RU165028U1

RU165028U1 - ENERGY SPACE RADIATION SPECTROMETER (SPER)

Info

Publication number: RU165028U1
Application number: RU2015149253/28U
Authority: RU
Inventors: Иван Анатольевич Брильков; Владислав Ильич Оседло; Михаил Игоревич Панасюк; Илья Александрович Рубинштейн; Владимир Иванович Тулупов; Борис Яковлевич Щербовский
Priority date: 2015-11-17
Filing date: 2015-11-17
Publication date: 2016-09-27

Abstract

1. Спектрометр для регистрации энергичных протонов и электронов, включающий блок детектирования в виде сборки соосно ориентированных полупроводниковых детекторов, тракт усиления импульсов и интерфейсное устройство, отличающийся тем, что блок детектирования дополнен сцинтилляционным детектором, который соединен с фотодиодом, а тракт усиления импульсов выполнен с возможностью раздельного определения параметров регистрируемых частиц.2. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что детекторы выполнены круглого сечения диаметром от 8 мм до 20 мм.3. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что детекторы выполнены с поперечным размером от 30 мкм до 10 мм.4. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что тракт усиления импульсов включает усилители сигналов детекторов.5. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что тракт усиления импульсов включает устройство синхронизации сигналов и амплитудной селекции.6. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что тракт усиления импульсов включает логические устройства отбора импульсов, которые работают на принципе совпадений и антисовпадений электрических сигналов от различных детекторов.7. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что тракт усиления импульсов подсоединен к интерфейсному устройству.8. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что интерфейсное устройство соединено с аппаратурой для приема телеметрической информации на космическом аппарате.1. A spectrometer for recording energetic protons and electrons, including a detection unit in the form of an assembly of coaxially oriented semiconductor detectors, a pulse amplification path and an interface device, characterized in that the detection unit is supplemented by a scintillation detector that is connected to the photodiode, and the pulse amplification path is configured to separate determination of the parameters of the detected particles. 2. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the detectors are made of circular cross section with a diameter of 8 mm to 20 mm. 3. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the detectors are made with a transverse size from 30 μm to 10 mm. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the pulse amplification path includes amplifiers of the signals of the detectors. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the pulse amplification path includes a signal synchronization and amplitude selection device. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the pulse amplification path includes logic pulse selection devices that operate on the principle of coincidence and anti-coincidence of electrical signals from various detectors. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the pulse amplification path is connected to an interface device. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the interface device is connected to equipment for receiving telemetric information on the spacecraft.

Description

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.The device relates to astronomical technology and is designed to measure flows, energy spectra and temporal variations of energetic protons and electrons of solar and galactic cosmic rays in interplanetary space, as well as radiation belts of the Earth in near-Earth orbits.

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.Known instruments for measuring fluxes of energetic charged particles operating on spacecraft (SC) "Meteor" and "Electro", which were created in the absence of the possibility of using semiconductor detectors of small thicknesses. The thinnest semiconductor detector (300 μm) did not allow to distinguish between electronic and proton events for particles with energies of hundreds of keV. This led to uncertainties in the interpretation of the data.

В настоящее время появилась возможность приобретать полупроводниковые детекторы значительно меньших толщин, что дало возможность различать электронные и протонные события.Currently, it has become possible to acquire semiconductor detectors of much smaller thicknesses, which made it possible to distinguish between electronic and proton events.

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.Known relativistic electron-proton telescope / 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 /. The relativistic electron-proton telescope is a telescope made of semiconductor detectors of various thicknesses. The disadvantage of such a telescope is the relatively high lower boundaries of the energy ranges of registration of electrons and protons.

Прототипом для разрабатываемого спектрометра является телескоп, предназначенный для регистрации электронов на борту космических аппаратов на фоне потоков релятивистских протонов и регистрации протоновThe prototype for the spectrometer under development is a telescope designed to detect electrons on board spacecraft against the background of flows of relativistic protons and registration of protons

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.cosmic rays / Getselev I.V., Tulupov V.I., Scherbovsky B.Ya. Questions of atomic science and technology from the series Physics of Radiation Effects on Radio-Electronic Equipment, 2007 /. The telescope is made of semiconductor detectors included for coincidence and anti-coincidence, which excludes registration of lateral passages of any particles. The disadvantage of this spectrometer is the rather narrow energy ranges of the recorded electrons and protons.

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.The problem the real utility model is aimed at is creating a basic device (spectrometer) for detecting penetrating corpuscular radiation (electrons and protons) placed on the elements of spacecraft in the control system for the radiation effect on the spacecraft, which provides a separate assessment of the characteristics of the components of these radiation at their combined effect. The technical result consists in increasing the accuracy of energy registration, spectral measurements while expanding the energy intervals of the recorded corpuscular radiation.

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.To solve this problem and achieve a technical result, a spectrometer is proposed for recording energetic protons and electrons, including a detection unit in the form of an assembly of coaxially oriented semiconductor detectors, a pulse amplification path, and an interface device. A distinctive feature of the inventive spectrometer is that the detection unit is supplemented by a scintillation detector, which is connected to the photodiode, and the pulse amplification path is configured to separately determine the parameters of the particles being detected.

Детекторы выполнены круглого сечения диаметром от 8 мм до 20 мм, с поперечным размером от 30 мкм до 10 мм.The detectors are made of circular cross section with a diameter of 8 mm to 20 mm, with a transverse size of 30 microns to 10 mm.

