КОМПАКТНЫЙ ДЕТЕКТОР УФ-ИЗЛУЧЕНИЯ АТМОСФЕРЫ ЗЕМЛИ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НА МАЛЫХ КОСМИЧЕСКИХ АППАРАТАХ
COMPACT DETECTOR OF UV EMISSION OF EARTH'S ATMOSPHERE FOR USE ON SMALL SPACE VEHICLES

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к детекторам электромагнитного излучения, а именно к фотометрическим приборам, работающим в ультрафиолетовом (УФ) и видимом диапазоне излучения с высоким временным разрешением, которые могут быть использованы для исследования УФ излучения атмосферы Земли на малых космических аппаратах типа кубсат.
Основу детектирующей части прибора составляют кремниевые фотоэлектронные умножители (КФЭУ), за счет которых обеспечивается компактность устройства, широкий динамический и спектральный диапазон регистрации.
Уровень техники
В последнее время активно развиваются технологии создания унифицированных платформ малых космических аппаратов (наноспутников или кубсатов) на которых возможно поставить и провести научный эксперимент в кратчайшие сроки. Миниатюризация аппаратуры и минимизация ее массы и энергопотребления - это современный тренд в спутниковых университетских научно-исследовательских проектах. Создание компактных УФ телескопов (или детекторов УФ излучения) - актуальное направление создания научной аппаратуры для исследования процессов в атмосфере земли на новом техническом уровне. На сегодняшний день наиболее перспективными фотосенсорами с высокой чувствительностью являются кремниевые фотоумножители (КФЭУ). В отличие от традиционных фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), используемых для быстрой фотометрии, КФЭУ обладают рядом преимуществ, существенных для экспериментов на малых космических аппаратах (МКА): компактность, прочность, надежность и низкое напряжение питания (25-70 В). Однако усовершенствование известных из уровня техники детекторов УФ излучения для использования на малых космических аппаратах типа кубсат, основанное на замене ФЭУ на КФЭУ, требует решения задач, связанных с оптимизацией взаимного расположения конструктивных элементов при обеспечении высокой точности/чувствительности измерений, в т.ч. за счет снижения влияния на КФЭУ от нагреваемых элементов электроники, контроля или регулирования температурного режима работы КФЭУ, автоматической регулировки усиления КФЭУ и т.д.
2
В частности, из уровня техники известно устройство «ТУС», предназначенное для регистрации треков космических лучей предельно высоких энергий (КЛ ПВЭ, частиц с энергией больше 7·1019 эВ) в атмосфере Земли с борта искусственного спутника [P. A. Klimov, M. I. Panasyuk, B. A. Khrenov, et al., The TUS detector of extreme energy cosmic rays on board the Lomonosov satellite. Space Science Reviews, 212(3-4):1687-1703, 2017. DOI: 10.1007/s11214-017-0403-3]. «ТУС» представляет собой телескоп-рефлектор, состоящий из зеркала-концентратора френелевского типа большой площади (2 м), предназначенного для сбора и фокусировки слабого сигнала флуоресценции, порождаемой в процессе развития в атмосфере широкого атмосферного ливня (ШАЛ), и фотоприемника, расположенного в фокальной плоскости зеркала. Фотоприемник представляет собой матрицу из 256 фотоэлектронных умножителей (ФЭУ) типа Hamamatsu R1463 с соответствующей электроникой. Однако известное устройство не может быть использовано в экспериментах на спутниках нанокласса., т.к обладает значительной массой (более 60 кг) и габаритами (более 1.5 м).
