УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ КОРПУСКУЛЯРНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Область техники
Полезная модель относится к области детектирования корпускулярных космических излучений и может быть использована на сверхмалых космических аппаратах типа CubeSat (кубсат). В устройствах детектирования применяется принцип последовательной регистрации пролетающей заряженной частицы несколькими полупроводниковыми детекторами разной толщины для определения ее типа и энергии.
Заявляемый универсальный полупроводниковый спектрометр предназначен для регистрации потоков электронов и протонов естественного космического излучения в диапазоне энергий от 50 кэВ до 10 МэВ (для электронов) и от 1 МэВ до 200 МэВ (для протонов).
Уровень техники
Полупроводниковые телескопы, т.е. соосные сборки полупроводниковых детекторов, являются достаточно традиционными устройствами регистрации потоков энергичных заряженных частиц. Преимуществами устройств такого типа являются высокие спектрометрические характеристики, большой динамический диапазон использования, возможность определения типа заряженных частиц без использования сложных математических методов.
Известен «многоканальный полупроводниковый детектор для регистрации альфа-частиц в нейтронном генераторе со статическим вакуумом и чувствительный элемент для него», раскрытый в патенте RU 2476907. Известный детектор включает корпус, пластину полупроводникового кристалла, размещенную перпендикулярно потоку альфа-частиц на керамической плате, регистрирующие элементы в виде полос с электрическими контактами и токоотводами.
Недостатком данного изобретения является его ограниченность по направлению регистрируемых альфа-частиц: устройство сконструировано под определенное расположение источника и не может быть применено для регистрации природных источников в космосе. Габаритные размеры известного детектора не позволяют использовать его в составе космических аппаратов типа кубсат.
Известен патент РФ №2550313 «Спектрометр-радиометр для одновременного анализа характеристик смешанных полей альфа-бета- и гамма-излучений на основе составного детектора», где раскрыта конструкция спектрометра, который может быть использован для одновременной регистрации альфа-, бета- и гамма-излучений. Спектрометр-радиометр включает в себя полупроводниковый кремниевый детектор, сцинтилляторы с разным временем высвечивания, устройство разделения сигналов по параметрам формы импульсов, усилитель, устройство оцифровки формы импульса сигналов, пороговый дискриминатор-формирователь, цифровой интегратор для обработки сигналов полупроводникового детектора и запоминающее устройство для хранения спектров альфа-излучения, схема совпадений и схема антисовпадений. Данное изобретение может быть использовано для радиационного контроля среды, то есть измерения нескольких видов излучения, что является общим признаком с заявляемым техническим решением.
Недостатком данного устройства является низкая точность определения энергии, обусловленная использованием сцинтилляторов, по сравнению с полупроводниковыми телескопами без сцинтилляционных детекторов.
Известен патент РФ №2615709, раскрывающий «устройство для измерения плотности потока нейтронов ядерной энергетической установки в условиях фоновой помехи от гамма-квантов и высокоэнергетичных космических электронов и протонов». В данном устройстве реализована схема для отличия измерения плотности потока нейтронов, создаваемых ядерной энергетической установкой, размещенной на космическом аппарате, от фоновой помехи от гамма-квантов ядерной энергетической установки и высокоэнергетичных космических электронов и протонов.
Недостатком данного устройства является отсутствие регистрации низкоэнергетичного фонового излучения электронов, протонов и гамма-квантов, которые поглощаются защитным корпусом.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является решение, раскрытое в патенте РФ №165028 «Спектрометр энергичной космической радиации (СПЭР)», и предназначенное для измерений потоков, энергетических спектров и временных вариаций энергетичных космических протонов и электронов. Данное устройство, помимо полупроводниковых детекторов, содержит сцинтилляционный кристалл, что значительно увеличивает верхний порог энергии регистрируемых заряженных частиц.
К недостаткам данного устройства можно отнести его значительные габариты и массу, а также устаревшую электронную компонентную базу, значительную чувствительность к помехам, сложность в изготовлении и настройке, невозможность изменения настроек после изготовления, необходимость внешних интерфейсных устройств для подключения и работы.
Раскрытие полезной модели
Технический результат, достигаемый при использовании заявляемой полезной модели, заключается в улучшении спектрометрических характеристик детектора за счет расположения полупроводникового детектора на одной плате с трактом усиления и формирования сигнала, что, в том числе, исключает возможность использования неэкранированных проводов при подключении детектора и, как следствие, позволяет использовать заявляемый спектрометр на сверхмалых космических аппаратах.
