Солнечно-Земная Физика 40 ЛЕТ КОСМИЧЕСКОЙ ЭРЫ В НИИЯФ МГУ Ю.И.Логачев

НАША ИСТОРИЯ

I. ПЕРВЫЕ ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ

Подготовка экспериментов на спутниках началась в 1956 г. На совещании в Академии Наук СССР было дано задание ведущим специалистам по физике верхней атмосферы Земли, магнитного поля, ионосферы и космических лучей подготовить предложения-проекты экспериментов на искусственных спутниках Земли. Д.В.Скобельцын поручил эту работу С.Н.Вернову, который, в свою очередь, "спустил" задание Ю.Г.Шаферу и мне, Логачеву Ю.И. Мы были выбраны, как выяснилось позже, потому что имели опыт работы с действующими наземными установками для непрерывной регистрации космических лучей (Ю.Г.Шафер) и с аппаратурой, работающей в автономном режиме, т.е. без участия человека, на высотном самолете (Ю.И.Логачев). Сроки были сжатыми, дело новое и, естественно, наши предложения ограничились простейшими идеями: использовать ионизационную камеру и газоразрядные счетчики. Более сложную аппаратуру использовать в этих условиях казалось нереальным, справиться бы с простой. С.Н.Вернов целиком поддержал наши предложения. Отметим, что в настоящее время в космосе работают достаточно сложные приборы, применяются практически все современные методы регистрации излучений: сцинтилляционные и полупроводниковые счетчики, магнитные спектрометры, трековые детекторы и их комбинации.

Ионизационную камеру предполагалось сделать достаточно больших размеров, около 40 см в диаметре, что обеспечивало бы высокую точность измерений ионизации. Под действием радиации в объеме камеры создаются ионы, которые под действием электрического поля переносятся на центральный электрод камеры и ее оболочку. Накапливающийся на центральном электроде заряд можно снимать при регулярных подключениях к нему, величина возникающего при этом импульса будет пропорциональна ионизации в камере.
Впоследствии сложилось так, что ионизационные камеры из-за своих больших размеров и значительного энергопотребления не были установлены на первых искусственных спутниках Земли и работы сосредоточились только на газоразрядных, а затем и на сцинтилляционных и полупроводниковых счетчиках. Ионизационные камеры стали использоваться позже в качестве дозиметров радиации с несколько другой методикой съема заряда с центрального электрода: производилось автоматическое замыкание центрального электрода при достижении на нем определенного заряда и счета числа таких замыканий в единицу времени. Число замыканий ценрального электрода в этой схеме пропорционально средней величине ионизации, а значит и дозе радиации в камере. Подобные дозиметры и сейчас широко используются на пилотируемых станциях и других космических аппаратах.
Газоразрядные счетчики регистрируют каждую заряженную частицу, попавшую в рабочий объем счетчика или возникшую там под действием нейтрального излучения, например, гамма-кванта или нейтрона. На выходе счетчика при этом возникают электрические импульсы, число которых характеризует интенсивность регистрируемого излучения. Дальнейшая задача состоит в счете числа этих импульсов за некоторый промежуток времени и передача этого числа на радиосистему и затем на наземный приемный пункт. Первые радиотелеметрические системы воспринимали и передавали на Землю величину электрического напряжения в диапазоне от 0 до 6 вольт, т.е. работали как вольтметры постоянного тока со шкалой от 0 до 6 вольт. Были и модификации телеметрических каналов - они воспринимали факт замыкания (или размыкания) контактов реле на входе телеметрии и с высокой точностью, 1/50 с, отмечали момент времени, когда произошло замыкание (размыкание) контактов. Эти каналы назывались "сухими", на контактах реле не должно было быть никакого напряжения.

Первая встреча с конструкторами спутника привела к получению от них исходных данных для нашего прибора с газоразрядным счетчиком: вес прибора не более 2,5 кг, энергопотребление - 2 ватта, телеметрия - один "сухой" канал с опросностью 50 герц. Прибор должен был работать в течение нескольких месяцев. Аналогичные исходные данные получили и другие участники работ. Планировалось запустить орбитальную лабораторию с большим набором приборов для изучения атмосферы, магнитного и электрического полей, ионосферы, микрометеоров, космических лучей и ряда других явлений. Космическими лучами занималась еще группа Л.В.Курносовой из ФИАН'а, они собирались измерить потоки ядер Li, Be и В в составе космических лучей, что для того времени было очень важно - количество этих ядер связано с временем жизни космических лучей в Галактике. Все перечисленные эксперименты были осуществлены при полете 3-го советского искусственного спутника Земли, запущенного 15 мая 1958 года. Ионизационной камеры в составе аппаратуры 3-го ИСЗ не было, ее заменил сцинтилляционный счетчик, необходимость установки которого возникла после полета 2-го ИСЗ, но об этом несколько позже.