2
Известно устройство «УФ атмосфера» [Capel F., Belov A., Casolino M., Klimov P. Mini-EUSO: A high resolution detector for the study of terrestrial and cosmic UV emission from the International Space Station. Advances in Space Research, 62(10):2954-2965, 2018.], которое функционирует на российском сегменте Международной космической станции, (РС МКС), и является инструментом по исследованию транзиентных (кратковременных) свечений атмосферы Земли в УФ диапазоне. Преимуществом «УФ атмосфера» является совмещение в одном приборе высокой чувствительности, высокого временного разрешения и широкого поля зрения. «УФ атмосфера» включает широкоугольный детектор УФ излучения ночной атмосферы (детектор широкоугольный - ДШ); адаптер для крепления широкоугольного детектора к иллюминатору из кварцевого стекла; укладки с Flash-картами; линзовый телескоп с входным окном площадью 500 см и фотоприемником из многоанодных ФЭУ (2304 канала регистрации). ДШ является линзовым телескопом с большим входным отверстием, предназначен для измерения УФ излучения атмосферы, формирования, первичной обработки, записи и хранения экспериментальных данных об УФ свечении ночной атмосферы Земли в автоматическом режиме. Информация, накопленная в результате обработки, сохраняется в съемных запоминающих устройствах (ЗУ) прибора в цифровой форме и подлежит дальнейшей передаче на Землю при заполнении (оценка времени заполнения и частоты смены ЗУ приведена ниже). ДШ представляет собой моноблок размерами 370х370х620 мм. Адаптер обеспечивает крепление внутри гермоотсека РС МКС широкоугольного детектора НА «УФ атмосфера» к иллюминатору из кварцевого стекла. Укладка Flash-карт обеспечивает хранение и транспортировку Flash-карт НА «УФ атмосфера», на которые происходит запись научной информации в течение сеанса космического эксперимента (КЭ). Однако данное устройство также не может быть использовано в экспериментах на спутниках нанокласса, т.к обладает значительной массой (более 30 кг), габаритами (более 60 см), и энергопотреблением более 30 Вт.
2
2
Наиболее близким к заявляемому решению является детектор УФ излучения (ДУФ), который использовался в спутниковых экспериментах «Университетский-Татьяна», «Университетский-Татьяна-2», «Вернов» и «Чибис-М» [Garipov G K et al. Instruments and Experimental Techniques 49(1) 126 (2006); Sadovnichy V A et al. Cosmic Research 45 273 (2007); Sadovnichy V A et al. Solar System Research 45 3 (2011); Vedenkin N N et al. Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics 113 781 (2011)]. ДУФ состоит из двух фотоэлектронных умножителей Hamamatsu R1463, бленд со светофильтрами, расположенными на входе ФЭУ, и блока электроники (фиг. 1 - 2). Полоса пропускания каждого из ФЭУ ограничена соответствующими фильтрами (УФС2 и КС11) толщиной 2 мм. При переходе от числа регистрируемых фотоэлектронов ФЭУ к числу фотонов транзиентных атмосферных явлений (ТАЯ) важно учитывать зависимость квантовой эффективности катода ФЭУ от длины волны. В УФ диапазоне эффективность катода составляет около 20%, а для длин волн КИК диапазона она на порядок меньше, 2%. Чувствительная площадь катодов ФЭУ и поле зрения каждого ФЭУ определено блендой. Она выполнена как набор отверстий в твердом непрозрачном диске диаметром 0,8 мм при толщине диска 2,2 мм так, что при вертикальном падении луча площадь приема излучения составляет 0,4 см, которая уменьшается до нуля при зенитном угле около 20°. Телесный угол поля зрения - 0,06 ср, геометрический фактор каждого из детекторов - 0,024 см ср. Детекторы УФ позволяли отбирать транзиентные события в атмосфере Земли, изучать их временную структуру с разрешением 16 мкс (для детектора на спутнике «Татьяна-1»), 1 мс (для детектора на спутнике «Татьяна-2») и 0,5 мс (для детектора на спутнике «Вернов»), географическое распределение, распределение по энергии и отношению сигналов в разных спектральных каналах.
