9. Тищенко В. А. О радиобезэховой камере // Альманах современной метрологии 2014. № 1. С. 338—341.
10. Лопашев Д. 3. Исследование звукового поля в большом измерительном бассейне // Исследования в области акустических и гидроакустических измерений: Труды институтов Комитета стандартов, мер и измерительных приборов СССР, 1963. Вып. 73(133). С. 31—40.
11. ГОСТ Р 53188.2—2010. ГСИ. Шумомеры. Ч. 2. Методы испытаний.
12. Chen Yi, Isaev A. E., Wang Yuebing, Enyakov A. M., Fei Teng Matveev, A. N. The COOMET Pilot Comparison 473/RU-a/09: Comparison of hydrophone calibrations in the frequency range 250 Hz to 200 kHz // Metrologia Tech. Suppl. 2011 48 09004.
Дата принятия 06.02.2015 г.
ИЗМЕРЕНИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
539.124:539.125.4:539.1.074.5:53.082
Спектрометрический алмазный детектор потоков ионизирующего излучения для транспортных космических систем
К. В. ЗАХАРЧЕНКО1, А. Ф. КАПЕРКО2, В. А. КОЛЮБИН1, В. П. КУЛАГИН2, С. А. ЛЬВОВ1, П. Г. НЕДОСЕКИН1, Е. Н. ЧУМАЧЕНКО2
1 ООО Производственно-технологический центр «УралАлмазИнвест»,
Москва, Россия, e-mail: nanophys@mail.ru 2 Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики», Москва,
Россия, e-mail: akaperko@hse.ru
Рассмотрены принципиальные подходы к построению спектрометрического алмазного детектора потоков ионизирующего излучения. Прибор предназначен для непрерывного контроля радиационной обстановки на борту космических аппаратов с целью оперативного принятия мер по активной защите и прогнозирования остаточного ресурса работы транспортных космических систем.
Кпючевые слова: спектрометрический алмазный детектор, космическое излучение, электрон, протон, тяжелый ион.
The principal approaches to construction of spectrometric diamond detector of ionizing radiation fluxes has been considered. The instrument is intended for continuous monitoring of the spacecraft onboard radiation safety for prompt taking measures for active protect and to prediction of the residual life time of space transportation systems.
Key words: spectrometric diamond detector, space radiation, electron, proton, heavy ion.
Прогнозирование неблагоприятной радиационной обстановки и использование активных способов радиационной защиты космических аппаратов являются важными направлениями увеличения их сроков функционирования. Для этого космические аппараты снабжают измерительными приборами непрерывного мониторинга космического излучения. Увеличение ресурсов работы таких аппаратов до 10—15 лет приводит к необходимости использования детекторов, способных сохранять работоспособность при значениях поглощенной дозы до 200 Мрад.
Алмазные детекторы ионизирующего излучения обладают требуемой радиационной стойкостью [1, 2]. Однако их применение для построения аппаратуры мониторинга космического излучения имеет ряд специфических аспектов [3, 4]. При создании многоцелевых приборов измерения потоков ионизирующего и космического излучений, обеспечивающих контроль энергетических характеристик, таких как корпускулярные потоки электронов, протонов, измерения линейной
передачи энергии (ЛПЭ) тяжелых ионов, т. е. тяжелых заряженных частиц (ТЗЧ), недостаточная радиационная стойкость кремниевых, газоразрядных и сцинтилляционных детекторов является обычной проблемой. Приборы остаются работоспособными на орбите около 3—4 лет [3—5]. Использование алмазных детекторов ионизирующего излучения позволяет создавать измерительные приборы, в том числе спектрометрические, с ресурсом работы до 20 лет и более, что особенно важно при создании транспортных космических систем. Малые габаритные размеры, температурная стойкость, отсутствие высоковольтных источников питания, сравнительно простые схемы преобразования сигналов — эти свойства алмазных детекторов позволяют создавать спектрометры высокого разрешения. Такие спектрометры могут быть построены по принципу многодетекторных систем с применением селективных фильтров—поглотителей ионизирующего излучения [6].
Рис. 1. Функциональная схема спектрометрического алмазного детектора:
Ф — селективные фильтры; Д — алмазные чувствительные элементы; ЗЧУ — зарядочувствительные усилители; АЦП — аналого-цифровой преобразователь; КИ — поток частиц космического излучения
При нахождении пилотируемого транспортного космического аппарата на околоземных и окололунных орбитах спектр падающего ионизирующего излучения быстро изменяется в широких пределах (например, при солнечных протонных событиях — от 1 до 1000 протонов/(см2-с-ср) за несколько часов; в пределах радиационных поясов Земли — от 104 до 106 электронов /(см2-с-ср) в течение часа). Для контроля радиационной обстановки на борту корабля и оперативного реагирования на угрожающие экипажу ситуации важно своевременно прогнозировать и обнаруживать возникновение опасных уровней облучения. Для этого необходимо контролировать энергетические спектры ионизирующих излучений снаружи корабля [5—7]. Для решения этих проблем исследуют возможности создания интегральных устройств, объединяющих детекторные и радиоэлектронные структуры в монолитном или гибридном исполнениях [3, 4]. В лабораториях и исследовательских центрах разрабатывают активные алмазные элементы, в том числе транзисторные структуры [8, 9]. В последнее время в этой области появились новые научные идеи и конструктивно-технологические решения [6, 10—12].