Как уже было сказано, в качестве детектора космических частиц мы выбрали газоразрядный счетчик, а для регистрирующей электроники рассматривались три варианта: использование миниатюрных маломощных ламп, безнакальных тиратронов ( МХТ-90 ) и полупроводниковых элементов. Необходимо отметить, что полупроводниковая техника в СССР еще только начинала развиваться (1956 г.) и нам была мало знакома, поэтому очень много усилий мы затратили на использование безнакальных тиратронов. Электронные лампы были отвергнуты сразу, так как расчеты показали, что их энергопотребление так велико, что в отведенные лимиты не уложиться ни при каких обстоятельствах. А на тиратронах МТХ-90 был собран макет, подходящий по весу и энергопотреблению, но совершенно непригодный из-за неустойчивой работы самих тиратронов. В приборе нужно было использовать пересчетную линейку на 10-12 двоичных элементов, которая при изменении температуры и влажности окружающей среды, а особенно после вибрации, то работала, то нет: никакой стабильности. Как раз в это время отдел снабжения получил, наконец, долгожданные полупроводниковые триоды и диоды, и началась интереснейшая работа - сборка из этих элементов аналога ламповых пересчетных схем. Оказалось, что практически ламповая схема, только вместо ламп - полупроводниковые триоды и диоды, хорошо работала, очень стабильно, в широком диапазоне температур, не боялась вибрации. И энергопотребление небольшое. Были проведены обширные испытания различных вариантов этих схем. Дело в том, что при сильном уменьшении потребляемой мощности, т.е. при снижении токов через полупроводники, стабильность их работы ухудшается. Нашли оптимум в системе стабильность-энергопотребление. В результате одна пересчетная ячейка (триггер) стала потреблять около 1 мА при 6 вольтах напряжения питания, т.е. линейка из 12 триггеров потребляла всего 0,1 ватта, и оставался достаточный запас мощности для работы остальных элементов схемы (питания счетчика, включения реле и др.). Нашли также границы температурного диапазона устойчивой работы триггеров: -20 - +40 градусов Цельсия. Отметим, что разработанная нами пересчетная ячейка использовалась потом в НИИЯФ'е на сотнях приборов в течение 25 лет и более и зарекомендовала себя с самой хорошей стороны. Даже сейчас можно найти эти, собранные тогда схемы, включить и убедиться, что они работают. Схему этой пересчетной ячейки можно найти в работе /1/.
К этому времени к нашей работе подключили завод "Физприбор", на котором и были изготовлены первые приборы, получившие шифр КС-5: космический счетчик, пятый вариант. Первые четыре варианта (на лампах, на тиратронах и др.) были отвергнуты по изложенным выше причинам. Интересно, что самый первый вариант прибора был засекречен и его перевозки осуществлялись под вооруженной охраной. Такое, в стиле времени, решение о засекречивании прибора, в котором не было ничего секретного, серьезно усложнило нашу работу. Эта ошибка была быстро исправлена и больше никогда не повторялась.

В сентябре 1957 года приборы КС-5 были практически готовы. Оставалось только провести испытания на длительность работы и можно в полет. Но вот, 4 октября вместе со всем миром мы узнали, что в СССР запущен первый искусственный спутрик Земли. Научных приборов на спутнике не было, 50 кг аккумуляторов и передатчик с постоянным "пи-пи-пи". Представляете себе наше состояние?! Мы имеем готовый прибор весом всего 2,5 кг, а спутник летит пустой, сообщая только, что он жив - пи-пи-пи.
Компенсацией нашему разочарованию послужила информация о подготовке запуска еще одного спутника с собакой на борту. К этим работам были подключены большие коллективы: медики-биологи во главе с будущим академиком О.Г.Газенко, физики-солнечники во главе с С.Л.Мандельштаммом и другие ученые. От них мы и узнами о планах нового запуска спутника, работы по которому начались еще раньше. В этой ситуации С.Н.Вернов "пробился" на прием к К.Д.Бушуеву, заместителю С.П.Королева, и мы с чертежами прибора и честолюбивыми планами двинулись в ОКБ, Особое конструкторское бюро - место, где создавались спутники. Пояснили ситуацию, важность наших измерений, надежность прибора и получили резолюцию-указание: проработать вопрос и оценить техническую возможность установки прибора в намеченное до запуска время. А до старта оставалось всего три недели. Тем не менее наша настойчивость, благожелательное отношение конструкторов и общий энтузиазм всех участников дали техническое "добро" на установку прибора, а главный конструктор С.П.Королев распорядился "доработать изделие", т.е. сделать места крепления прибора и электрическую подводку к телеметрии. Электропитание прибора пришлось устанавливать автономно, в самом приборе. Это были аккумуляторы, применяемые сейчас для карманных фонарей, собранные в батарею напряжением 12 вольт. Из-за очень малого энергопотребления нашего прибора емкости этой батареи хватало на месяц полета. Схема прибора КС-5, установленного на 2-ом ИСЗ, опубликована в работе /1/. Отметим, что питание газоразрядного счетчика, требовавшего напряжения 400 вольт, осуществлялось от этих же батарей через преобразователь 6-400 вольт, изготовленный по нашей просьбе во ВНИИТе, в лаборатории моего сокурсника А.П.Ландсмана.