7
12
2
В ДУФ реализована система автоматической регулировки усиления (АРУ), которая подстраивает коэффициент усиления ФЭУ под условия фонового свечения атмосферы Земли путем изменения высокого напряжения. Система АРУ удерживает среднее значение кода АЦП на постоянном уровне. АРУ позволяет измерять интенсивность фонового УФ и КИК излучения в широком диапазоне интенсивности от ~ 10 до ~10фотонов/смс ср. Информация о событии записывается в виде кода М высокого напряжения ФЭУ и кодов N осциллограмм АЦП. Эти данные позволяют рассчитать количество фотонов транзиентного события, попавших в детектор, и среднюю интенсивность излучения атмосферы. Алгоритм расчета с учетом параметров детектора описан в работе [Vedenkin N N et al. Soviet Journal of Experimental and Theoretical Physics 113 781 (2011)] на примере детектора УФИК на спутнике «Татьяна-2». Регистрация УФ излучения происходит как на ночной, так и на дневной стороне орбиты спутника благодаря работе системы АРУ. Однако измерения вспышек возможно только на ночной стороне орбиты, ввиду слишком высокого порога днем.
Однако прибор ДУФ характеризуется следующими недостатками, которые ограничивают возможность его использования в экспериментах на спутниках нанокласса: значительные габаритные размеры, которые превышают размер одного модуля спутника типа кубсат; используемый тип бленды существенно уменьшает чувствительную область фотосенсора; использование вакуумных ФЭУ, которые изготавливаются из стекла и являются хрупкими устройствами, требуют дополнительной оснастки для обеспечения надежности и прочности детектора; необходимость применения источников высокого напряжения (порядка 1 кВ) для обеспечения высокой чувствительности обычных вакуумных ФЭУ.
Таким образом, основной технической проблемой является создание компактного, малопотребляющего и надежного детектора излучения в ближнем УФ диапазоне, обеспечивающего возможность проведения регистрации и мониторинга УФ излучения атмосферы Земли с борта спутников типа кубсат с высокой чувствительностью, с высоким временным разрешением в широком поле зрения.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом является обеспечение возможности размещения детектора УФ излучения на борту микро и нано-спутника типа кубсат и проведения регистрации и мониторинга УФ излучения атмосферы Земли с высокой чувствительностью и высоким временным разрешением.
Технический результат достигается за счет разработки детектора УФ излучения атмосферы Земли, включающего бленду со светофильтрами и входными окнами, предназначенными для ограничения поля зрения КФЭУ при максимальной эффективной площади сбора света, узел детектирования, содержащий фотосенсоры, в качестве которых использованы фотоэлектронные умножители, узел электроники, включающий элементы питания, аналого-цифровой преобразователь (АЦП), цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), микроконтроллер и аналоговую часть, содержащую тракт формирования и преобразования сигнала с ФЭУ в цифровую форму, который согласно изобретению содержит, по меньшей мере, два датчика температуры, один из которых размещен в узле детектирования, второй - в узле электроники, в качестве фотосенсоров использованы, по меньшей мере, четыре кремниевых фотоэлектронных умножителя (КФЭУ), при этом кремниевые фотоэлектронные умножители и один из датчиков температуры расположены на первой печатной плате;
бленда представляет собой защитный кожух, выполненный из алюминиевого сплава со светопоглощающим защитным (например, антикоррозионным) покрытием (в качестве которого в одном из вариантов реализации изобретения может выступать анодно-оксидное покрытие черного цвета - ан.окс.черный), содержащий, по меньшей мере, четыре входных окна квадратной формы, расположенные напротив КФЭУ на одинаковом расстоянии друг от друга с обеспечением одинакового поля зрения всех КФЭУ до 22,5°, определяемого углом между линиями, образующими границы полей зрения КФЭУ, при этом защитный кожух выполнен с поперечными светонепроницаемыми перегородками для исключения попадания света на каждый из КФЭУ из соседних окон;
узел электроники содержит энергонезависимую память, при этом элементы питания выполнены с возможностью обеспечения рабочего напряжения КФЭУ от 23 до 29,5 В, микроконтроллер выполнен с возможностью оцифровывания сигналов с КФЭУ, датчиков температуры, формирования выходных данных, записи в энергонезависимую память и извлечения из нее с последующей передачей данных по запросу от систем спутника по CAN интерфейсу; где энергонезависимая память, элементы питания, микроконтроллер и аналоговая часть расположены на второй печатной плате, закрепленной на бленде перпендикулярно первой печатной плате с КФЭУ.
Печатные платы выполнены в стандарте РС104. Размер стороны входного окна бленды соответствует размеру фоточувствительной области КФЭУ, количество окон соответствует количеству используемых КФЭУ.
