王子祺宇宙线实验期末作业SWIFT实验

1、SWIFT实验伽马暴空间探测器1210243 王子祺 伯苓班1、实验目的Motivation伽马射线爆发Gamma-ray burst：GRBs是除宇宙大爆炸外能量最高的宇宙射线爆发。平均下来大约每天在我们的宇宙中都会发生一次伽玛暴我们能探测的这种短暂但极其强烈一闪而过的伽马射线事件。他们会从天空的各个方向出现，持续长度也从几百秒到几百万秒不等。迄今为止还尚未有一种靠谱的理论能将这种宇宙现象完美解释。我们不知道这些信号来自哪里，是来自于大质量星球被黑洞吞噬或其本身变为黑洞？或是来自中子双星的周期运动？亦或是源自某些未知的宇宙现象比方玄乎其神的夸克星与类星体？并且这些高能伽马射线又会进一步引起那

2、些宇宙学现象？图1-恒星演化模式图在坍缩为黑洞时会发出强烈的暴解决这一系列的追问迫使我们不得不对宇宙中的GRBs进行精确地测量。在1996年NASA曾发射过BeppoSAX卫星用来进行暴的探测，1997年二月BeppoSAX首次观察到了暴并用它所携带的X射线探测器很迅速的测定了其来源方向。而现在Swift将成为定量的给出这些问题以答案的更加强有力的工具。我们将利用它解决伽玛暴之谜起源之谜Swift的三个组成局部下文介绍可以将对伽玛暴的测定提升到从未有过速度与精度。在最初的几秒即可发现并定位伽玛暴的来源，并将地址传输给地面基站。让全世界所有的地面和空间探测器都有时机观察伽玛暴的余晖GRBs Af

3、terglow。在几种对暴起源的假设模型中，射线瞬间爆发后应衰退为由喷射物和星际气体碰撞产生波长更长的射线。通常将这种现象称为余晖Afterglow，在暴的研究中有很重要的地位。对余晖的测量可以帮助我们了解暴与星际物质的相互作用和其起源。早期该系列实验前对暴观测的不成功源于不能在爆发后短时间内测定暴的来源，导致地面和空间探测器都不能记录到完整的余晖信号。而Swift由非常敏感的探测器组建，能快速响应并探测暴的来源，并进一步精确测定其余晖喷发。图2-BeppoSAX 1996-2002 1997年2月首次探测并定位伽玛暴实例图3-Swift效果图 2004-至今2、实验设计Divice Dese

4、rtØ 简介Swift雨燕工程全名Swift 伽马射线爆发探测工程Swift Gamma-Ray Burst Mission隶属于NASA，包括一个轨道空间探测器Swift和相关地面基站。Swift于2004年11月20日17:16:00搭乘Delta 7320-10C运载火箭升空。 Swift作为一个多波段暴空间探测器，其由三个主要设备一起工作对暴在波段，X射线波段，紫外波段和可见光波段进行多波段探测。基于一个设备上的全空域连续扫描监测器，Swift可以利用动量回轮自动旋转到GRBs可能出现的方向。该工程的名称Swift雨燕并非是工程全称的首字母缩写，而仅仅是用来形容该设备快速Sw

5、iftly旋转方位的能力。Swift所有发现都能迅速传输至地面基站，这些数据能使得其探测机构和设备参加到Swift工程共同观测GRBs。在两次GRB发生之间的空闲时间，Swift可以做些其他的重要研究，大学和其他研究机构可以对设备资源进行申请进行可能的观测。位于宾夕法尼亚州州立大学的Swift工程操作中心MOC可以操控卫星的状态。而位于戈达德太空飞行中心Swift科学数据中心SDC负责储存实验数据档案。Ø 包含设备图4-Swift空间探测器组成局部Swift空间探测器主要由三个探测设备构成：爆发艾伦射线望远镜BAT，X射线望远镜XRT和紫外/可见光望远镜UVOT。其中Swift负载的

6、最大的一个设备就是艾伦射线望远镜BAT，它可以同时观测全天1/6的区域。这使得BAT每年可以探测到100例以上的GRB事件。每当BAT探测到GRB事件，整个飞行器会迅速的自动旋转自身方向，使得XRT和UVOT朝向GRB来源方向进行高精度的X射线波段和光学波段紫外-可见光的探测，分析各个波段的频谱信号。并精确确定其光学和X射线波段的射线来源位置Swift会测定绝大多数其发现的伽玛暴的红移让科学家可以了解伽玛暴来源的距离并且计算出其绝对亮度。并且Swift也会对伽玛暴的余晖提供详细的多波段的光强-时间曲线让科学家调查伽玛爆发生地点周边的物理环境。Swift所测得的关键数据将实时的传送到地面基站，令

