КОСМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2013, том 51, № 2, с. 100-106
УДК 523.9
ИЗМЕРЕНИЯ ЭНЕРГИЧНОМ ПЛАЗМЫ В ЭКСПЕРИМЕНТЕ МЭП-2 НА БОРТУ КОСМИЧЕСКОГО АППАРАТА СПЕКТР-Р
© 2013 г. Я. Балаж1, В. А. Гладышев2, К. Кудела1, А. А. Петрукович2, Е. Саррис3,
Т. Саррис3, М. Сливка1 и Я. Стргарски1
1 Институт экспериментальной физики Словацкой академии наук, Кошице
kkudela@kosice.upjs.sk
2 Институт космических исследований РАН, г. Москва
apetruko@iki.rssi.ru
3 Университет Фракии им. Демокрита, Ксанти, Греция
В статье кратко описан эксперимент по измерениям энергичных частиц МЭП-2 на борту высо-коапогейного спутника Спектр-Р. Прибор измеряет потоки электронов в диапазоне энергий 30— 350 кэВ и ионов в диапазоне 30 кэВ—3.2 МэВ, используя две пары кремниевых датчиков. Приведены примеры первых наблюдений ускоренных частиц у околоземной ударной волны. Обсуждены уникальные наблюдения колебаний потоков энергичных ионов с периодом около 30 сек.
Б01: 10.7868/80023420613020015
1. ВВЕДЕНИЕ
Прибор МЭП-2 является частью плазменно-магнитного эксперимента "Плазма-Ф" на борту космического аппарата Спектр-Р. Спектр-Р — радиоастрономический спутник, запущенный Российским космическим агентством 18.VII.2011 на орбиту с апогеем около 350 тыс. км, наклонением — 51.6°, и периодом — около 8.5 дней. "Плазма-Ф" состоит из четырех приборов, предназначенных для наблюдений солнечного ветра и внешней магнитосферы [1]. Кроме МЭП-2, "Плазма-Ф" включает магнитометр ММФФ, монитор потока солнечного ветра БМСВ и систему сбора и обработки данных ССНИ-2. ССНИ-2 собирает данные измерений со всех приборов "Плазма-Ф", сохраняет их в своей памяти и передает в радиосистему КА в сеансах связи. ССНИ-2 имеет около 100 ГБ памяти, что позволяет осуществлять бортовую обработку данных с возможностью их выбора и сжатия. Главная научная задача эксперимента "Плазма-Ф" состоит в изучении быстрых вариаций в солнечном ветре, переходной области и внешней магнитосфере с помощью синхронизированных измерений магнитного поля, потока ионов солнечного ветра и энергичных частиц с временным разрешением до 32 отсчетов в секунду. Вторая цель эксперимента — мониторинг и прогноз космической погоды. Ожидаемый объем данных в случае постоянных измерений с частотой 32 Гц составляет приблизительно 1 Гб в неделю.
Спектрометр энергичной плазмы МЭП-2 [2] разработан и изготовлен в Институте экспериментальной физики Словацкой академии наук (Словакия) в сотрудничестве с Институтом космических исследований РАН (Россия) и университетом Демокрита (Греция). Он проводит измерения энергетических спектров потоков электронов (30-350 кэВ) и протонов (30 кэВ-3.2 МэВ), используя две пары кремниевых детекторов.
Наш предыдущий прибор - спектрометр ДОК-2 на борту пары КА ИНТЕРБОЛ (19952000) позволил исследовать ускорение энергичных частиц и их динамику в магнитосфере Земли с уникально высоким энергетическим разрешением, обеспечиваемым пассивным охлаждением датчиков, и с разрешением по времени до одной секунды. В частности были идентифицированы всплески почти моноэнергичных ионов около головной ударной волны, которые были проинтерпретированы как признак местного ускорения ионов во время столкновений межпланетных токовых слоев с ударной волной [3-5]. В другом исследовании была изучена динамика инжекций плазмы, дрейфующих с ночной стороны магнитосферы на дневную и определены место и время их начала [6-8].
Прибор МЭП-2 на спутнике Спектр-Р, прежде всего, предназначен для продолжения исследований свойств и происхождения надтепловой плазмы в околоземной межпланетной среде и на более высокой орбите, чем орбиты проекта ИНТЕРБОЛ, и, в
Рис. 1. Общий вид МЭП-2.
частности, изменчивости ионных и электронных потоков с высоким уровнем чувствительности. Вторая задача — участие в многоточечных наблюдениях временной и пространственной структуры потоков вне головной ударной волны Земли. Гибкая система съема измерений обеспечивает разрешение по времени начиная с 32 мс (в избранном интервале энергий) до 1.024 с (для энергетических спектров с 32 каналами). Далее представлено устройство прибора и проиллюстрированы его возможности на примере данных первого месяца работы.
2. УСТРОЙСТВО ПРИБОРА И ФОРМАТ ДАННЫХ
Механическая конструкция прибора (рис. 1) состоит из прямоугольного блока электроники с разъемами и четырьмя детекторами, установленными сверху на специальных угловых кронштейнах, задающих определенные направления измерений. На борту прибор закрывается многослойной тепловой изоляцией, за исключением входных апертур детекторов. Кремниевые детекторы установлены в коллиматорах с соответствующей ориентацией. Датчики установлены двумя взаимно перпендикулярными парами. Датчики ионов оборудованы магнитным фильтром, защищающим от электронов, а электронные датчики защищены от потоков ионов металлизированной полимерной пленкой.
