КОМПАКТНЫЙ ДЕТЕКТОР КОСМИЧЕСКОЙ РАДИАЦИИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ Российский патент 2021 года по МПК G01T1/00 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области исследования космической радиации, а именно к детекторам частиц и гамма-излучения, устанавливаемых на космических аппаратах, и может быть использовано для проведения экспериментов на сверхмалых спутниках типа кубсат, при необходимости одновременного раздельного измерения потоков и спектров электронов и гамма-излучения с высоким временным разрешением, достаточным для исследования быстрых (менее 1 мс) вариаций потоков космической радиации.

Уровень техники

Актуальным для современных научных исследований является создание универсального прибора, который позволяет в ходе космического эксперимента проводить одновременные измерения различных видов космической радиации, имея при этом чувствительность, достаточную для регистрации слабых вариаций и временное разрешение не хуже 1 мс. При этом прибор должен иметь такие габариты, массу и энергопотребление, чтобы он мог быть использован на малых спутниках массой менее 10 кг, выполненных в широко используемом стандарте кубсат, запуск которых является сравнительно дешёвым, а время создания составляет 1-2 года.

Известен прибор FIRE, являющийся полезной нагрузкой спутников Firebird в стандарте кубсат [Klumpar, D. (2015). Flight system technologies enabling the twin-CubeSat FIREBIRD-II scientific mission. In Proceedings of the 29th Annual AIAA/USU Conference on Small Satellites. Logan, UT.]. Прибор, предназначенный для исследования микровысыпаний электронов на низкой орбите, имеет размер 10 х 10 х 5 см. Для регистрации электронов он содержит два независимых кремниевых твердотельных детектора частиц и три платы: аналоговой электроники, цифровой электроники и питания. Каждый детектор имеет толщину 1500 микрон и диаметр 32 мм. Толщина детектора обеспечивает поглощение электронов с энергией ~1 МэВ. На одном из детекторов установлен коллиматор, уменьшающий геометрический фактор до 9 см²*ср.

Прибор обеспечивает предварительное преобразование импульсов с детектора таким образом, что они имеют одинаковую амплитуду и длительность, пропорциональную энерговыделению, после чего импульс оцифровывается преобразователем длительность-код, реализованным на ПЛИС, в 256-разрядный цифровой код, по которому определяется принадлежность к одному из 6 энергетических каналов в диапазоне от 200 кэВ до 1 МэВ. Та же ПЛИС формирует выходные ряды показаний прибора с максимальным временным разрешением, составляющим 18.75 мс, а также ряды с частотой опроса 100 мс и 6 с. Данные передаются на хранение в бортовую память наноспутника непосредственно после их формирования.

Несмотря на ряд достоинств прибора FIRE, он имеет недостатки, прежде всего то, что его детекторы предназначены только для регистрации электронов, при этом они не чувствительны к гамма-излучению. Временное разрешение прибора позволяет исследовать микровсплески в диапазоне десятков миллисекунд, при этом нет возможности изучения тонкой структуры высыпаний в миллисекундном и субмиллисекундном диапазоне. Спектрометрические возможности прибора ограничены шестью широкими энергетическими интервалами, на которые разбит рабочий диапазон.

Наиболее близким к заявляемому устройству является прибор ДРГЭ, обеспечивающий одновременную регистрацию разного типа компонентов космической радиации на основе сцинтилляционных фосвич-детекторов, который используется в составе аппаратуры РЭЛЕК, установленной на спутнике «Вернов» [М.И. Панасюк, С.И. Свертилов, В.В. Богомолов и др., Эксперимент на спутнике «Вернов»: транзиентные энергичные процессы в атмосфере и магнитосфере Земли. Часть 1. Описание эксперимента». Космические исследования, 54(4): стр. 277–285, 2016. DOI 10.7868/S002342061604004X ]. Этот прибор предназначен для изучения жесткого электромагнитного излучения высотных атмосферных разрядов и высыпающихся магнитосферных электронов высоких энергий в космическом пространстве. С помощью прибора регистрируют гамма-кванты с энергиями 0.01-3.0 МэВ, электроны с энергиями 0,2-15 МэВ, протоны с энергиями 4-100 МэВ.