В одном из вариантов осуществления изобретения в качестве КФЭУ использованы MicroFC-60035-SMT с чувствительной областью 6×6 мм, спектральной чувствительностью от 300 до 800 нм, максимумом спектральной чувствительности 420 нм и квантовой эффективностью до 41% при 420 нм; микроконтроллер использован фирмы STmicroelectronics STM32F107R8T; АЦП реализован на базе микросхемы MAX9611, подключенной к КФЭУ; элементы питания для КФЭУ выполнены в виде отрицательного и положительного источников напряжений, где отрицательный источник напряжения выполнен на основе микросхемы инвертирующего преобразователя напряжений ADP5073 с возможностью задания напряжения пробоя для лавинных диодов в КФЭУ, а положительный источник напряжения выполнен на основе микросхемы ЦАП AD5308 с возможностью установки регулируемого перенапряжения от 1 до 5 В. ЦАП AD5308, совместно с микроконтроллером, могут быть выполнены с возможностью обеспечения автоматической регулировки усиления КФЭУ (для обеспечения работы в широком диапазоне интенсивностей излучения - от прямого солнечного до ночного атмосферного излучения).
Заявляемое устройство (компактный детектор УФ излучения атмосферы Земли) обладает малыми габаритами и энергопотреблением, при этом имеет физические и технические характеристики, соответствующие требованиям современного космического эксперимента, а также широкие возможности настройки проводимых измерений в условиях ограниченного суточного объема информации, доступного для передачи на Землю, а также сильно переменного УФ свечения атмосферы.
2
Заявляемое устройство представляет собой прибор, предназначенный для мониторинга и исследования глобальных пространственно-временных вариаций УФ свечения атмосферы Земли с высоким временным разрешением, связанных с факторами грозовой активности, антропогенного влияния на атмосферу и космической погоды. В составе устройства находятся 4 канала регистрации излучения максимальной эффективной площадью 25 мм. В качестве фотосенсоров в устройстве использованы кремниевые фотоэлектронные умножители (КФЭУ). Данные датчики являются современной альтернативой вакуумным ФЭУ и имеют ряд преимуществ: компактность (толщина порядка 1 мм); малый вес; широкий диапазон чувствительности от одиночных фотонов до прямого солнечного света; низкая величина питающих напряжений 30-60 В; быстрое восстановление номинальной чувствительности при включении питания или после чрезмерной засветки; нечувствительность к магнитным полям; механическая прочность; высокая однородность чувствительности.
Поле зрения каналов регистрации определяется расположенной перед КФЭУ блендой и составляет порядка 22,5×22,5 градусов.
Заявляемое устройство имеет временное разрешение 10 мс, массу не более 500 г., а энергопотребление не более 1 Вт. Низкие массо-габаритные характеристики и энергопотребление, а также выполнение процессорной платы в формате PC104 позволяют использовать устройство в составе кубсатов. Наличие автоматической регулировки чувствительности фотосенсоров позволяет устройству работать на всей орбите космического аппарата (на дневной и ночной сторонах) в условиях УФ фона, отличающегося по интенсивности на 7 порядков величины.
Заявленные характеристики, обеспечивающие повышение эффективности научных исследований, реализуются в устройстве за счет следующих факторов:
- Выбора оптимальной конфигурации детектора, в том числе расположения фотосенсоров на отдельной печатной плате, крепящейся непосредственно к бленде;
- Использования современных кремниевых ФЭУ вместо традиционных вакуумных и элементной базы электроники, позволяющей значительно улучшить массогабаритные характеристики аппаратуры и понизить потребляемую мощность;
- Оптимизации геометрии бленды, позволяющей достигать максимальную чувствительность устройства (площадь входного окна соответствует площади КФЭУ) и широкого поля зрения;
- Выбора элементной базы (АЦП, ЦАП, микроконтроллер), обеспечивающей сбор и передачу данных, а также процесс управления работы устройства в качестве полезной нагрузки сверхмалого космического аппарата в условиях неуправляемого полета в открытом космосе при сильно переменном УФ свечении за счет автоматической регулировки усиления КФЭУ.