Функционально прибор состоит из блока обработки сигналов, блока цифровой обработки, блока телеметрических интерфейсов и блока питания (рис. 2). Канал обработки аналогового сигнала каждого детектора содержит дискриминатор. Нижний и верхний пороги дискриминатора управляются процессором прибора в соответствии с режимом измерений в ходе базового цикла, равного одной секунде (1.024 с).
В приборе предусмотрены 255 возможных режимов работы. Режимы полностью определяются таблицей уровней дискриминатора и активируются по команде. 128 режимов заложены в память во время разработки прибора, а остальные могут быть загружены во время полета. Таблица уровней содержит 32 строки, отдельно для двух ионных и двух электронных датчиков. Структура снимаемого энергетического спектра определяется величинами порогов. Если заданы одни и те же величины порогов во всех 32 строках, то один диапазон энергий опрашивается 32 раза в секунду. Так же можно задать спектр с двумя энергетическими диапазонами, опрашиваемый 16 раз в секунду, с четырьмя диапазонами — 8 раз в секунду,
ONE OF FOUR INDENTICAL CHANNELS
Рис. 2. Функциональная блок-схема МЭП-2 (DET — детектор, CSA — зарядо- чувствительный усилитель, PA — усилитель импульсов, H, L — дискриминаторы, WL — логическое окно, EC — счетчик импульсов, DAC — цифро-аналоговый преобразователь, DLT — таблица уровней дискриминатора, цР — микропроцессор, I/F — интерфейсы).
102
БАЛАЖ и др.
Параметры МЭП-2
Вес 2.64 кг
Размеры 211 х 175 х 182 мм
Расход энергии 1.1 Вт
Поле зрения 50°, коническое
Геометрический фактор 0.77 см2 ср
Активная площадь детекторов 300 мм2
Толщина детекторов 100 мкм (ионы), 500 мкм (электроны)
Энергетический диапазон, ионы 30 кэВ-3.2 МэВ
Энергетический диапазон, 30 кэВ-350 кэВ
электроны
Число энергетических каналов 1-32
Разрешение по времени 32-1024 мс
Информативность 1125 бит/с
с восемью диапазонами - четыре раза в секунду, с 16 диапазонами - дважды в секунду, с 32 диапазонами - один раз в секунду, или любой другой более сложный цикл просмотра по энергии.
Основные параметры прибора МЭП-2 приведены в таблице.
Данные МЭП-2 форматируются в телеметрические блоки длиной 147 байт, содержащие заголовок, 14 служебных параметров (номер режима, пороги детекторов, температуры, напряжения), 32 измерения потоков частиц (в сжатом виде) от каждого из четырех датчиков (Р1, Р2, Е1 и Е2) с временным шагом 32 мс, четыре канала интегральной скорости счета (по одному для каждого детектора) и байт контрольной суммы. Один блок содержит информацию, получаемую примерно за одну секунду (1.024 с) измерений. Данные МЭП-2 передаются в ССНИ-2, в котором к каждому блоку добавляется метка времени. Эти блоки заносятся в память ССНИ-2 и передаются на Землю. ССНИ-2 также может проводить сжатие данных МЭП-2, суммируя измеренные потоки по предписанному числу блоков МЭП-2. Сжатые данные в формате, идентичном формату оригинальных данных, также постоянно заносятся в память ССНИ-2.
На первом шаге наземной обработки данные МЭП-2 расшифровываются в десятичный формат и привязываются к всемирному времени. Полученные данные далее используются для физической обработки [9].
3. РАБОТА МЭП-2 В ПОЛЕТЕ
МЭП-2 был включен 30.VII.2011 года в солнечном ветре, и с тех пор работает почти постоянно за исключением близких к перигею орбиты интервалов в пределах приблизительно 6000080000 км от Земли, где прибор выключается, чтобы избежать насыщения детекторов в высоких потоках частиц внутренней магнитосферы. Первая стадия обработки данных заключается в оценке качества работы прибора. Рисунок 3 (слева) представляет калибровку прибора с помощью генератора импульсов (приблизительно 10 000 раз в секунду) в первый день работы. Результаты калибровки удовлетворительны для датчиков Е1, Е2 и Р1. В сигнале Е2 присутствует двухминутная периодичность в самом низком энергетическом канале, однако, она не влияет на качество измерений и, вероятно, связана с влиянием других систем космического аппарата. Ее происхождение является объектом дальнейшего исследования. Датчик Р2 находился в насыщении из-за попадания на него отраженного света Солнца. Ориентация космического аппарата была позднее изменена, и датчик Р2 стал работоспособным.
Уровень шумов прибора был определен 13. VIII. 2011 (рис. 3, справа) так же с помощью бортового генератора импульсов. Ширина пика на полувысоте (FWHM) в электронных каналах составляет примерно 25 кэВ, а в ионных каналах несколько больше - 40 кэВ, вероятно из-за более высокой чувствительности к солнечному свету.
4. ПРИМЕР 1. СПЕКТРЫ ИОНОВ ВНЕ ГОЛОВНОЙ УДАРНОЙ ВОЛНЫ
Спектрограммы потоков протонов в зависимости от энергии, наблюдавшиеся детекторами Р1 и Р2 во время короткого периода 22.VIII.2011 года, показаны на рис. 4. МЭП-2 работал в режиме, позволяющем наблюдать поток электронов и ионов в 32 энергетических каналах. Спутник находился в положении далеко впереди головной ударной волны и два возрастания потока приблизительно в 09.45 и 09.53 всемирного времени соответствуют, наиболее вероятно, моментам, в которые спутник был связан силовой линии магнитного поля с ударной волной. Всплесков потоков энергичных электронов в этот период зарегистрировано не было.
5. ПРИМЕР 2. КОЛЕБАНИЯ ПОТОКА ИОНОВ В ФОРШОКЕ
Вскор
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.