7、GRB合作网络GCN能够迅速的将重要数据在网络上公布为其他地面和空间探测系统提供探测和学习伽玛暴的时机。Swift也可以在空闲时间利用BAT进行全天低能量伽马射线研究，其灵敏度比任何之前的设备要高。Swift在信号转换率到达峰值时可以在75s内转换1050的数据，并且其在线信号下载/传输的速度平时可以到达2Kb/s实时传输，借用其他轨道卫星ASI系统每七天就可以实现一天2.25Mb/s的信号传输速率。下面给出三个望远镜系统的详细参数l 爆发艾伦射线望远镜BAT：15-150keVBAT系统是高灵敏度，大视场的测定GRB起源和在4角分范围内确定GRB来源位置的探测系统。系统采用编码掩膜光圈，探测

8、器由Cd，Zn，Te 三种元素的材料复合而成，并采用光子计数的操作模式。BAT系统拥有2.0sr的半视场，由256个具有128个探测元素的模块构成，系统尺寸为4mm×4mm×2mm，探测面积达5200cm2，望远镜点扩散函数PSF为17角分，定位精度可以到达1-4个角分，探测伽马射线的能量范围从15keV到150keV。图5-BAT探测系统内部结构图如图5所示，BAT系统由一整块约54000个铝砖5×5×1mm组成的2.7m2的D-形可编码掩膜板和下方的32768块4×4×2mm的CdZnTeCZT组成的1.2×0.6m的探

9、测区域外加散热系统，供能系统，控制系统遮光板和光学平台组成。其中D形可编程掩膜板为厚度5cm的复合蜂窝板，复合纤维在探测平面上方1m的位置。其中的铝砖单元采取随机50%概率开启50%概率闭合的工作模式，使整体上或得收益1.4立体角的半视场。Z级别的遮光板环绕在探测平面和掩膜平面的夹层，降低各项同性的宇宙射线本底噪声和各向异性的来自地球的反照率通量可去除95%。图6-Bat系统中的D-形可编码掩膜板BAT系统的探测平面中每128个探测单元组成数组，总共有8×16组数组组合而成，每一组都包含128个通道以突出特定的应用程序集成电路。其中每两个数组组合成一个模块，进一步将系统划分为8个模块

10、，这种层级结构和随机的高容错率的编码掩膜板技术共同决定了BAT的超高容错率。其中单个探测器，单个数组，甚至单个模块的错误不会影响探测器的整体性能。CZT数组的标称工作温度为293.15±1K°，典型工作偏压为-200V，最大偏压-300V。在搜索伽玛暴的过程中，BAT对全天区的硬X射线进行研究和监测，每5分钟绘制累积探测平面图并发送回地面基站这些是探测器正常遥控传输数据的一局部，在标定寿命2年的时间中，BAT探测系统将完成天空图像测绘和伽玛来源位置搜索的功能。下面给出一个BAT工作的典型事例曲线。图7-BAT探测器对60keV能量的伽马射线的典型信号l X-射线望远镜XRT

11、：0.3-10keVXRT系统采用Wolter望远镜和XMM EPIC CCD的探测器，在1.5keV的能量下有效探测面积达135cm2，拥有23.6×23.6角分的视场范围，系统探测器由600×600个像素单元组成，单像素视场为2.36角秒/像素，望远镜的点扩散函数PSF在1.5keV的能量下为18角秒HPD，定位精度达3-5角秒，测量能量范围为0.2keV到10keV，灵敏度为2×10-14尔格/cm2s在104s内。图8-XRT探测系统结构图XRT系统的主要任务是测量在X波段的光通量，光谱和伽玛暴和余晖时的光变曲线，其探测灵敏度高，对光通量的测定范围大，可以

12、测定光强在7个数量级内的变化。XRT目标一个典型的伽马暴在10s内进行精度5角秒的探测以研究在从伽马暴后20-70s到之后几天甚至几星期中的X射线的变化。XRT系统是聚焦X射线望远镜，有110cm2的有效区域。包括x射线反射镜，隔热板，电子偏转器。为防止反射镜在空间轨道退化影响整体模块性能，它被一个保持在293.15±5K°渐变<1K°的主动控制隔热板包裹。相机在复合望远镜管的焦平面上，包括一个单的CCD-22探测器。图9-XRT与BAT在成像上的位置关系XRT系统在BAT系统检测到信号并调整位置后开始对伽玛暴来源进行测量，图9给出了发现伽玛暴时BAT的视场