Краткое описание чертежей
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1, 2 представлены схемы устройства, выбранного в качестве прототипа (ДУФ), а именно, на фиг. 1 представлена схема детекторов УФ и ИК излучения, установленных на борту спутников «Татьяна-2» и «Вернов», на фиг.2 - блок-схема ДУФ.
На фиг.3 - 7 - представлены схемы, чертежи и фотографии заявляемого устройства, а именно: на фиг.3 представлена 3D модель устройства, на фиг.4 - чертеж бленды изготовленного устройства, на фиг. 5 - блок-схема устройства, на фиг.6 - блок-схема алгоритма управления усилением КФЭУ, реализуемого микроконтроллером; на фиг. 7 представлена фотография спутника типа кубсат с размещенным в нем заявляемым устройством (детектором); на фиг.8, 9 представлены результаты измерений детектора в орбитальном полете.
Позициями на чертежах обозначены: 1 - бленда, 2 - входные окна бленды, 3 - светофильтры, 4 - узел детектирования, 5 - кремниевые фотоэлектронные умножители (КФЭУ), 6 - узел электроники, 7 - элементы питания, 8 - ЦАП, 9 - АЦП, 10 - микроконтроллер, 11 - аналоговая часть, содержащая тракт формирования и преобразования сигнала с ФЭУ в цифровой вид, 12 - энергонезависимая память, 13 - датчики температуры, один из которых размещен в узле детектирования, второй в узле электроники, 14 - плата размещения КФЭУ и одного из датчиков температуры, 15 - плата размещения энергонезависимой памяти, элементов питания, микроконтроллера и аналоговой части.
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, количества датчиков температуры, выбора электронных компонент, светофильтров, геометрии бленды.
Устройство (фиг.3 - 7) состоит из следующих модулей: бленды (1) со светофильтрами (3) и входными окнами (2); узла детектирования (4), содержащего фотосенсоры (5), в качестве которых использованы кремниевые фотоэлектронные умножители и температурные датчики (13); узла электроники, включающего элементы питания (7), АЦП (9), ЦАП (8), микроконтроллер и аналоговую часть, содержащую тракт формирования и преобразования сигнала с ФЭУ в цифровой вид.
Бленда (1) предназначена для защиты от боковой засветки и формирования полей зрения фотосенсоров. Размеры входных окон бленды должны по форме и размерам соответствовать КФЭУ для обеспечения максимальной эффективной площади детектора. Материал изготовления бленды определяется требованиями обеспечения прочности и надежности устройства в космическом полете и при запуске на орбиту. Бленда должна быть покрыта светопоглощающим покрытием для исключения отражения и рассеяния света на ее стенках, которое создает дополнительный шумовой поток излучения при проведении исследований. Количество входных окон бленды соответствует количеству используемых в детекторе КФЭУ. Предпочтительным является использование, по меньшей мере, четырех КФЭУ и, соответственно, четырех входных окон. При этом входные окна выполнены прямоугольной формы, что обеспечивает максимальную эффективную площадь детектора. Входные окна имеют линейное расположение. Все входные окна имеют квадратную форму, расположены напротив КФЭУ на одинаковом расстоянии друг от друга с обеспечением одинакового поля зрения всех КФЭУ 22,5°, определяемого углом между линиями, образующими границы полей зрения КФЭУ. При таком расположении входных окон и КФЭУ поля зрения совпадают и возможно наблюдать одно и тоже явление в разных спектральных диапазонах, используя разные светофильтры перед КФЭУ.
