СПЕКТРОМЕТР ЭНЕРГИЧНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ РАДИАЦИИ (СПЭР)

Прибор относится к астрономической технике и предназначен для измерений потоков, энергетических спектров и временных вариаций энергичных протонов и электронов солнечных и галактических космических лучей в межпланетном пространстве, а также радиационных поясов Земли на околоземных орбитах.
Известны приборы для измерения потоков энергичных заряженных частиц, работающие на космических аппаратах (КА) «Метеор» и «Электро», которые создавались в отсутствие возможности использования полупроводниковых детекторов малых толщин. Наиболее тонкий полупроводниковый детектор (300 мкм) не позволял различать электронные и протонные события для частиц с энергиями в сотни кэВ. Это приводило к неопределенности в интерпретации данных.
В настоящее время появилась возможность приобретать полупроводниковые детекторы значительно меньших толщин, что дало возможность различать электронные и протонные события.
Известен релятивистский электрон-протонный телескоп /The Relativistic Electron-Proton Telescope (REPT)//Instrument on Board the Radiation Belt Storm Probes (RBSP) Spacecraft: Characterization of Earth′s Radiation Belt High-Energy Particle Populations // D.N. Baker, S.G. Kanekal, V.C. Hoxie, - S. Batiste M. Bolton, et all / Springer Science + Business Media Dordrecht 2012/. Релятивистский электрон-протонный телескоп представляет собой телескоп из полупроводниковых детекторов различной толщины. Недостатком такого телескопа является достаточно высокие нижние границы энергетических диапазонов регистрации электронов и протонов.
Прототипом для разрабатываемого спектрометра является телескоп, предназначенный для регистрации электронов на борту космических аппаратов на фоне потоков релятивистских протонов и регистрации протонов
солнечных космических лучей /Гецелев И.В., Тулупов В.И., Щербовский Б.Я. Вопросы атомной науки и техники из серии Физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру, 2007/. Телескоп выполнен из полупроводниковых детекторов, включенных на совпадение и антисовпадение, что исключает регистрацию боковых прохождений каких-либо частиц. Недостатком такого спектрометра является достаточно узкие энергетические диапазоны регистрируемых электронов и протонов.
Задача, на решение которой направлена настоящая полезная модель, является создание базового прибора (спектрометра) для регистрации проникающих корпускулярных излучений (электронов и протонов), размещаемого на элементах космических аппаратов в системе контроля радиационного воздействия на КА, который обеспечивает раздельную оценку характеристик компонент этих излучений при их совокупном действии. Технический результат заключается в повышении точности регистрации энергий, измерений спектров при одновременном расширении энергетических интервалов регистрируемых корпускулярных излучений.
Для решения поставленной задачи и достижения технического результата предлагается спектрометр для регистрации энергичных протонов и электронов, включающий блок детектирования в виде сборки соосно ориентированных полупроводниковых детекторов, тракт усиления импульсов и интерфейсное устройство. Отличительной особенностью заявляемого спектрометра является то, что блок детектирования дополнен сцинтилляционным детектором, который соединен с фотодиодом, а тракт усиления импульсов выполнен с возможностью раздельного определения параметров регистрируемых частиц.
Детекторы выполнены круглого сечения диаметром от 8 мм до 20 мм, с поперечным размером от 30 мкм до 10 мм.
Тракт усиления импульсов включает усилители сигналов детекторов, устройство синхронизации сигналов и амплитудной селекции, логические
устройства отбора импульсов, которые работают на принципе совпадений и антисовпадений электрических сигналов от различных детекторов.
Тракт усиления импульсов подсоединен к интерфейсному устройству.
Интерфейсное устройство соединено с аппаратурой для приема телеметрической информации на космическом аппарате.
Сущность спектрометра для регистрации энергичных протонов и электронов поясняется фиг.
