АСТРОНОМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК, 2013, том 47, № 1, с. 61-69
УДК 520.662:52-17:62-503
ПРИБОР SIDRA ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОТОКОВ ЧАСТИЦ НА СПУТНИКОВЫХ ВЫСОТАХ: ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРОТОТИП
© 2013 г. А. В. Дудник*, М. Прето**, Е. В. Курбатов*, С. Санчез**, Т. Г. Тимакова*, А. В. Спасский***, В. Н. Дубина*, П. Парра**
*Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, Украина **Группа космических исследований, Университет г. Алкала, Алкала, Испания ***НИИ ядерной физики имени Д.В. Скобельцына МГУ имени М.В. Ломоносова, Москва, Россия
Поступила в редакцию 10.11.2011 г.
Представлены концепция построения и первые результаты настройки электронных модулей лабораторного макета малогабаритного бортового прибора SIDRA для измерения потоков заряженных частиц в открытом космосе. Действующий макет прибора состоит из детекторной сборки, созданной на основе высокоомных кремниевых и быстрого сцинтилляционного детекторов, модулей аналоговой и цифровой обработки, и узла вторичного питания. Обсуждаются первые результаты моделирования прибора методом Монте-Карло с использованием библиотеки программ GEANT4, измерений основных характеристик зарядочувствительных усилителей, формирователей и пиковых детекторов. Представлены результаты градуировочных измерений с использованием радиоактивных источников и пучков ускоренных заряженных частиц.
DOI: 10.7868/S0320930X12060011
ВВЕДЕНИЕ
Спутниковый телескоп высокоэнергетических заряженных частиц СТЭП-Ф (Dudnik и др., 2011), накопивший информацию о потоках электронов, протонов и альфа-частиц под радиационными поясами Земли на протяжении 2009 года в ходе осуществления космического эксперимента КОРОНАС-ФОТОН (Kotov, 2011), имел как большие преимущества, так и некоторые недостатки. К последним можно отнести довольно значительные габаритные размеры, вес и потребляемую мощность блока детекторов СТЭП-ФД за счет применения большого числа каналов аналоговой обработки сигналов от позиционно-чувствитель-ных кремниевых матричных детекторов (Dudnik и др., 2003). В настоящее время новые детектирующие системы для регистрации потоков заряженных частиц развиваются быстрыми темпами. Высокоинтегрированные электронные системы цифровой обработки сигналов, такие как микроконтроллеры и программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС), позволяют разрабатывать достаточно простые и в то же время эффективные малогабаритные приборы для записи и передачи информации о потоках частиц разных сортов и энергий. В частности, применение современных быстрых сцинтилляционных материалов, таких как п-терфенил и стильбен, в сочетании с многопиксельными лавинными фотодиодами, работающими в режиме гейгеровского счетчика (Renker, 2006; Vacheret и др., 2011), в де-
текторной системе прибора позволит уменьшить число детекторных слоев в телескопической системе по сравнению с применением одних только полупроводниковых детекторов. В то же время расширится диапазон регистрируемых энергий и увеличится верхний предел записываемых скоростей счета сигналов от частиц.
Группами космических исследований Харьковского национального университета им. В.Н. Каразина и университета г. Алкала де Энарес (Испания) разработана идеология построения такого одномодульного компактного прибора под названием SIDRA (Space Instrument for Determination of RAdiation environment) (Dotsenko и др., 2009; Dudnik и др., 2009a; 2009b). Целью настоящей работы является описание действующего лабораторного одноблочного макета прибора, принципов его построения, электрических характеристик отдельных модулей, а также результатов компьютерного моделирования и градуировочных измерений с использованием радиоактивных источников и пучков ускоренных заряженных частиц.
ОСНОВНЫЕ НАУЧНЫЕ ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
ПРИБОРА, И ЕГО ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ
Основными целями, которые могут быть достигнуты с использованием прибора SIDRA в рамках осуществления спутникового экспери-
(а)
Сигналы тестирования
Модуль цифровой обработки сигналов
/ч
V:
Напряжения вторичного питания для схем обработки сигналов
Напряжение смещения для детекторов
Прибор SIDRA
Космический аппарат
Бортовая система накопления и передачи данных
Модуль вторичного питания Источник первичного питания
(б)
и i
Щ, ■ 'W и
' Г' ] ¡I '
Рис. 1. Функциональная схема и общий вид действующего одноблочного макета прибора SIDRA.
мента, являются: 1) изучение динамики потоков и энергетических спектров высокоэнергетических заряженных частиц в околоземном и межпланетном космическом пространстве; 2) изучение природы микровсплесков электронов на низких и околоэкваториальных широтах под радиационными поясами Земли на низкоорбитальных круговых орбитах. Дополнительно с помощью прибора могут быть более глубоко изучены процессы взаимодействия низкочастотных электромагнитных и электростатических волн на спутниковых высотах и на уровне поверхности Земли с нестационарными потоками высокоэнергетических электронов магнитосферного происхождения, а также исследованы воздействия геомагнитной и сейсмической активности на процессы радиальной и питч-угловой диффузии частиц на различных L-оболочках.
