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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）伽马射线暴发（Gamma-ray burst：GRBs ）是除宇宙大爆炸外能量最高的宇宙射线暴发。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（比如玄乎其神的夸克星与类星体）？并且这
2、些高能伽马射线又会进一步引起那些宇宙学现象？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 的三个组成部分（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
3、输给地面基站。让全世界所有的地面和空间探测器都有机会观察伽玛暴的余晖（GRBs Afterglow）。在几种对 暴起源的假设模型中， 射线瞬间暴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 于不能在暴发后短时间内测定 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 （1996-2
4、002 ） 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 Desert） 简介Swift（雨燕）项目全名 Swift 伽马射线暴发探测项目（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
5、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。该项目的名称 Swift（雨燕）并非是项目全称的首字母缩写，而仅仅是用来形容该设备快速（Swiftly）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加入到 Swift 项目共同观测 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 项目操作中心（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（S
6、DC）负责储存实验数据档案。 包含设备图 4-Swift 空间探测器组成部分Swift 空间探测器主要由三个探测设备构成：暴发艾伦射线望远镜（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
7、 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（让科学家调查伽玛暴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 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机会。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 在信号转换率达到峰值时可以在 75s 内转换 的数据，并且其在线信号下载/
8、 传输的速度平时可以达到 2Kb/s 实时传输，借用其他轨道卫星1050ASI 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 暴发艾伦射线望远镜（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，探测面积达 ，望远镜点扩散函数（PSF）为 17 角分，定位精度可以达4
9、42 52002到 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（ ）组成的 的 D-形可编码掩551 2.72膜板和下方的 块 的 CdZnTe（CZT）组成的 的探测区域外加散热系统，32768442 1.20.6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
10、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 组数组组合而成，每一组都包816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，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 ，典型工作偏压为 -200V，最大偏压 -300V。293.1
11、51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部分），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 X-射线望远镜（ XRT）：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，拥有 （角分）的视场范围，系统探测器由 个像素单元组成，单像素视1352 23
12、.623.6 600600场为 ，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2.36角秒 /像素3-5 角秒，测量能量范围为 0.2keV 到 10keV，灵敏度为 在 内。21014尔 格 /2 104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
13、聚焦 X 射线望远镜，有 110 的有效区域。包括 x 射线反射镜，隔热板，电子偏转2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 渐变 的主293.155 5）【利用伽马暴测定】的金属元素丰度 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标识。这种超短脉冲通常认为来自于双中子星碰撞。 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。 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。 UVOT
14、获取了大量的各种类型的超新星的独特的紫外曲线。 XRT 已经观察到在冲击暴发的超新星中存在 X 射线闪现。 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）。 Swift 与 XMM-Newton 小组合作发现了 NGC5408 星系中存在中等质量黑洞的最好证据。 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。 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（Futu
15、re）Swift 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：Swi
16、ft 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 occurred 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 an