Прибор ДРГЭ состоит из двух идентичных блоков ДРГЭ-1 и ДРГЭ-2, а также блока ДРГЭ-3. В блоках ДРГЭ-1(2) каждый детекторный узел регистрации рентгеновского и гамма-излучения состоит из двухслойного сцинтилляционного детектора, выполненного из кристаллов NaI(Tl) (толщиной 0,3 см, диаметром 13 см) и CsI(Tl) (толщиной 1.7 см, диаметром 13 см), и фотоумножителя (ФЭУ) с диаметром фотокатода 11 см (Хамаматсу R877). Детектор и ФЭУ находятся в оптическом контакте и помещены в светозащитный чехол, изготовленный из легких материалов на основе алюминия, что обеспечивает высокую прозрачность для гамма-излучения. Покрытие входного окна сделано тонким - его толщина составляет 0.3 мм. Кристалл NaI(Tl) расположен со стороны входного окна и служит основным детектором для измерения временных характеристик жесткого рентгеновского излучения, а кристалл CsI(Tl) служит активной защитой от фонового гамма-излучения, а также используется в качестве детектора гамма-квантов более высоких энергий. Узел электронных плат, обслуживающих каждый детекторный узел прибора ДРГЭ, состоит из платы высоковольтных и низковольтных преобразователей напряжения (плата «питание»), платы предусилителей и отбора событий (плата «Событие») и платы цифровой электроники (плата «Интерфейс»). Возможность разделения световой вспышки в NaI(Tl) и CsI(Tl) основана на разнице времени угасания этих сцинтилляторов: 0,25 мкс для NaI(Tl), ~ 0,7 мкс (быстрая компонента), ~ 7,0 мкс (медленная компонента) для CsI(Tl). Для идентификации сигналов от каждого сцинтиллятора используется специальная электронная схема, анализирующая форму импульса ФЭУ. С помощью этой схемы, входящей в состав платы «Событие», осуществляется интегрирование электрического импульса от ФЭУ за первые 600 нс и за последующие ~5 мкс, в результате формируются сигналы «быстрая компонента» и «медленная компонента», использованные после оцифровки для формирования выходных данных прибора.

Прибор позволяет вести непрерывную запись показаний детекторов блоков ДРГЭ-1 и ДРГЭ-2, при этом плата «Интерфейс» обеспечивает сбор и передачу на Землю следующих видов информации.

1) Кадр «Мониторинг», содержащий число событий того или иного типа, произошедших за интервал времени, равный длительности кадра.

2) Кадр «Событийный массив», содержащий запись значений «быстрого» и «медленного» АЦП, а также значения времени взаимодействия с точностью ~15мкс для каждого из событий, произошедших за интервал времени, равный длительности кадра, но не более определенного числа событий.

Кроме идентичных блоков ДРГЭ-1 и ДРГЭ-2, описанных выше, в прибор ДРГЭ входит блок ДРГЭ-3, предназначенный для измерения потоков и спектров электронов с помощью сцинтилляционного детектора на основе сборки кристаллов CsI(Tl)/BGO (толщиной ~2.0 см и диаметром 2 см), также включающего элементы пассивной (коллиматор, алюминиевая фольга) и активной (пластмассовый сцинтиллятор) защиты и фотоумножитель с диаметром фотокатода 2.0 см. Электронные узлы блока ДРГЭ-3 реализованы аналогично электронным узлам блоков ДРГЭ-1 и ДРГЭ-2.

Однако прибор ДРГЭ не позволяет проводить разделение случаев взаимодействия гамма-квантов и электронов в детекторе. Кроме того, данный прибор имеет значительную массу и габариты, а также большую потребляемую мощность, поэтому может быть использован в эксперименте на спутниках массой не менее 50 кг.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является устранение недостатков ближайших аналогов, включая избыточный геометрический фактор, не позволяющий, в частности, вести измерения больших потоков частиц в радиационных поясах, а также устанавливать аппаратуру такого класса на малых космических аппаратах типа кубсат, а также невозможность проведения измерений потоков заряженных частиц отдельно от гамма-излучения.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом является обеспечение возможности размещения устройства для регистрации рентгеновского излучения, гамма-излучения и заряженных частиц (т.е. для регистрации различных компонентов космической радиации - электронов, гамма-квантов, протонов космических лучей) на малых спутниках, в том числе на наноспутниках типа кубсат, имеющих массу 1-10 кг, с проведением измерений потоков заряженных частиц отдельно от гамма-излучения, при этом мощность, передаваемая полезной нагрузке, может составлять 1-3 Вт.