Модернизированный прибор SIDRA с несколькими детекторными головками планируется использовать в составе комплекса аппаратуры "Солнечный монитор" с целью мониторинга радиационного состояния околоземного космического пространства (Юров и др., 2011). В рамках осуществления этого эксперимента прибор будет исследовать на околоземной орбите химический и изотопный состав ускоренных во вспышке ядер, энергетические и временные характеристики вспышечных электронов и протонов в режиме мониторинга.
Функциональная схема одноблочного действующего лабораторного макета прибора и его общий вид показаны на рис. 1. Детекторная головка представляет собой телескопическую систему, состоящую из двух полупроводниковых детекторов различной толщины и быстрого органического сцин-тилляционного детектора с малыми значениями эффективного заряда Z и плотности р.
Непосредственно под детекторной головкой расположен модуль обработки аналоговых сигналов. Он состоит из трех однотипных каналов из малошумящих зарядочувствительных предварительных усилителей (ЗЧПУ), формирующих усилителей (ФУ) с настраиваемыми коэффициентами усиления, масштабирующих усилителей, устройств выборки и хранения (УВХ) и быстрых аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Основными задачами, выполняемыми модулем цифровой обработки сигналов, являются сбор и первичная обработка цифровых данных, поступающих от аналого-цифровых преобразователей; идентификация сортов частиц и их энергий; пересылка научных данных в бортовой компьютер. Кроме того, с помощью модуля цифровой обработки происходит конфигурирование некоторых ключевых параметров прибора в целом (Prieto и др., 2009).
Модуль вторичного питания имеет два идентичных полукомплекта, работающих по принципу "холодного" резервирования. Выбор полукомплекта для включения обеспечивается путем подачи телекоманды, подаваемой от бортового компьютера спутника. Предусмотрены контроль всех уровней вторичных напряжений обоих полукомплектов, а также применение самовосстанавливающихся от короткого замыкания защитных цепей.
Функциональные узлы конструктивно расположены в независимых механических корпусах (рис. 1), давая возможность таким образом расширять спектр решаемых прибором задач путем установки дополнительных модулей и детекторных сборок.
Близкую схему к описанной выше имел высокочувствительный телескоп HIST (High Sensitivity Telescope) эксперимента CEPPAD (Comprehensive Energetic Particle and Pitch Angle Distribution) ИСЗ
(а)
Число счетов 10000
(б)
Кремниевый PIN детектор h Р-р'адиоактивнЬш источник
1000 мкм i 207Bi E = 976 кэВ R = 14 кэВ
8000 -
6000 -
4000
2000 -
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
Каналы АЦП
Рис. 2. Общий вид детекторной головки и кремниевых PIN детекторов (а); энергетический спектр Р-источника 207Bi, измеренный с помощью детектора толщиной h = 1000 мкм (б).
POLAR, предназначенный для измерения потоков электронов с энергиями от Ее = 350 кэВ до Ее = = 10 МэВ и протонов с энергиями от Ер = 3.25 МэВ до Ер ~ 100 МэВ (Contos, 1997). Однако в качестве последнего детектора был применен пластмассовый сцинтиллятор, обладающий световым выходом ~7 фотонов/кэВ, в то время как в приборе SIDRA установлен быстрый сцинтиллятор на основе паратерфенила, изготовленный по модифицированной технологии и обладающий световым выходом ~30 фотонов/кэВ (Дудник и др., 2010). Пластмассовый сцинтиллятор в приборе HIST просматривался вакуумным ФЭУ, требующим высоковольтного источника питания, в приборе же SIDRA вспышки люминесценции в сцинтилляци-онном детекторе преобразуются в электрические сигналы с помощью малогабаритных полупроводниковых многопиксельных счетчиков оптических фотонов, работающих при малых ( иос < 100 В) напряжениях обратного смещения. Плата цифровой логики прибора HIST содержала в себе командную логику, логику отбора событий, шестнадцать 24-разрядных счетчиков и 12-разрядные параллельные данные для определения энергии частиц. Большинство функций, выполняемых с помощью столь большого количества компонентов цифровой логики, в приборе SIDRA реализуется с помощью высокоинтегрированной программируемой логической интегральной схемы (ПЛИС) серии XILIX SPARTAN c эмулированным процессором LEON.
ДЕТЕКТОРНАЯ ГОЛОВКА И ДЕТЕКТОРЫ
PIN детекторы детекторной головки, изготовленные из сверхчистого кремния, защищены от прямого попадания солнечного света и низкоэнергетических частиц магнитосферной плазмы алюминиевой фольгой толщиной ~20 мкм. Общий вид детекторной головки и обоих кремниевых детекторов, изготовленных по специальному заказу фирмой "Micron Semiconductor, Ltd." (http://www.micronsemiconductor.co.uk), показан на рис. 2а. Детекторы имеют идентичные активные площади 10 мм х 10 мм, толщина верхнего тонкого пролетного AE детектора Д1 составляет Нд1 = 109 мкм, в то время как толщина второго толстого детектора полного поглощения Д2 составляет йд2 = 1000 мкм. Полное обеднение активной области толстого детектора достигается при напряжении об
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.