7
В узле детектирования (4), выполненном в виде печатной платы (14), расположены фотосенсоры (5) и датчики температуры (13). Плата крепится непосредственно на бленду для обеспечения компактности прибора. В качестве фотосенсоров использованы КФЭУ, площадь (обеспечивающая чувствительность и динамический диапазон при фиксированном напряжении) и тип (определяющий, например, спектральную чувствительность) которых определяются задачами эксперимента и выбираются изготовителем детектора УФ излучения. Для конкретного варианта осуществления изобретения в заявляемом детекторе, предназначенном для выполнения космических экспериментов, были использованы КФЭУ MicroFC-60035-SMT с чувствительной областью 6×6 мм, спектральной чувствительностью от 300 до 800 нм. Важно, что при напряжении питания ниже «пробивного порога» КФЭУ начинает работать как обычный фотодиод. Т.е. под действием света в КФЭУ возникает ЭДС, но уже без усиления сигналов. В этом режиме возникающий в КФЭУ ток пропорционален световому потоку на входном окне. Так как направление (полярность сигнала) тока совпадает с лавинным режимом, то для регистрации сигналов в обоих режимах может использоваться одна и та же измерительная электроника. Данное обстоятельство расширяет динамический диапазон измерений световых потоков почти до 10. Регистрация световых потоков осуществляется путем измерения тока на КФЭУ с помощью АЦП (9).
Для управления режимом работы КФЭУ в функциональной схеме присутствует автоматический регулятор напряжений (который может быть реализован на ЦАП, обеспечивающем диапазон изменения напряжения от 0 до 5 В). Запуск и остановка измерений происходит подачей команды с Земли. В процессе измерений все измеряемые параметры записываются в энергонезависимую память. Содержимое памяти может быть прочитано с помощью команд прикладного протокола.
Датчик температуры должен обеспечивать диапазон измерения от -50°С до +50°С с точностью 0.5°С. По крайней мере, один датчик должен быть расположен максимально близко к КФЭУ для контроля их температуры. Это необходимо для дальнейшей корректировки показаний при анализе данных.
br
Питается КФЭУ от двух источников: отрицательного и положительного источников напряжений. Отрицательный источник задает напряжение пробоя V = .2...24.7 В для лавинных диодов в КФЭУ (для КФЭУ фирмы SensL). Для этих целей может быть использован любой регулируемый преобразователь напряжения с бортового (5 или 12 В) на напряжение пробоя КФЭУ.
Второй источник питания устанавливает положительное значение перенапряжения. Источник питания должен обеспечивать регулировку в диапазоне 0 - 5 В и должен быть реализован на основе ЦАП (см. выше). Источник питания должен обеспечивать ток до 2.5 мА для заданного напряжения.
Для обработки и предварительного хранения данных, а также управления работы ЦАП, АЦП и связью с бортовым компьютером используется микроконтроллер фирмы STmicroelectronics STM32F107R8T (либо другой, аналогичным по характеристикам). Для хранения данных используется энергонезависимая память объемом не менее 32 Мбайт.
Изготовление и сборка детектора включает: изготовление печатных двуслойных плат электроники (либо выбор готовых печатных плат), монтаж на платах электронных компонент с последующим тестированием на предмет качества монтажа и электрических соединений; программирование микроконтроллера; изготовление бленды (фрезеровка на станке ЧПУ) с нанесением на бленду лакокрасочного покрытия (чернение), установкой светофильтров и закреплением платы с фотосенсорами, которая фиксирует расположение КФЭУ относительно входных окон и прижимает светофильтры к бленде. Далее на бленде закрепляют процессорную плату - плату, содержащую энергонезависимую память, элементы питания, микроконтроллер и аналоговую часть, после чего с помощью кабеля производят соединение платы с фотосенсорами и процессорной платой.
Далее осуществляют первичное тестирование работы прибора и калибровку фотосенсоров, установленных в бленду, с трактом аналогово-цифрового преобразования.
После калибровки и автономной проверки работоспособности устройства его устанавливают на борт кубсата. Для крепления устройства предусмотрены резьбовые отверстия в бленде и отверстия в процессорной плате.