Возможность размещения заявляемого устройства на малых спутниках реализуется за счет уменьшения массогабаритных характеристик при обеспечении раздельной регистрации гамма-излучения и заряженных частиц в диапазоне энерговыделения от 0,1 до 2 МэВ, с временным разрешением до 20 мкс. Заявляемое устройство имеет высоту не более 40 мм, ширину и длину не более 100 мм, массу не более 400 г. Энергопотребление микроконтроллера составляет не более 0,1 Вт, остальных элементов устройства – не более 1,2 Вт.

Технический результат достигается при изготовлении и использовании устройства для регистрации рентгеновского излучения, гамма-излучения и заряженных частиц, включающего:

- узел детектирования, содержащий размещенные в светоизолирующем корпусе с входным окном детектирующий элемент, выполненный в виде двухслойной сборки из сцинтилляторов двух типов, и оптически соединенный с ним ФЭУ, при этом первый слой сцинтиллятора сформирован кристаллом CsI(Tl);

- плату питания, содержащую высоковольтный источник питания ФЭУ, делитель напряжения и низковольтный преобразователь,

- узел электроники, включающий микроконтроллер и аналоговую часть, содержащую тракт формирования сигнала начала события в детектирующем элементе, и тракт преобразования сигнала с первого ФЭУ, выполненный с возможностью формирования выходных сигналов, определяющих амплитуду сигнала в начальный интервал времени (первые 0,5 мкс) от начала импульса, и последующий интервал времени от начала импульса (последующие 2 мкс),

в котором согласно изобретению,

- узел детектирования содержит второй ФЭУ, оптически соединенный с двухслойной сборкой из сцинтилляторов, при этом аналоговая часть узла электроники содержит дополнительный тракт преобразования сигнала со второго ФЭУ, выполненный аналогично тракту с первого ФЭУ,

- второй слой сцинтиллятора, расположенный со стороны входного окна узла детектирования, выполнен из пластического сцинтиллятора,

- узел электроники расположен на отдельной плате и содержит микросхему энергонезависимой памяти, при этом плата питания и плата узла электроники расположены параллельно и прикреплены к корпусу узла детектирования,

- плата питания выполнена с возможностью обеспечения питанием ФЭУ и аналоговой части платы узла электроники от одного внешнего источника питания, а микроконтроллера и микросхемы энергонезависимой памяти – от другого внешнего источника питания,

- микроконтроллер выполнен с возможностью оцифровывания четырех сигналов, полученных с аналоговой части, несущих информацию о том, в каком сцинтилляторе произошло взаимодействие, а также с возможностью формирования выходных данных, записи в энергонезависимую память и извлечения из нее с последующей передачей данных по запросу от систем спутника.

Элементы узла детектирования и узла электроники выбраны с обеспечением широкого динамического диапазона регистрируемых частиц – от 10^-1 до 10³ см^-2с^-1 ;

В одном из вариантов реализации изобретения печатные платы выполнены в стандарте РС104; входное окно корпуса узла детектирования выполнено из алюминия, имеет размеры 30 х 60 мм и толщину не более 0,1 мм; слой сцинтиллятора, сформированный кристаллом CsI(Tl), составляет 10 мм с возможностью регистрации гамма-квантов с энергиями в диапазоне 0.1 – 2.0 МэВ; слой пластического сцинтиллятора выполнен толщиной 2,5 – 3,5 мм с возможностью регистрации заряженных частиц с энергиями более 200 кэВ; в качестве ФЭУ использованы малогабаритные ламповые ФЭУ (Hamamatsu R5611); ФЭУ расположены по центрам двух равных участков сборки сцинтилляторов размером 30 х 30 мм; плата питания содержит высоковольтный источник питания ФЭУ (Hamamatsu 4900-01), делитель напряжения из чип-резисторов и конденсаторов в корпусах 1206, низковольтный преобразователь (AM6G-0505DZ); в качестве аналоговых элементов узла электроники использованы микросхемы класса industrial (AD8038, AD8039, AD8561, ADG736BRM), в качестве микроконтроллера STM32L496RGT6, качестве микросхемы энергонезависимой памяти W25Q128FV; аналоговая часть узла электроники и микроконтроллер выполнены с возможностью измерения энерговыделений раздельно в обоих сцинтилляторах для каждой регистрируемой частицы или гамма-кванта, что дает возможность идентификации электронов и гамма-квантов, а в случае записи информации в режиме «event by event» позволяет фиксировать быстрые вариации потоков с характерными временами менее 1 мс.