Тракт усиления импульсов включает усилители сигналов детекторов, устройство синхронизации сигналов и амплитудной селекции, логическиеThe pulse amplification path includes amplifiers for detector signals, a device for synchronizing signals and amplitude selection, logic

устройства отбора импульсов, которые работают на принципе совпадений и антисовпадений электрических сигналов от различных детекторов.pulse pick-up devices that operate on the principle of coincidence and anti-coincidence of electrical signals from various detectors.

Тракт усиления импульсов подсоединен к интерфейсному устройству.The pulse amplification path is connected to an interface device.

Интерфейсное устройство соединено с аппаратурой для приема телеметрической информации на космическом аппарате.The interface device is connected to equipment for receiving telemetric information on the spacecraft.

Сущность спектрометра для регистрации энергичных протонов и электронов поясняется фиг. The essence of the spectrometer for detecting energetic protons and electrons is illustrated in FIG.

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.In FIG. a block diagram of a utility model is presented, where 1 is a detection unit, 2 is a semiconductor detector D1, 3 is a semiconductor detector D2, 4 is a semiconductor detector D4, 5 is a pulse amplification path, 6 is an interface device, 7 is a scintillation detector D3, 8 is a photodiode, 9 - amplifiers of the signals of the detectors, 10 - a device for synchronizing signals and amplitude selection, 11 - logical devices for selecting pulses, 12 - equipment for receiving telemetric information on a spacecraft.

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.A spectrometer for detecting energetic protons and electrons is arranged as follows. Its main element is the detection unit 1 (“telescope”), consisting of semiconductor detectors 2, 3, 4 of various thicknesses and a scintillation detector 7, coaxially oriented and located one below the other. The sizes of the detectors 2-4, 7 are presented in table 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.A photodiode 8 is additionally connected to the scintillation detector 7. Photodiode 8, which has optical contact with the scintillation detector 7, is used to register the signal from the particle passing through it. The use of an additional scintillation detector 7 with a photodiode along with detectors 2-4 allows us to expand the energy intervals of the recorded corpuscular radiation.

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.The transverse dimension a of the detection unit 1 does not exceed 50 mm. The semiconductor detector 2 is located at a distance b from the input of the collimator (not indicated in Fig.), Equal to 30 mm The distance c between the semiconductor detectors 2 and 3 is 24.5 mm.

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.In the housing of the detection unit 1, as can be seen in Fig., The area of the detectors is additionally surrounded by plexiglass or another insulator (not indicated in Fig.). At the output of the collimator is a foil with a thickness equivalent to 10 μm silicon (not indicated in FIG.). As a foil of a given thickness, a double Mylar film with aluminum coating is used.

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.In the spectrometer, the detection unit 1 is connected to the pulse amplification path 5, which provides a separate determination of the parameters of the detected particles. The pulse amplification path 5 includes amplifiers of the signals of the detectors 9, a device for synchronizing signals and amplitude selection 10, logical devices for selecting pulses 11. The devices 11 operate on the principle of coincidence and anti-coincidence of electrical pulses of various detectors 2-4, 7.

Спектрометр располагается снаружи КА под экрано-вакуумной термоизоляцией (ЭВТИ) кроме входного окна коллиматора.The spectrometer is located outside the spacecraft under the screen-vacuum thermal insulation (EVTI) except the input window of the collimator.

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, чтобыA spectrometer for recording energetic protons and electrons works as follows. Detectors 2-4, 7 register particles entering them through the input collimator. The angle α of the collimator, equal to 35 °, and its lower diameter d, equal to 11 mm, are selected so that

выделить нужную величину углов прилета регистрируемых частиц и обеспечить их пролет только через детекторы.select the desired value of the arrival angles of the detected particles and ensure their passage only through the detectors.

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.The logical device for selecting pulses 11 using a set of specific electrical thresholds of the detectors 2-4, 7, which are presented in table 2, allocate several energy intervals of particles of each sort. The number of registered particles in each energy interval for a certain time (the polling period) is stored and transmitted to the on-board equipment for receiving telemetric information 12, which is located on the spacecraft, for further discharge to Earth.

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.The energy equivalents of the electrical thresholds of the detectors 2-4, 7 of the spectrometer are shown in table 2. The energy ranges and the logic of their emission for electrons and protons are given, respectively, in tables 3 and 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.The organization of the amplification path of pulses 5 with the possibility of separately determining the parameters of the recorded particles (electrons and protons), as well as the use of a scintillation detector 7 with a photodiode 8 along with the detectors 2-4, can increase the accuracy of energy registration and further expand the energy intervals of the detected particle radiation.

Claims

1. A spectrometer for recording energetic protons and electrons, including a detection unit in the form of an assembly of coaxially oriented semiconductor detectors, a pulse amplification path and an interface device, characterized in that the detection unit is supplemented by a scintillation detector that is connected to the photodiode, and the pulse amplification path is configured to separate determination of the parameters of the detected particles.

2. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the detectors are circular in diameter from 8 mm to 20 mm.

3. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the detectors are made with a transverse size of from 30 microns to 10 mm.

4. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the pulse amplification path includes amplifiers of the signals of the detectors.

5. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the pulse amplification path includes a signal synchronization and amplitude selection device.

6. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the pulse amplification path includes pulse picking logic devices that operate on the principle of coincidence and anti-coincidence of electrical signals from various detectors.

7. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the pulse amplification path is connected to an interface device.

8. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the interface device is connected to equipment for receiving telemetric information on the spacecraft.