13、红色和调整位置后BAT的视场蓝色以及调整后XRT的视场绿色之间的位置关系。l 紫外可见光望远镜UVOT170-600nmUVOT系统采用改良的Ritchey-Chrétien望远镜，入瞳直径30cm，F数为12.7。该系统的探测器为加强版CCDCharge Coupled Device，操作模式与BAT相同，为光子计数。其视场大小为17×17角分，由2048×2048个单像素探测单元组建而成。系统所探测的波长范围从170nm到650nm，对350nm的波长，系统望远镜的点散函数PSF为0.9角秒，系统总定位精度达0.3角秒，单像素探测范围0.48角秒。系统将探测到

14、的图像用6种颜色表示有紫外波段，对于400nm的波长，图像谱分辨率为=200，探测灵敏度为B=24白光曝光1000s，探测饱和光强为mv=7mag。图10-UVOT的内部结构图3、实验结果Result来源网页: ://about_swift/discoveries.html只列出一些重要结果：l Swift发现GRB 090423，刷新了当时宇宙中的最远距离。用光谱比对测量，其红移为z=8.3。l Swift测量了高红移区域z>5【利用伽马暴测定】的金属元素丰度l UVOT和XRT提供了短脉冲的硬伽玛暴的角秒分辨率的位置，从而可以对他们的所在星系进行

15、标识。这种超短脉冲通常认为来自于双中子星碰撞。l Swif发现了当前不知道的一类的持续时间长的软伽玛暴，这种伽玛暴似乎与超新星没有关系。l XRT发现了伽玛暴中X射线的耀斑并且发现在某些情况下，X射线的余晖衰减的很慢。这表秒中央能量源在伽玛暴之后的几分钟到几小时内仍然在活动。l UVOT获取了大量的各种类型的超新星的独特的紫外曲线。l XRT已经观察到在冲击爆发的超新星中存在X射线闪现。l BAT在最深紫外波段的研究数据已经发现了>400个活动星系和AGN包括两个Seyfert星系内部存在黑洞的能量巨大的星系。l Swift与XMM-Newton小组合作发现了NGC5408星系中存在中等

16、质量黑洞的最好证据。l Swift与Fermi实验室合作发现两个软伽马射线再现源：SGR 0501+4516和SGR 0415-5729。l Swift获得了鹿林彗星和8p/塔特尔彗星的独特的紫外线和X射线数据，并偶然观察到深度撞击。4、实验展望FutureSwift实验已经在伽玛暴的探测方面获取很大的成就，首先一个最终要的建议就是要延长其运行时间或加紧开发下一代伽玛暴空间探测器。因为伽玛暴的事例很少，平均每年才能或得几百次的伽玛暴事例，这么少的事例对于拿来进行统计学上的宇宙学研究根本不够用。所有在伽玛暴探测方面没有足够的数据，只有更多的需求。第二点是Swift在各个波段探测器之间的协调性还可

17、以再增加，当伽玛暴触发BAT探测器后，应该在1s内完成转动，设备小幅度转动，或者优先只让某一波段的探测器快速转动到位进行测量，这样可以测量伽马射线喷发同时的X射线和紫外波段的谱线。感觉这实验做的挺完美的想不出什么了= =附：Swift Mission HistoryeditSwift was launched on November 20, 2004, and reached a near-perfect orbit of 586x601 km altitude, with an inclination of 20°.On December 4, an anomaly oc

18、curred during instrument activation when the Thermo-Electric Cooler (TEC) Power Supply for the X-Ray Telescope did not turn on as expected. The XRT Team at Leicester and Penn State University were able to determine on December 8 that the XRT would be usable even without the TEC b

19、eing operational. Additional testing on December 16 did not yield any further information as to the cause of the anomaly.On December 17 at 07:28:30 UT, the Swift Burst Alert Telescope (BAT) triggered and located on board an apparent gamma-ray burst during launch and early operations.8 The spacecraft did not autonomously slew to the burst since normal operation had not yet begun, and autonomous slewing was not yet enabled. Swift had its first GRB trigger during a period when the autonomous slewing was enabled on January 17, 2005, at about 12:55 UTC. It pointed