10"
МэВ
0,1-
2
1 \
0,1
10
ттттт 100 МэВ
Рис. 2. Зависимость энергии, переданной алмазному чувствительному элементу электроном и протоном, от исходной энергии частиц:
1 — электроны; 2 — протоны
Спектрометрический алмазный детектор ионизирующего излучения регистрирует потоки космических частиц, таких как электроны, высокоэнергетические протоны и ТЗЧ вне транспортной космической системы. Интенсивность этих потоков составляет от 10 до 1-104 протон/(см2-с-ср); от 10 до 1-107 электрон/(см2-с-ср); от 10 до 1-104 ТЗЧ/(см2-с-ср).
Поток электронов в зоне внешнего радиационного пояса Земли (РПЗ) характеризуется резкими всплесками интенсивности, при которых он может увеличиваться в 100—1000 раз. При развитии солнечных протонных событий наблюдается резкое возрастание потока протонов, в котором сначала присутствуют протоны низких энергий, а затем увеличивается количество частиц с более высокими энергиями. Данные о спектрах протонов необходимы для прогнозирования радиационных параметров указанных событий. Спектрометр предназначен для получения информации о потоках космических частиц для дальнейшего прогнозирования солнечных протонных событий и всплесков интенсивности потоков электронов в РПЗ, а также для фиксации ТЗЧ.
В качестве полупроводникового материала для чувствительных элементов, регистрирующих космическое излучение, выбран низкоазотный алмаз типа И-А. Использование алмаза, имеющего высокую радиационную стойкость (до 500 Мрад), обеспечивает требуемый ресурс работы чувствительных элементов спектрометрического детектора как в условиях РПЗ, так и при полете в космическом пространстве.
Схема работы спектрометрического алмазного детектора с использованием многоканального узла детектирования на основе алмазных чувствительных элементов (АЧЭ) представлена на рис. 1. При попадании ионизирующей частицы космического излучения в АЧЭ возникает заряд Q, пропорциональный энергии Еп, переданной частицей чувствительному элементу:
Q = КеЕп /Е0>
(1)
где К = 0,5 — коэффициент эффективности собирания заряда; е = 1,6-10-19 Кл — элементарный заряд; Е0 — средняя энергия образования электронно-дырочной пары под действием ионизирующего излучения, для алмаза Е0 = 13,2 эВ [2, 13].
Заряд, образовавшийся в АЧЭ, усиливается с помощью зарядочувствительного усилителя ЗЧУ, на выходе которого появляется импульс напряжения амплитудой, пропорциональной заряду и, следовательно, энергии, переданной частицей в этот элемент. Таким образом, измерив амплитуду импульса, можно определить энергию, потерянную частицей в АЧЭ. Выход усилителя соединен с аналого-цифровым преобразователем АЦП, осуществляющим амплитудный анализ сигналов АЧЭ. Совместный анализ данных пяти АЧЭ многоканального узла сенсоров обеспечивает восстановление спектров электронной, протонной составляющей и компоненты тяжелых ионов КИ.
На рис. 2 приведены зависимости энергии Еп от исходной энергии Е частиц перед фильтрами. Расчеты проводили в программном пакете GEANT4 [13] для алмазной пластины толщиной 0,3 мм. Из графиков следует, что амплитудный анализ сигналов АЧЭ не позволяет однозначно определять энергию частицы по амплитуде импульса в тракте регистрации, что связано с немонотонным видом зависимости. Для разделения регистрируемых частиц по энергетическим диапазонам используют селективные фильтры. Проходя через
материал фильтра, ионизирующая частица теряет часть энергии, что приводит к смещению спектра поглощения энергии в АЧЭ.
На рис. 3, а показаны спектры поглощения электронов, прошедших через селективные фильтры. Таким образом, если использовать 5 каналов регистрации с АЧЭ, установленными за фильтрами толщиной 0,24; 0,89; 2,0; 4,4; 9,5 мм, и в каналах регистрации фиксировать импульсы амплитудой, соответствующей поглощенной энергии 0,2 МэВ, то можно раздельно регистрировать электроны в следующих энергетических диапазонах: 0,5—0,75; 1,2—1,5; 2,3—2,9; 5,2—5,7; 13—15 МэВ, соответственно. Подсчет зарегистрированных электронов в каждом энергетическом диапазоне в заданном интервале времени позволяет определять плотность потока электронов в соответствующем энергетическом диапазоне:
Р = Ы/^т),
Рис. 3. Зависимость энергии, передаваемой алмазному чувствительному элементу, от исходной энергии электронов (а) и линейной передачи энергии ионов кислорода (б) при различных толщинах селективных фильтров: 1 — 0,24 мм; 2 — 0,89 мм; 3 — 2,0 мм; 4 — 4,4 мм; 5 — 9,5 мм
(2)
где Р — плотность потока частиц; t — время измерения, т. е. подсчета частиц; S — площадь чувствительной поверхности АЧЭ; т — телесный угол, из которого частицы попадают на АЧЭ.
Если использовать те же каналы, что и в случае с электронами, при регистрации протонов, а в каналах фиксировать импульсы амплитудой, соответствующе
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.