Итог: прибор принят к установке, а Главный конструктор ознакомлен с понятием "радиационная опасность" и необходимости учета воздействием космической радиации на живые организмы и элементы космической техники, что в значительной степени определило дальнейшие направления космических исследований в НИИЯФ МГУ. Для решения этих задач в НИИЯФ МГУ вскоре были созданы новые подразделения: опытно-конструкторская лаборатия, лаборатория космофизических исследований, дозиметрический сектор и сектор космического материаловедения. Все эти и ряд других подразделений и в настоящее время продолжают активную работу в космосе, о чем будет сказано ниже.

К концу октября 1957 года мы подготовили два одинаковых прибора КС-5, приспособленных для установки на предполагаемом "изделии", и поехали с ними на полигон. Участники этого эксперимента: С.Н.Вернов, А.Е.Чудаков, Н.Л.Григоров и Ю.И.Логачев. Самолет ТУ-104, спец рейс Москва-Ташкент. Из Ташкента на маленьких самолетах ЛИ-2 и ИЛ-14 все пассажиры ТУ-104 перелетели на полигон.
Как вы помните, в Москве было принято решение "доработать изделие", и эта доработка проводилась прямо на полигоне, в монтажно-испытательном корпусе, и мы имели возможность участвовать в этой доработке. Наш прибор установили в двигательном отсеке ракеты и мы увидели, что места в этом отсеке вполне достаточно, чтобы установить не один, а два наших прибора. Реализовать эту возможность удалось прямо на месте, а А.Е.Чудаков предложил схему включения двух приборов к одному телеметрическому каналу. Сейчас не время входить в технические подробности этой схемы, скажу только, что схема требовала согласования времен срабатывания выходных реле, подключенных к телеметрии. Для этого нужно было подобрать сопротивления и конденсаторы, все проверить и надежно спаять. И все это было сделано прямо на полигоне, приборы установлены и отлично сработали. Отметим еще раз, что это были первые приборы, запущенные в космос, выполненные целиком на полупроводниках. До нас никто в космосе на полупроводниках не работал.

Запуск второго искусственного спутника Земли был осуществлен 3 ноября 1957 года. Кроме научной аппаратуры на борту спутника находилась собака по имени Лайка. Лайка жила столько же, сколько и наши приборы, около 10 дней, пока не кочилась энергия бортовых батарей. Собака в космосе была "гвоздем" программы второго спутника, ради нее был задуман весь полет. Научная программа освещалась менее шумно, ее результаты были опубликованы только в научных журналах значительно позднее.
Получение телеметрической информации осуществлялось без нашего участия силами военных. К сожалению, информация с этого спутника была доступна только тогда, когда он пролетал над территорией СССР, т.е. в области перигея орбиты на высотах 250-700 км, а там где спутник уходил на большие высоты наших приемных пунктов не было, а другие страны эту информацию принимать не могли, система телеметрии и длины волн были засекречены: сигнал уходил в никуда. Но и полученная только над территорией СССР информация была крайне интересна - ведь на этих высотах в таком большом интервале широт и долгот никто еще измерений космических лучей не проводил. Приборы сработали отлично. Измеренный поток оказался близким к расчетному. Были построены изокосмы космических лучей (линии равных потоков), определен высотный ход интенсивности космических лучей в интервале высот 250-700 км, который хорошо объяснялся экранировкой прибора Землeй и уменьшением геомагнитного обрезания с увеличением высоты полета. Правда, в районе 700 км наши точки показывали тенденцию (в пределах ошибок) к большему возрастанию потока частиц, чем ожидалось по теории, но мы не придали этому значения. Как теперь ясно, это превышение было обусловлено частицами радиационных поясов, которые над территорией СССР на этих высотах только-только начинают проявляться. В Южном полушарии на этих же высотах, а тем более на высотах вблизи апогея 2-го ИСЗ ( 1670 км), потоки частиц радиационных поясов уже во много раз превышали потоки частиц космических лучей, но так как там от нашего спутника информации не было, то и узнали мы об этом только в 1958 году после полетов американских спутников "Эксплорер-1,-3" и нашего третьего спутника. Но об этом чуть позже.