На фиг. представлена блок-схема полезной модели, где 1 - блок детектирования, 2 - полупроводниковый детектор D1, 3 - полупроводниковый детектор D2, 4 - полупроводниковый детектор D4, 5 - тракт усиления импульсов, 6 - интерфейсное устройство, 7 - сцинтилляционный детектор D3, 8 - фотодиод, 9 - усилители сигналов детекторов, 10 - устройство синхронизации сигналов и амплитудной селекции, 11 - логические устройства отбора импульсов, 12 - аппаратура для приема телеметрической информации на космическом аппарате.
Спектрометр для регистрации энергичных протонов и электронов устроен следующим образом. Основным его элементом является блок детектирования 1 («телескоп»), состоящий из полупроводниковых детекторов 2, 3, 4 различной толщины и сцинтилляционного детектора 7, соосно ориентированных и расположенных один под другим. Размеры детекторов 2-4, 7 представлены в таблице 1.
К сцинтилляционному детектору 7 дополнительно подключен фотодиод 8. Фотодиод 8, имеющий оптический контакт со сцинтилляционным детектором 7, служит для регистрации возникающего в детекторе 7 сигнала от прошедшей через него частицы. Использование дополнительно сцинтилляционного детектора 7 с фотодиодом наряду с детекторами 2-4 позволяет расширить энергетические интервалы регистрируемых корпускулярных излучений.
Поперечный размер а блока детектирования 1 не превышает 50 мм. Полупроводниковый детектор 2 располагается на расстоянии b от входа коллиматора (на фиг. не обозначен), равном 30 мм. Расстояние с между полупроводниковыми детекторами 2 и 3 составляет 24,5 мм.
В корпусе блока детектирования 1, как видно на фиг., зона расположения детекторов дополнительно окружена оргстеклом или другим изолятором (на фиг. не обозначена). На выходе коллиматора расположена фольга толщиной, эквивалентной 10 мкм кремния (на фиг. не обозначена). В качестве фольги заданной толщины используется двойная майларовая пленка с алюминиевым напылением.
В спектрометре блок детектирования 1 соединен с трактом усиления импульсов 5, который обеспечивает раздельное определение параметров регистрируемых частиц. Тракт усиления импульсов 5 включает в себя усилители сигналов детекторов 9, устройство синхронизации сигналов и амплитудной селекции 10, логические устройства отбора импульсов 11. Устройства 11 работают на принципе совпадений и антисовпадений электрических импульсов различных детекторов 2-4, 7.
Спектрометр располагается снаружи КА под экрано-вакуумной термоизоляцией (ЭВТИ) кроме входного окна коллиматора.
Спектрометр для регистрации энергичных протонов и электронов работает следующим образом. Детекторы 2-4, 7 регистрируют попадающие в них через входной коллиматор частицы. Угол α коллиматора, равный 35°, и его нижний диаметр d, равный 11 мм, выбраны таким образом, чтобы
выделить нужную величину углов прилета регистрируемых частиц и обеспечить их пролет только через детекторы.
Логические устройства отбора импульсов 11 при помощи набора определенных электрических порогов детекторов 2-4, 7, которые представлены в таблице 2, выделяют несколько энергетических интервалов частиц каждого сорта. Число зарегистрированных частиц в каждом энергетическом интервале за определенное время (период опроса) запоминается и передается в бортовую аппаратуру для приема телеметрической информации 12, которая расположена на космическом аппарате, для дальнейшего сброса на Землю.
Энергетические эквиваленты электрических порогов детекторов 2-4, 7 спектрометра приведены в таблице 2. Энергетические диапазоны и логика их выделения для электронов и протонов приведены, соответственно, в таблицах 3 и 4.
Организация тракта усиления импульсов 5 с возможностью раздельного определения параметров регистрируемых частиц (электронов и протонов), а также использование сцинтилляционного детектора 7 с фотодиодом 8 наряду с детекторами 2-4 позволяет повысить точность регистрации энергий и дополнительно расширить энергетические интервалы регистрируемых корпускулярных излучений.