Заявляемое устройство обладает малыми габаритами и энергопотреблением, при этом имеет физические и технические характеристики, соответствующие требованиям современного космического эксперимента, а также широкие возможности настройки подробности проводимых измерений в условиях ограниченного суточного объёма информации, доступного для передачи на Землю.

Заявляемое устройство представляет собой прибор с широким полем зрения (2π ср) и геометрическим фактором ~50 cм²ср для измерения потоков и спектров заряженных частиц и гамма-излучения в диапазоне энерговыделений в детекторе 0.1 – 2 МэВ. Заявляемое устройство, имеющее массу менее 400г и энергопотребление менее 1.5 Вт, может использоваться в качестве универсального детектора космической радиации, позволяющего регистрировать кратковременные изменения потоков электронов и гамма-квантов. Основными научными задачами являются исследование быстрых вариаций потоков электронов в зонах высыпаний и зазора между радиационными поясами, а также изучение динамики потоков частиц и гамма-излучения на низких орбитах в зависимости от геомагнитных условий. Важным фактором, позволяющим более эффективно проводить научные исследования, является возможность установки прибора на двух и более сравнительно дешёвых спутниках класса кубсат, последовательно пролетающих через одну и ту же область околоземного пространства. Благодаря этому появляется принципиальная возможность разделять временные и пространственные эффекты в регистрируемых вариациях скоростей счета детекторов, что принципиально для понимания природы ускорения и высыпаний магнитосферных электронов.

Заявленные характеристики, обеспечивающие повышение эффективности научных исследований, реализуются в изобретении за счет комплекса факторов, включающих выбор оптимальной конфигурации детектирующего элемента, в том числе за счет использования комбинации пластического сцинтилляторов и кристалла CsI(Tl) для раздельного измерения потоков частиц и гамма-излучения; за счет использования современных малогабаритных ФЭУ и элементной базы электроники, позволяющей значительно улучшить массогабаритные характеристики аппаратуры и понизить потребляемую мощность.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена блок-схема заявляемого компактного детектора космической радиации, на фиг.2 – представлена фотография изготовленного устройства, на фиг.3 представлена принципиальная схема тракта формирования аналоговых сигналов, на фиг.4 показаны эпюры напряжений, поясняющие работу этой схемы, на фиг.5 - двумерная диаграмма для источника Cs-137: по оси Х сумма амплитуд быстрой компоненты ФЭУ-1 и ФЭУ-2, по оси Y сумма амплитуд медленных компонент ФЭУ-1 и ФЭУ-2; на фиг. 6 - двумерная диаграмма для источника Cs-137: по оси Х сумма амплитуд быстрой и медленной компонент ФЭУ-1, по оси Y сумма амплитуд быстрой и медленной компонент ФЭУ-2 ; на фиг.7 - спектр гамма-излучения источника Cs-137; на фиг. 8 - калибровочная зависимость для событий в CsI(Tl); на фиг.9 - скорости счета мониторинговых каналов заявляемого устройства на спутнике АмурСат за 1 виток: All – все события, CsI – взаимодействия в CsI(Tl), вызванные первичными и вторичными гамма-квантами , Plastic – регистрация электронов в пластическом сцинтилляторе, L – геомагнитная координата L; на фиг.10 - двумерная диаграмма, полученная во время пролёта спутника над Калугой (верх) и на границе внешнего радиационного пояса (низ).

Позициями на чертежах обозначены: 1 - узел детектирования, 2 – узел электроники, 3 – плата питания, 4 – микросхема энергонезависимой памяти, 5 – аналоговая часть узла электроники, 6 – микроконтроллер, 7 – пластический сцинтиллятор, 8 – кристалл CsI(Tl)

9 – сигнал с выхода предусилителя, 10 – сигнал управления ключом быстрой компоненты, 11 – сигнал быстрой компоненты, 12 – сигнал управления ключом медленной компоненты, 13 – сигнал медленной компоненты, 14 – сигнал управления разрядкой конденсаторов, 15 – события в CsI(Tl) на низких широтах, 16 – события в пластическом сцинтилляторе (регистрация электронов) на низких широтах, 17 - события в CsI(Tl) во внешнем радиационном поясе, 18 – события в пластическом сцинтилляторе (регистрация электронов) во внешнем радиационном поясе.