Преимуществами заявляемой полезной модели являются также значительно меньшие массогабаритные характеристики, улучшенные шумовые параметры по сравнению с прототипом, возможность управления и настройки во время эксплуатации, значительно возросшую технологичность изготовления и настройки, возможность снятия телеметрических параметров и диагностирования собственного состояния во время эксплуатации. Соотношение сигнал-шум в заявляемом спектрометре повышено, по меньшей мере, в два раза по сравнению с прототипом.
Заявленный технический результат достигается тем, что универсальный полупроводниковый спектрометр для детектирования корпускулярных космических излучений включает сборку из расположенных друг под другом с зазором четырех печатных плат, торцами установленных между двумя стенками, при этом каждая из первых трех плат содержит полупроводниковый детектор, снабженный устройством пассивной защиты и узел усилителя и формирователя сигнала, расположенный вплотную к детектору, а четвертая плата представляет собой плату цифровой обработки сигнала, на которой размещены микроконтроллер, устройство флэш-памяти и микросхема драйвера внешнего интерфейса, при этом детекторы всех трех плат расположены соосно, а со стороны первой платы устройство закрыто крышкой, имеющей отверстие для прохождения потока заряженных частиц. Полупроводниковый детектор представляет собой кремниевый полупроводниковый детектирующий элемент толщиной 300 мкм с квадратной активной областью размером 1 х 1 см. Устройство пассивной защиты детекторов выполнено в виде бронзового кольца, установленного в зазор между соответствующими печатными платами.
Полезная модель поясняется следующими чертежами, где
на фиг. 1 представлена компоновка плат детекторов в телескоп,
на фиг. 2 представлен пример предобработанного сигнала,
на фиг. 3 представлена схематичная компоновка устройства для установки в космический аппарат формата CubeSat 1U, 2U и более (габариты по стандарту CubeSat CDS rev.13, посадочные места по стандарту PC/104, боковые вырезы под сквозное прохождение жгутов кабелей по рекомендации Pumpkin).
Позициями на фигурах обозначены:
1. платы детекторов,
2. плата цифровой обработки сигнала,
3. бронзовые кольца пассивной защиты детекторов,
4. область размещения электроники,
5. кремниевые детекторы на платах,
6. стенка корпуса детектора,
7. сквозные разъемы,
8. триггерный сигнал,
9. быстрая компонента усиленного сигнала,
10. медленная компонента усиленного сигнала,
11. посадочные отверстия по стандарту PC/104,
12. область обзора детектора и коллиматор.
Осуществление полезной модели.
Устройство представляет собой сборку из четырех последовательно наложенных друг на друга плат электроники (поз.1 на фиг. 1,3), располагаемых в процессе использования устройства стопкой перпендикулярно направлению потока регистрируемых частиц, как показано на фиг. 1, 3. Платы с торцов зажаты двумя стенками (поз.6 на фиг. 3), определяющими общую геометрию устройства согласно стандарту CubeSat CDS rev.13. В них выполнены крепежные отверстия под резьбу М3, расположенные по стандарту PC/104 (поз.11 на фиг. 3). Форма стенок предусматривает боковые вырезы для сквозного пропускания жгутов кабелей других устройств по отраслевой рекомендации Pumpkin для космических аппаратов типоразмера CubeSat 1U…3U.
Со стороны первой платы с зазором к ней установлена крышка с отверстием для пропуска потока частиц (фиг.3).
Сверху (со стороны прилета частиц) под крышкой расположены три платы с кремниевыми детектирующими элементами (детекторами) 5 таким образом, что детекторы расположены соосно: параллельно друг другу и на одной оптической оси. Детекторы для увеличения помехозащищенности устройства и технологичности его изготовления и настройки смонтированы на платах, для обеспечения сквозного пролета частиц под активной областью детектора на каждой плате выполнено отверстие. В устройстве использованы кремниевые полупроводниковые пролетные детекторы толщиной 300 мкм с квадратной активной областью размером 1 х 1 см. Между платами над детекторами установлены бронзовые кольца 3, обеспечивающие пассивную защиту устройства от боковых прохождений частиц. Защитное бронзовое кольцо между детектором, установленным на первой плате, и передней стенкой выполняет функцию коллиматора потока излучения (поз.3 на фиг. 3). Вплотную к детекторам на платах размещены узлы усилителя и формирователя сигнала, обеспечивающие преобразование сигнала, зарегистрированного детектором, в импульс напряжения. Также на платах расположены узлы электроники, обеспечивающие формирование напряжения смещения детектора. Области размещения узлов электроники на платах показаны поз.4. Каждый функциональный узел электроники закрыт металлическим экраном. Сформированные электроникой импульсы через внутренние разъемы (поз.7 на фиг. 1) передаются на четвертую плату - цифровой обработки сигнала 2.