Рис. 1.1a Изменения интенсивности космической радиации при одном из пролетов 2-го ИСЗ над северными районами СССР. Как теперь ясно, это был сброс частиц из внешнего радиационного пояса во время слабого магнитного возмущения.

На одном из витков полета 2-го спутника 7 ноября 1957 года наши счетчики отметили необычное поведение интенсивности регистрируемых частиц. Наблюдались резкие флуктуации, значительно большее возрастание скорости счета на высоких широтах, чем ожидалось по широтному эффекту (рис. 1.1). Это было высыпание частиц из внешнего радиационного пояса в связи со слабым магнитным возмущением. К сожалению, в то время эти понятия были вне нашего кругозора и мы интерпретировали наблюдаемый эффект в терминах солнечных частиц, вторгшихся в атмосферу Земли.
Когда мы учились на физфаке, мы - ядерщики, немного иронизировали над геофизиками, не принимали всерьез эту науку и, как следствие, не среагировали на интереснейшее геофизическое явление. Наши результаты и их интерпретация опубликованы в Докладах АН СССР /2/. Несмотря на то, что мы первые зарегистрировали частицы радиационных поясов Земли, первым понял это явление Ван Аллен, он же сообщил о нем широкой научной общественности на заседании Академии Наук США 1 мая 1958 г. /3/. Это сообщение было основано на результатах полетов спутников Эксплорер-1,-3 в феврале-марте 1958 г. Наш 3-ий советский ИСЗ, отчетливо и всесторонне регистрировавший частицы радиационных поясов Земли, был запущен только 15 мая 1958 года. Спутники США имели наклонение орбиты к плоскости экватора около 33^o, что означает, что они на некоторых витках достигали только 44^o геомагнитной широты. Как выяснилось позже, на геомагнитных широтах 45-50^o проходит граница между внутренним и внешним радиационными поясами. Наш спутник, запущенный 15 мая 1957 года, имел наклонение 65^o и, следовательно, на каждом витке попадал во внутренний пояс и почти на каждом - во внешний. И там и там наши приборы регистрировали потоки частиц этих поясов.

Рис. 1.1б То же, что и на pис. 1.1а, но по уседненным данным. Пунктир - сpедние значения интенсивности по остальным полетам этого же участка.

Здесь нужно сказать, что по результатам 2-го спутника мы поняли, что добавочное излучение, зарегистрированное 7 ноября 1957 года, скорее всего является не протонами и электронами (толщина стенок ракеты и корпуса прибора сильно экранировали счетчик), а тормозным излучением электронов, регистрировавшимся счетчиком с очень малой эффективностью. Поэтому на 3-ем советском спутнике, кроме газоразрядных счетчиков, был установлен сцинтилляционный счетчик с достаточно большим (40х40мм) кристаллом NaJ(Tl), который регистрировал не только заряженные частицы, но и с высокой эффективностью тормозное излученик электронов. Этот прибор мы разработали и изготовили в сжатые сроки, так как работа велась вдогонку для далеко продвинутого 3-го спутника.

Главными действующими лицами, кроме С.Н.Вернова, здесь были А.Е.Чудаков и его сотрудник из ФИАНа - П.В.Вакулов. Кроме изготовления самого прибора требовалось преодолеть массу препятствий. Хотя новый прибор был значительно больше и тяжелее КС-5, его удалось установить снаружи спутника, что существенно уменьшило экранировку детектора. Для передачи информации был использован тот самый передатчик "Маяк", который на первом спутника делал только "пи-пи". Именно это включение обеспечило успех нашего эксперимента на 3-ем спутнике. Дело в том, что "Маяк" могли принимать все станции мира, все любительские приемники, так как частоты, на которых велась передача сигнала были сообщены мировому сообществу. Многие радиолюбители принимали эту информацию и записи передавали нам. Так мы получили данные о потоках частиц почти над всей поверхностью земного шара, в том числе и из южного полушария. Информации оказалось так много, что пришлось для ее обработки привлекать новых сотрудников, в частности Е.В.Горчакова, ставшего здесь главным действующим лицом. Так и определился круг основных участников этого эксперимента: С.Н.Вернов, А.Е.Чудаков, П.В.Вакулов, Е.В.Горчаков и Ю.И.Логачев. Электрическая схема прибора со сцинтилляционным счетчиком с подробным описанием его работы приведена в /4/, примеры записей этого счетчика в северном и южном полушариях можно найти в /5/.