Осуществление изобретения

Ниже представлено более подробное описание заявляемого изобретения, которое предназначено для пояснения его сущности, не ограничивая объем заявленных притязаний. Настоящее изобретение может подвергаться различным изменениям и модификациям, понятным специалисту на основе прочтения данного текста. Такие изменения могут касаться, например, выбора электронных компонент, материала корпуса детекторного узла, размеров входного окна, формата хранения и передачи данных, и т.д.

Устройство для регистрации рентгеновского излучения, гамма-излучения и заряженных частиц (в научно-технической литературе может иметь название - детектор космической радиации) для использования на малых космических аппаратах состоит из следующих частей:

- детектирующий элемент из двух слоёв сцинтиллятора,

- фотоэлектронные умножители (2 шт),

- плата питания (в её состав входят высоковольтный источник питания ФЭУ, делитель напряжения и низковольтный преобразователь),

- узел электроники (выполнен в виде одной платы, содержащей аналоговую часть, микроконтроллер и микросхему энергонезависимой памяти)

- корпус узла детектирования, изготовленный из алюминия.

Электронные платы заявляемого устройства выполнены в стандарте PC-104, что упрощает интегрирование прибора в состав наноспутников формата кубсат. Платы крепят сверху и снизу к корпусу узла детектирования, внутри которого расположены в оптическом контакте детектирующий элемент и два ФЭУ. Электрические соединения заявляемого устройства с бортовыми системами спутника осуществляются через разъёмы, расположенные по бокам платы - узла электроники.

Детектирующий элемент заявляемого устройства представляет собой склеенные между собой оптическим клеем два детектирующих слоя в виде прямоугольных пластин размером 30 х 60 мм, изготовленных, соответственно, из пластического сцинтиллятора и кристалла CsI(Tl), при этом пластический сцинтиллятор расположен со стороны входного окна и в одном из вариантов реализации имеет толщину ~3 мм, а кристалл CsI(Tl) – 10 мм. Толщина светоизолирующего слоя входного окна составляет 0.1 мм алюминия. Детектор имеет чувствительную площадь ~18 см². Сборка просматривается двумя малогабаритными ФЭУ Hammamatsu R5611.

Заявляемое устройство использует две независимые линии внешнего питания:

- питание детекторного узла и аналоговой электроники

- питание микроконтроллера, микросхемы энергонезависимой памяти и др. элементов, необходимых для автономной работы цифровой части прибора в режиме обмена данными и командами.

Это сделано для того, чтобы в условиях дефицита энергии была возможность использования только цифрового узла для передачи информации, уже хранящейся в памяти, при выключенных узле детектирования и аналоговой части узла электроники, энергопотребление которых значительно превышает энергопотребление микроконтроллера. Следует отметить, что в описываемом устройстве не нужны специальные команды включения: его функционирование начинается при подаче напряжения питания на соответствующий узел.

Для осуществления возможности исследования быстрых вариаций заявляемое устройство формирует как мониторинговые данные (скорости счета частиц), так и подробные данные обо всех взаимодействиях в детекторе. Все типы собранных данных записываются в микросхему энергонезависимой памяти, откуда могут быть запрошены бортовыми системами спутника путём подачи цифровой команды. Мониторинговые данные, имеющие сравнительно небольшой объём, записываются постоянно, подробные данные запоминаются в энергонезависимой памяти по команде, определяющей интересующий исследователя момент времени. Основной способ проведения научного эксперимента состоит в регулярном сборе и передаче на Землю мониторинговых данных, а также активации время от времени режима подробной записи на предварительно рассчитанных участках траектории спутника, проходящих через зоны возможных вариаций потоков захваченных и квазизахваченных частиц. После просмотра данных типа «Мониторинг» исследователь выделяет моменты времени, в которые интересующие его вариации потока действительно происходили. Для этих моментов запрашиваются подробные данные для передачи на Землю.

Научные данные всех типов записываются блоками длиной 120 байт и передаются по запросу в виде команды, указывающей тип данных, начальный блок и число запрашиваемых блоков. В блоках данных записывается время в стандарте Unixtime. Значение текущего времени принимается от бортовых систем космического аппарата по информационной шине в виде цифрового пакета (команды, содержащей значение времени в виде параметра). В промежутках между моментами синхронизации для определения времени используется собственный таймер микроконтроллера. Для записи моментов взаимодействия частиц используется таймер, имеющий период ~10 микросекунд.