Плата цифровой обработки сигнала расположена за (под) платами детекторов. На ней размещены микроконтроллер, флэш-память, микросхема драйвера внешнего интерфейса. Такое взаимное расположение плат также обеспечивает дополнительную пассивную защиту наиболее подверженных воздействию радиации микросхем платы цифровой обработки.
Угол обзора заявляемого спектрометра определяется его геометрией сборки (в частности, зазором, расстоянием между соседними платами с детекторами) и в пределах общей геометрии устройства может быть изменен от 30 до 45 градусов (с уменьшением расстояния между платами угол обзора увеличивается). Данная настройка является предварительной, возможности изменения угла обзора во время работы устройства не предусмотрено.
Заявляемое устройство работает следующим образом:
Кремниевые детекторы преобразуют энергию заряженных частиц, попадающих на детектирующий элемент, в электрический заряд, который усиливается и преобразуется в импульс напряжения в узле усилителя и формирователя сигнала. Этот импульсный сигнал подается на селектор амплитуды (дискриминатор). На выходе дискриминатора формируется цифровой сигнал, соответствующий одному из настроенных энергетических каналов детектора. Полученный сигнал передается на плату цифровой обработки сигнала, в которой анализируются и запоминаются сигналы со всех трех детекторов.
Пример усиленного сигнала на выходе узла усилителя и формирователя сигнала приведен на фиг. 2. Время сбора заряда соответствует графику поз.8 (10 мкс). Усиленный сигнал (поз.9) определяет амплитуду сигнала в селекторе амплитуды. Амплитуда сигнала поз.9 на графике равна 170 мВ. Поз. 10 на графике для сравнения показывает процесс полного сбора заряда в детекторе.
Основу устройства (фиг.1, фиг. 3) составляют соосно расположенные проходные кремниевые детектирующие элементы (поз.5 фиг. 1), прикрытые пассивной защитой в виде бронзовых колец (поз.3 фиг. 1). Удельные потери энергии пролетающей через них заряженной частицы зависят от отношения заряда к массе частицы, таким образом, по соотношению потерь энергии частицы в детекторах осуществляется сепарация частиц по типу. Усиленный в узле усилителя и формирователя сигнал формируется по форме и длительности, затем поступает на дискриминаторы, отбирающие сигналы по амплитуде и формирующие соответствующие импульсы напряжения. Импульсы с узла формирователя каждой платы детектора поступают на счетные (цифровые) входы микроконтроллера на плате цифровой обработки сигнала.
Сигналы с разных детекторов, поступившие на вход устройства одновременно, относятся к одной частице, пролетевшей насквозь через несколько (2 или 3) детектирующих элементов.
В плате цифровой обработки сигнала по соотношению сигналов с разных детекторов определяется тип частицы и ее энергия (с точностью до настроенного энергетического канала). Полученная информация записывается в память для последующей отправки на управляющее устройство космического аппарата.
Плотная компоновка электроники устройства и использование цифровой электроники, управляемой микроконтроллером, позволила увеличить вдвое соотношение сигнал-шум в аналоговом тракте детекторов при кратном уменьшении массогабаритных характеристик устройства по сравнению с прототипом, а также обеспечить возможность настройки параметров (кроме входной апертуры и угла обзора устройства, определяемых геометрией конструкции) в ходе работы устройства. Могут быть настроены:
- напряжение смещения детектора,
- пороги дискриминаторов,
- настройки энергетических каналов,
- длительность накопления сигналов,
- параметры взаимодействия устройства с космическим аппаратом.
Таблица 1. Технические характеристики спектрометра
Параметр
Значение
Диапазон измеряемых энергий электронов
0,1…10 МэВ
Диапазон измеряемых энергий протонов
1…100 МэВ
Диапазон измеряемых энергий α-частиц
>1 МэВ
Угол поля зрения детектора
30…45°
Пример осуществления полезной модели
Устройство, описанное выше, изготовлено и настроено для использования в составе полезной нагрузки на космических аппаратах типа CubeSat (кубсат) форм-фактора 1U и более. Устройство включает три платы с кремниевыми пролетными детекторами 300 мкм, расположенные с зазором 10…22 мм друг от друга. Оптическая схема защищена бронзовыми кольцами толщиной 8 мм, вставленными между платами детекторов. Плата цифровой обработки сигнала выполнена на основе микроконтроллера STM32L432.
Устройство устойчиво к внешним воздействующим факторам на этапе выведения космического аппарата и орбитальной эксплуатации, а именно: механическим нагрузкам на этапе выведения, изменению внешнего давления на этапе выведения, температурам эксплуатации на сверхмалом космическом аппарате в негерметичном исполнении, ионизирующим излучениям космического пространства естественного происхождения.