При работе устройства в составе космического аппарата, после первого включения осуществляют подачу циклограммы команд на включение штатной программы работы с управлением напряжением на КФЭУ и опросом АЦП. При попадании фотонов на вход бленды из поля зрения прибора фотоны проходят через светофильтр (который определяет длины волн проходящих фотонов излучения) и попадают на фотокатод КФЭУ. В КФЭУ происходит преобразование фотонов в фотоэлектроны, их лавинное размножение (усиление сигнала). Этот сигнал формирует ток, который течет через шунтирующий резистор, на котором АЦП измеряет падение напряжения (тем самым измеряется ток через КФЭУ, который определяется интенсивностью входного потока излучения). При большом токе через КФЭУ микроконтроллер понижает напряжение на ЦАП, питающем КФЭУ, тем самым, понижая его чувствительность. Каждые 10 мс происходит опрос АЦП и запись показаний в энергонезависимую память. Записываются ток АЦП, реальное напряжение на КФЭУ, стандартное отклонение тока и температуры.
Затем по команде с борта космического аппарата завершается сеанс набора данных, и научная информация переписывается на бортовой компьютер или поступает непосредственно на передающее устройство спутника для передачи на наземный пункт приема информации.
Примеры реализации изобретения
Заявленное устройство реализовано в детекторе, который изготовлен в рамках проекта ВДНХ-80 - космического аппарата нанокласса и форфмактора 3U. На фиг. 7 представлена фотография спутника; 4 квадратных отверстия на лицевой панели прибора являются входными окнами заявляемого детектора.
Оптическая часть представляет собой бленду, изготовленную в соответствии с параметрами, представленными на фиг.5: сторона входного окна бленды имеет длину 5 мм, алюминиевая пластина защитного кожуха выполнена толщиной 3 мм, количество КФЭУ - 4 с линейным расположением на печатной плате, при этом для увеличения чувствительности крайние КФЭУ выполнены без фильтра, центральные КФЭУ выполнены с фильтрами ближнего УФ диапазона (диапазон основных линий свечения молекулярного азота), расстояние между центрами КФЭУ составляет 11 мм, расстояние от входного окна до чувствительной области КФЭУ составляет 15 мм. Бленда ограничивает поле зрения центральных всех фотоумножителей до 22,5° (фиг.4). Светофильтры по размеру совпадают с самими ФЭУ (6×6мм), используемые фильтры УФС-1, УФС-2, КС-5. Одно крайнее входное окно без светофильтра для интегральных измерений во всем диапазона длин волн чувствительности КФЭУ.
В устройстве применены КФЭУ MicroFC-60035-SMT с чувствительной областью 6×6 мм, спектральной чувствительностью от 300 до 800 нм, максимумом спектральной чувствительности 420 нм и квантовой эффективностью до 41% при 420 нм. Эта чувствительность достигается при напряжении питания между анодом и катодом около 29,5 В.
Регистрация световых потоков осуществляется путем измерения тока через КФЭУ. Для этого использованы четыре микросхемы MAX9611, в состав которых входит токовый усилитель CSA, операционный усилитель с коэффициентом усиления ×1, ×4 и ×8, 12-битное АЦП c частотой оцифровки 2,5 МГц. Микросхема позволяет устанавливать диапазон измерения тока (напряжения на шунтирующем резисторе 100 Ом 0,1%) и считывать результаты измерений с частотой до 500 Гц через цифровой интерфейс I2C.
В качестве датчика измерения температуры использован цифровой термометр DS1631AU. Точность определения температуры ±0,5°С. Рабочая температура -55/+125°С. Выходной интерфейс данных для связи с микроконтроллером - I2C.
br
Питается КФЭУ от отрицательного и положительного источников напряжений. Отрицательный источник на основе микросхемы инвертирующего преобразователя напряжений ADP5073 задает напряжение пробоя V = 24.2...24.7 В для лавинных диодов в КФЭУ. Регулировать это напряжение можно при помощи цифрового потенциометра на микросхеме AD5245. Регулировку значения сопротивления осуществляют с контроллера по интерфейсу - I2C.
ov
ov
6
6
Положительное значение перенапряжения V = 1...5 В устанавливается на выходах 8-канального, 8-ми битного цифро-аналогового преобразователя ЦАП AD5308. Установка напряжения выходного напряжения регулируется микроконтроллером по каналу связи интерфейса SPI. Выходной буферный усилитель этого ЦАП выдерживает ток до 2,5 мА для заданного напряжения. Изменение V позволяет регулировать усиление КФЭУ в диапазоне от 1×10 до 6×10. Для подстройки чувствительности КФЭУ к потоку излучения реализована система автоматической регулировки усиления (АРУ), которая имеет 4 режима, отличающиеся перенапряжением для КФЭУ. Возможные значения перенапряжения: 0 В (режим фотодиодов), 1,22 В и 2,44 В (для измерений интенсивности терминатора и высокой ночной атмосферной освещенности) и 5 В (наиболее чувствительный режим для измерения свечения в безлунные ночи). Алгоритм работы регулятора напряжения КФЭУ представлен на фиг. 7.