Данные типа «Мониторинг» представляют собой скорости счета (число событий за определенный интервал времени) в нескольких каналах. Принадлежность события (случая взаимодействия в детекторе) тому или иному каналу определяют следующим образом: каждому каналу соответствует область в виде четырёхугольника, заданного координатами четырёх вершин на двухмерной диаграмме, на которой по оси Х откладывают амплитуду быстрой компоненты суммарного импульса с двух ФЭУ (сигнал, собранный за первые 0.5 мкс), а по оси Y – амплитуду медленной компоненты (сигнал, собранный за последующие 2 мкс). Если точка, соответствующая событию в детекторе, лежит внутри четырёхугольника, число отсчетов в данном канале увеличивают на единицу. Границы каналов задаются независимо. Предварительно проводят калибровку, которая состоит в получении описываемых выше диаграмм при нахождении калибровочных радиоактивных источников в поле зрения прибора. Это необходимо для точного определения рабочего диапазона прибора и для настройки границ мониторинговых каналов, которые задаются в цифровом виде и хранятся в энергонезависимой памяти.

В информационных кадрах подробных данных (тип кадра «Массив») записываются первичные данные о тех событиях в детекторе, которые удовлетворяют условию принадлежности первому мониторинговому каналу: показания быстрого таймера и амплитуды быстрой и медленной компоненты отдельно для каждого из двух ФЭУ.

Примеры реализации изобретения

Изобретение было реализовано в приборе ДеКоР, несколько экземпляров которого были изготовлены, прошли все необходимые этапы предполётной наземной отработки (настройку, калибровку, испытания), после чего были запущены в космос в составе малых космических аппаратов АмурСат, ВДНХ-80. Ниже представлены результаты наземных калибровок, а также примеры данных, полученных в ходе космического эксперимента, подтверждающие заявленные характеристики устройства. Фотография изготовленного устройства представлена на фиг.2.

В качестве аналоговых элементов узла электроники в изготовленном устройстве были использованы микросхемы класса industrial типа AD8038, AD8039 (операционные усилители), AD8561 (компаратор), ADG736BRM (аналоговый ключ), в качестве микроконтроллера - STM32L496RGT6, качестве микросхемы энергонезависимой памяти - W25Q128FV. Сигнал с выходов двух ФЭУ усиливался двухкаскадными усилителями, каждый из каскадов был выполнен по инвертирующей схеме на базе микросхемы AD8039. Далее сигнал подавался на два независимых тракта преобразования сигнала, формирующих импульсы быстрой и медленной компоненты. Принципиальная схема описываемого тракта, использованная в изготовленном устройстве, приведена на фиг.3. Эпюры напряжений, отображающие форму сигналов на входах и выходах тракта, показаны на фиг. 4. Для формирования управляющих сигналов используется аналоговый компаратор, выходной импульс запускает формирование соответствующих импульсов с помощью нескольких ждущих мультивибраторов (микросхемы 74HCT123).

Характеристики изготовленного образца приведены в таблице 1. Из приведённых значений видно, что массово-габаритные характеристики прибора удовлетворяют требованиям установки прибора на малые спутники формата кубсат массой несколько килограммов, обеспечивающих мощность полезной нагрузки от 1.5 Вт.

Таблица 1. Характеристики прибора ДеКоР

Регистрируемые типы частиц Гамма, электроны Диапазон энерговыделений 0.1 – 2 МэВ Эффективная площадь 18 см² Временное разрешение 20 мкс Габаритные размеры 102х90х36 мм Масса Энергопотребление детектора 1.2 Вт Энергопотребление цифрового узла 0.1 Вт

Калибровка прибора ДеКоР проводилась в НИИЯФ МГУ с использованием радиоактивных градуировочных источников гамма-излучения Cs-137, Na-22, Ba-133, Eu-152, Am-241 и источника электронов Sr-90. В ходе калибровки производился штатный набор данных типа «Массив» при нахождении источника в поле зрения прибора. На основе полученных данных для каждого из источников был построен ряд двумерных диаграмм, основные два вида которых:

- сумма амплитуд быстрой компоненты двух ФЭУ по оси Х, сумма амплитуд медленной компоненты двух ФЭУ по оси Y,

- амплитуда суммы быстрой и медленной компонент ФЭУ-1 по оси Х, амплитуда суммы быстрой и медленной компонент ФЭУ-2 по оси Y.