Возможность одновременого измерения прибором числа попавших в него частиц и полной ионизации, созданной ими в кристалле, позволяли определять среднюю энергию, приходящуюся на одну частицу. Эти измерения показали, что существует четкое разграничение между внутренним и внешним поясами: во внутреннем поясе средняя энергия частиц составляет около 100 МэВ и они являются протонами или более тяжелыми ядрами, в то время как во внешнем поясе средняя энергия частиц равна только 100 кэВ и это могут быть только электроны. Это принципиальное различие говорит и о различном происхождении внутреннего и внешнего поясов. Кроме того, орбита третьего спутника имела достаточно высокий апогей (около 2000 км), что позволяло измерять радиацию на разных высотах. Оказалось, что как в полярных, так и в экваториальных районах интенсивность радиации сильно возрастает с ростом высоты. Это означает, что заряженные частицы, захваченные магнитным полем, сильно поглощаются остаточной атмосфеpой Земли, плотность которой pезко уменьшается пpи удалении от Земли.

Время существования частиц в магнитной ловушке на больших высотах может быть очень велико, в некоторых случаях - годы и даже десятки лет.

Рис. 1.2 Границы внутреннего пояса в северном и южном полушариях. Координаты географические

Внутренний пояс расположен в экваториальных широтах, достигая с юга и севера геомагнитной широты 45 градусов, а внешний пояс лежит в интервале 45 - 65 градусов северной и южной геомагнитных широт. На рис.1.2 даны границы внутреннего пояса в северном и южном полушариях. На рис 1.3 приведена граница внешнего пояса в полярных шапках Земли. Видно, что эта граница близка к овалу вблизи 65 градусов геомагнитной широты. В эксперименте на 3-ем спутнике отмечены также большие вариации внешнего пояса, которые теперь подробно изучаются при полетах различных космических аппаратов.

Так как в тех областях, где расположен внешний радиационный пояс, до нас никто не летал, мы сочли возможным зафиксировать факт открытия внешнего радиационнго пояса Земли. Авторы - перечисленные выше 5 человек (С.Н.Вернов, А.Е.Чудаков, П.В.Вакулов, Е.В.Горчаков и Ю.И.Логачев), диплом N 23 с приоритетом от июля 1958 года (дата доклада о результатах эксперимента на сессии Международного Геофизического Союза в Москве).
Приборы КС-5 также были установлены на 3-ем советском ИСЗ, но они были включены на каналы телеметрии, по которым было очень много помех и использовать информацию с газоразрядных счетчиков не удалось.
Как уже отмечалось, открытие и изучение захваченной в геомагнитном поле радиации шло в условиях очень жесткой конкуренции с американскими исследователями, как в эксперименте, так и в понимании полученных результатов, причем вопросы приоритета в некоторых областях интерпретации остаются спорными до сих пор. Бесспорно лишь следующее: американские спутники "Эксплорер-1,-3" (запущены 1 февраля и 26 марта 1958 г.) обнаружили область повышенной радиации в экваториальных районах раньше советских ИСЗ, а внешний радиационный пояс был открыт при полете 3-его советского ИСЗ (запущен 15 мая 1958 г.), так как первые американские спутники имели такие траектории полета, что не попадали в полярные и приполярные районы. И только на спутнике "Эксплорер-4", запущенном 26 июля 1958 года с наклонением орбиты уже 51^o к плоскости экватора, был установлен набор детектеров, позволяющий измерять и идентифицировать заряженные частицы не только в экваториальных областях, но и на высоких геомагнитных широтах, т.е. США повторили наш эксперимент на 3-ем спутнике с опозданием более, чем на 2 месяца.
Более подробно наши эксперименты на 3-ем советском спутнике описаны в /4/.

назад		вперед		оглавление		литература
		На первую страницу по истории солнечно-земной физики