Обработка, хранение данных производится на микроконтроллере фирмы STmicroelectronics STM32F107R8T. Микроконтроллер построен на базе ядра ARM Cortex M3, работающего на частоте 72 MHz. Программа, настройки AURA и данные записываются во внутреннюю память микроконтроллера. Размер памяти контроллера составляет 64 кбайт. Для связи с бортовым процессором космического аппарата используется интерфейс передачи данных - CAN.
-10
2
3
Изготовленное устройство характеризовалось следующими физическими характеристиками: диапазон длин волн: 300-400 нм; поле зрения: 22,5 × 22,5; порог регистрации ~10 Вт/см; временное разрешение 10 мс; а также техническими характеристиками: масса - 0,4 кг, энергопотребление 0,75 Вт, габаритные размеры - 101 х 87 х 38 мм, напряжение питания - 5 В, объем внутренней памяти - 32 Мбайт.
Первые месяцы полета спутника «ВДНХ-80» были посвящены этапу ввода проекта в эксплуатацию и испытаниям служебных систем спутника. Поэтому, первые включения детектора состоялись только 14.11.2019 и 19.11.2019 и 26.11.2019. Включения научной аппаратуры происходили на дневной стороне орбиты в районе пункта управления в Калуге.
Первое, тестовое включение происходило 14.11.2019 без подачи питания на КФЭУ на дневной стороне орбиты. Интенсивность измерения (в кодах АЦП) полученная за первый сеанс приведена на рисунке 8.
Вариации интенсивности в основном определяются вращением спутника. КФЭУ-4 - фотоумножитель без фильтра, следовательно, интенсивность, измеренная им, больше, чем у других в большей части осциллограммы. Между 25 и 40 секундами сигнал равен темновому току, измеренному в предполетных испытаниях, следовательно входные окна детектора направлены в направлении минимальной интенсивности свечения и чувствительности КФЭУ в отсутствии питания недостаточно. При этом, в предполетных измерениях КФЭУ-4 имел самое низкое значение темнового тока, равное 23 отсчетам АЦП (что и наблюдается на осциллограмме).
2
В районе 60-й секунды измерений наблюдается максимум свечения. При пересчете кодов АЦП в мощность излучения получено значение ~0.14 Вт/см, таким образом, в этот момент в поле зрения детектора находилось Солнце. Это показывает, что детектор сохраняет работоспособность и возможность проводить измерения во время и после попадания прямого солнечного излучения на фотосенсор.
Длительное включение прибора АУРА состоялось 26.02.2020, когда удалось полностью прописать временной ход интенсивности на дневной и ночной сторонах орбиты. Причем, в виду малой фазы Луны (она находилась за горизонтом на ночной стороне витка), сигнал практически не модулирован из-за вращения космического аппарата.
На фиг. 9 показаны показания кода АЦП для всего сеанса измерений. В начале и в конце виден мощный сигнал с насыщением - дневная сторона в ходе которой в поле зрения прибора попадают прямые солнечные лучи и напряжение на ФЭУ практически снято. Посередине сеанса (между 1000 и 3000 с) - измерения на теневой стороне орбиты.
3
Таким образом, разработанное устройство соответствовало заявленным техническим характеристикам (масса - не более 0,5 кг, энергопотребление не более 1 Вт, габаритные размеры - не более 110 × 100 × 40 мм, напряжение питания - 5 В, необходимым для его размещения на борту микро и нано-спутников типа кубсат, с возможностью проведения экспериментов по регистрации и мониторингу с УФ излучения атмосферы Земли с высокой чувствительностью.