Примеры полученных диаграмм для источника Cs-137 приведены на фиг.5 и фиг.6.

На диаграмме фиг.5, на которой отложены амплитуда быстрой компоненты Nfast по оси Х, амплитуда медленной компоненты Nslow для суммы двух ФЭУ по оси Y, видны две линии, образованные событиями, произошедшими в разных частях детектора. Верхняя линия содержит события, произошедшие в кристалле CsI(Tl). Нижняя линия соответствует более быстрому, пластическому сцинтиллятору. События в CsI(Tl) в основном вызваны гамма-квантами, а события в пластике - электронами. Вероятность взаимодействия гамма-кванта с тонким слоем пластика очень мала.

Для калибровки по энергии в месте пересечения линий в CsI(Tl) и в пластике на диаграмме фиг.5 выбиралась нулевая точка с координатами Nfast0, Nslow0. Для каждого события определялся номер канала, соответствующий расстоянию от нулевой точки до точки на диаграмме, по формуле:

N_i=SQRT((Nfast_i-Nfast0)²+(Nslow_i-Nslow0)²)

После этого строился амплитудный спектр в виде зависимости числа событий от номера канала. Пример спектра, полученного для источника гамма-излучения Cs-137, приведен на фиг.7. Особенность в области 5500-6000 канала соответствует энерговыделению 662 кэВ в кристалле CsI(Tl). Для других источников будут наблюдаться особенности в других каналах, соответствующие энергии гамма-квантов этих источников.

На основе нескольких полученных энергетических спектров строится калибровочная зависимость энергии от номера канала. Пример такой зависимости приведен на фиг. 8.

На фиг.9 показаны скорости счета мониторинговых каналов, записанные в ходе космического эксперимента на спутнике АмурСат в течение ~1 витка орбиты (~1.5 ч) с временным разрешением 1 с. Хорошо видны максимумы в моменты нахождения спутника во внешнем радиационном поясе Земли. Во время пролёта экватора видно плавное возрастание потоков электронов, при этом скорость счета фоновых гамма-квантов остается неизменной. Чувствительность прибора к малым потокам экваториальных электронов обеспечивается его эффективной площадью 18 см².

На фиг.10 приведены двумерные диаграммы, иллюстрируюшие данные прибора, записанные в подробном режиме («массив событий») в ходе космического эксперимента. В этом случае для каждого случая взаимодействия частицы или гамма-кванта в детекторе фиксируются точное время события (точность ~10 мкс) и четыре амплитуды: быстрая и медленная часть импульса с каждого из двух ФЭУ. На двумерной диаграмме видны линии, выходящие из общего начала, каждая из которых соответствует событиям в определенном сцинтилляторе. При этом расстояние от общего начала до точки, соответствующей событию, пропорционально энерговыделению частицы. Верхняя диаграмма на фиг.10 получена путем обработки данных, когда спутник находился над приемной станцией в Калуге, а нижняя диаграмма – когда измерения проводились на границе внешнего радиационного пояса. Из рисунков видно, что на широте Калуги прибор регистрирует преимущественно фоновые гамма-кванты, а на границе внешнего пояса – электроны с энергией менее 400 кэВ.

Приведённые диаграммы подтверждают заявленный энергетический диапазон прибора (0.1-2 МэВ) и возможность раздельного измерения потоков электронов и гамма-квантов во всём этом диапазоне. Временное разрешение ~20 мкс в режиме подобной записи обеспечивается архитектурой электроники прибора, при этом из представленных диаграмм видно, что заявленное устройство позволяет проводить измерения без перегрузки на границе внешнего радиационного пояса при скоростях счета ~5000 c^-1.

