения этой проблемы установка TAIGA включает широкоугольные черенковские детекторы HiSCORE с углом обзора около 0.6 ср и угловым разрешением ШАЛ 0.1°–0.2°, а также несколько IACT, которые увеличат чувствительность в области энергий 10¹⁴‒10¹⁵ эВ, позволяя сохранить высокое угловое разрешение [4].

Преимущество нескольких IACT, добавленных к массиву детекторов HiSCORE, заключается в их лучшем гамма-адронном разделении по изображению ШАЛ, тогда как положение и направление оси ШАЛ, а также энергия могут быть лучше реконструированы массивом детекторов HiSCORE (рис. 1). Комбинация информации IACT и HiSCORE дает превосходный результат по сравнению с эффективностью каждого отдельного компонента. Этот гибридный метод позволяет подавить фоновые адронные ливни КЛ примерно в 100 раз при энергии 100 ТэВ для точечных источников и увеличить расстояние между IACT до 600 м без потери точности реконструкции ШАЛ.

Рис. 1.

Примеры изображений ШАЛ на камере IACT с определением положения и направления оси.

В 2019 г. количество станций TAIGA-HiSCORE будет увеличено до 100–120 (площадь 1 км²), а количество IACT (рис. 2) до 3. В отдаленном будущем предполагается расширение установки до 5 км², так что в диапазоне энергий 30–200 ТэВ чувствительность будет составлять 10^–13 эрг ∙ см^–2 ∙ с^–1 в течение 500 ч наблюдения [5].

Рис. 2.

Первый (а) и второй (б) телескопы IACT (сентябрь 2018 г.).

2. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ТЕЛЕСКОПА В ОИЯИ

Механические узлы и система управления гамма-телескопом для эксперимента TAIGA были изготовлены в ОИЯИ на основе конструкции телескопа HEGRA. IACT представляет собой атмосферный черенковский телескоп оптической схемы Дэвиса–Коттона, удовлетворяющий следующим требованиям: альт-азимутальная установка; сферическая форма отдельных зеркальных модулей диаметром 0.6 м и общей площадью зеркала 9.6 м²; угол обзора ±5°; поворот вокруг горизонтальной оси (зенитный угол) –10° + 95°; поворот вокруг вертикальной оси (азимутальный угол) 0°‒410°; угловая точность составляет 0.01°; возможность дистанционного компьютерного управления телескопом; скорость вращения составляет 1–2 град/с; камера фотоприемника с размерами 750 × 750 × 400 мм представляет собой матрицу ФЭУ с электроникой FE и DAQ. Диаметр одного ФЭУ составляет 15 мм с конусом Винстона 35 мм на входе, что обеспечивает угловое разрешение IACT на уровне 0.4°; камера весом ~200 кг закреплена на фокусном расстоянии 4750 ± 1 мм; условия эксплуатации: температура от минус 40 до плюс 30°C при высокой влажности.

Все ФЭУ камеры были прокалиброваны для разных режимов работы. Измерены темновые токи и коэффициенты усиления для различных питающих напряжений. ФЭУ сгруппированы в камере в кластеры по 28 ФЭУ с близкими характеристиками, что позволит упростить процедуру формирования настроек камеры и восстановление сигнала.

Для производства фокусирующих зеркал в ОИЯИ используют метод моллирования. Стальную сферическую форму и стеклянную заготовку контролируемым образом нагревают в печи в течение 48 ч. Стеклянный диск деформируется и принимает сферическую форму под действием силы тяжести. Специальный режим изменения температуры позволяет достичь достаточно гладкой поверхности. Текущие эксперименты направлены на повышение гладкости конечного продукта, чтобы избежать последующей полировки стекла и минимизировать ошибки кривизны до пределов, допустимых для TAIGA–IACT, чтобы диаметр фокального пятна не превышал 3 мм. Для этого предложен переход от выпуклой поверхности формы к вогнутой. При этом поверхность будущего зеркала вообще не соприкасается с поверхностью формы. Качество стеклянных заготовок (однородность по толщине составляет около 0.02 мм на диаметре 600 мм) позволяет предполагать, что моллированные поверхности зеркал позволят минимизировать дальнейшую обработку.

3. СИСТЕМА ГИДИРОВАНИЯ И ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

Вращение вокруг каждой оси выполняется шаговыми двигателями Phytron ZSH107/4.200.12.5. Каждый из них оснащен планетарной коробкой передач (передаточное отношение 40, максимальный люфт 16', максимальный крутящий момент 17 Н ∙ м) и червячный редуктор (передаточное отношение 50, номинальный крутящий момент 1450 Н ∙ м). Двигатель выполняет полный поворот за 200 шагов в полномасштабном режиме. Таким образом, телескоп выполняет полный оборот в 400 000 шагов. Контроль углового положения осей выполняется с помощью абсолютных энкодеров Hengstler (разрешение 17 бит, обмен данными по коду SSI Grey). Каждая ось оснащена также двумя концевыми выключателями. Шаговые двигатели, энкодеры и концевые выключатели подключаются к контроллеру шагового двигателя PhyMOTION. В дополнение к другим функциям контроллер поддерживает режим дробления шага до 1/512 полного шага, который можно использовать для сглаживания слежения телескопом. Удаленный доступ к контроллеру осуществляется через Ethernet.

Чтобы определить точную ориентацию телескопа в небе, используется CCD-камера Prosilica GC1380. Поле зрения CCD-камеры составляет ~30° × 20°, а угловое разрешение ~83 угловых секунд, что позволяет захватывать изображение неба с наблюдаемым источником, а также камерой телескопа. Таким образом, можно одновременно установить соответствие небесной системы координат и положение черенковской камеры. CCD-камера имеет разрешение 1360 × 1024 пикселей и содержит 12-битный АЦП. Камера может работать до 20 кадров в секунду, а время экспозиции может быть установлено от микросекунд до одной минуты. Для управления и сбора данных с удаленного доступа камеры можно получить через Ethernet [6].

4. СИСТЕМА ЮСТИРОВКИ ЗЕРКАЛ

Зеркала в телескопе расположены на отдельных фланцах с механизмом ориентации. Юстировка зеркал осуществляется вручную. Для повышения точности юстировки была разработана модификация стандартной процедуры, состоящая из двух этапов. Сначала изображение точечного источника, создаваемое отдельным зеркалом, выводится далеко от фокуса, для того чтобы его можно было соотнести с определенным зеркалом. Затем фокальная картина фиксируется черенковской камерой и специальной программой даются рекомендации по ориентации зеркала для осуществления точной юстировки.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Первый IACT успешно работает в составе установки ТАЙГА. Механика второго гамма-телескопа изготовлена и испытана в ОИЯИ. В настоящее время с ним проводятся полевые испытания в Тунке. В ОИЯИ разработана технология производства и контроля зеркал. Начато изготовление третьего телескопа.