Изобретение относится к области исследования космической радиации, а именно к детекторам частиц и гамма-излучения, устанавливаемых на космических аппаратах. Техническим результатом является обеспечение возможности размещения устройства для регистрации рентгеновского излучения, гамма-излучения и заряженных частиц (т.е. для регистрации различных компонентов космической радиации - электронов, гамма-квантов, протонов космических лучей) на малых спутниках, в том числе на наноспутниках типа кубсат, имеющих массу 1-10 кг, с проведением измерений потоков заряженных частиц отдельно от гамма-излучения, при этом мощность, передаваемая полезной нагрузке, может составлять 1-3 Вт. Возможность размещения устройства на малых спутниках реализуется за счет уменьшения массогабаритных характеристик при обеспечении раздельной регистрации гамма-излучения и заряженных частиц в диапазоне энерговыделения от 0,1 до 2 МэВ с временным разрешением до 20 мкс. Устройство имеет высоту не более 40 мм, ширину и длину не более 100 мм, массу не более 400 г. Энергопотребление микроконтроллера составляет не более 0,1 Вт, остальных элементов устройства – не более 1,2 Вт. 10 з.п. ф-лы, 10 ил., 1 табл.

1. Устройство для регистрации рентгеновского излучения, гамма-излучения и заряженных частиц для использования на малых космических аппаратах, включающее узел детектирования, содержащий размещенные в светоизолирующем корпусе с входным окном детектирующий элемент, выполненный в виде двухслойной сборки из сцинтилляторов двух типов, и оптически соединенный с ним ФЭУ, при этом первый слой сцинтиллятора сформирован кристаллом CsI(Tl); плату питания, содержащую высоковольтный источник питания ФЭУ, делитель напряжения и низковольтный преобразователь, узел электроники, включающий микроконтроллер и аналоговую часть, содержащую тракт формирования сигнала начала события в детектирующем элементе, и тракт преобразования сигнала с первого ФЭУ, выполненный с возможностью формирования выходных сигналов, определяющих амплитуду сигнала в начальный интервал времени от начала импульса и последующий интервал времени от начала импульса, отличающееся тем, что узел детектирования содержит второй ФЭУ, оптически соединенный с двухслойной сборкой из сцинтилляторов, при этом аналоговая часть узла электроники содержит дополнительный тракт преобразования сигнала со второго ФЭУ, выполненный аналогично тракту с первого ФЭУ; второй слой сцинтиллятора, расположенный со стороны входного окна узла детектирования, выполнен из пластического сцинтиллятора; узел электроники расположен на отдельной плате и содержит микросхему энергонезависимой памяти, при этом плата питания и плата узла электроники расположены параллельно и прикреплены к корпусу узла детектирования; плата питания выполнена с возможностью обеспечения питанием ФЭУ и аналоговой части платы узла электроники от одного внешнего источника питания, а микроконтроллера и микросхемы энергонезависимой памяти – от другого внешнего источника питания, а микроконтроллер выполнен с возможностью оцифровывания четырех сигналов, полученных с аналоговой части, несущих информацию о том, в каком сцинтилляторе произошло взаимодействие, а также с возможностью формирования выходных данных, записи в энергонезависимую память и извлечения из нее с последующей передачей данных по запросу от систем спутника.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что платы выполнены в стандарте РС104.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что входное окно корпуса узла детектирования выполнено из алюминия, имеет размеры 30×60 мм и толщину не более 0,1 мм.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой сцинтиллятора, сформированный кристаллом CsI(Tl), составляет 10 мм с возможностью регистрации гамма-квантов с энергиями в диапазоне 0.1-2.0 МэВ.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что слой пластического сцинтиллятора выполнен толщиной 2,5-3,5 мм с возможностью регистрации заряженных частиц с энергиями более 200 кэВ.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве ФЭУ использованы малогабаритные ламповые ФЭУ - Hamamatsu R5611.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ФЭУ расположены по центрам двух равных участков сборки сцинтилляторов размером 30×30 мм.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что плата питания содержит высоковольтный источник питания ФЭУ - Hamamatsu 4900-01, делитель напряжения из чип-резисторов и конденсаторов в корпусах 1206, низковольтный преобразователь - AM6G-0505DZ.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что элементы узла детектирования и узла электроники выбраны с обеспечением широкого динамического диапазона регистрируемых частиц - от 10^-1 до 10³ см^-2с^-1.

10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве аналоговых элементов узла электроники использованы микросхемы класса industrial - AD8038, AD8039, AD8561, ADG736BRM, в качестве микроконтроллера - STM32L496RGT6, в качестве микросхемы энергонезависимой памяти - W25Q128FV.

11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что аналоговая часть узла электроники и микроконтроллер выполнены с возможностью измерения энерговыделений раздельно в обоих сцинтилляторах для каждой регистрируемой частицы или гамма-кванта.