RU204784U1 - UNIVERSAL SEMICONDUCTOR SPECTROMETER FOR DETECTING CORPUSCULAR SPACE RADIATIONS - Google Patents

UNIVERSAL SEMICONDUCTOR SPECTROMETER FOR DETECTING CORPUSCULAR SPACE RADIATIONS Download PDF

Info

Publication number
RU204784U1
RU204784U1 RU2020142594U RU2020142594U RU204784U1 RU 204784 U1 RU204784 U1 RU 204784U1 RU 2020142594 U RU2020142594 U RU 2020142594U RU 2020142594 U RU2020142594 U RU 2020142594U RU 204784 U1 RU204784 U1 RU 204784U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
detector
spectrometer
boards
board
detectors
Prior art date
Application number
RU2020142594U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Михаил Игоревич Панасюк
Андрей Александрович Шемухин
Екатерина Андреевна Воробьева
Василий Львович ПЕТРОВ
Антон Викторович Назаров
Сергей Аркадьевич Филиппычев
Сергей Евгеньевич КОЧЕПАСОВ
Владислав Ильич Оседло
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2020142594U priority Critical patent/RU204784U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU204784U1 publication Critical patent/RU204784U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01LSEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof

Abstract

Полезная модель относится к полупроводниковым спектрометрам для детектирования корпускулярных космических излучений, которые могут быть использованы на сверхмалых космических аппаратах типа CubeSat. Сущность: спектрометр включает сборку из расположенных друг под другом с зазором трех печатных плат (1) и одной платы (2) цифровой обработки сигнала, установленных торцами между двумя стенками (6). Каждая из трех печатных плат (1) содержит полупроводниковый детектор (5), снабженный устройством (3) пассивной защиты, и узел усилителя и формирователя сигнала, расположенный вплотную к детектору (5). При этом детекторы (5) всех трех плат (1) расположены соосно. На плате (2) цифровой обработки сигнала размещены микроконтроллер, устройство флэш-памяти и микросхема драйвера внешнего интерфейса. Со стороны первой печатной платы (1) спектрометр закрыт крышкой, имеющей отверстие для прохождения потока заряженных частиц. Технический результат: улучшение спектрометрических характеристик детектора за счет расположения его на одной плате с трактом усиления и формирования сигнала, что исключает возможность использования неэкранированных проводов при подключении детектора и, как следствие, позволяет использовать спектрометр на сверхмалых космических аппаратах. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to semiconductor spectrometers for detecting corpuscular cosmic radiation, which can be used on ultra-small spacecraft of the CubeSat type. Essence: the spectrometer includes an assembly of three printed circuit boards (1) and one digital signal processing board (2) located one above the other with a gap, installed at the ends between two walls (6). Each of the three printed circuit boards (1) contains a semiconductor detector (5) equipped with a passive protection device (3), and an amplifier and signal conditioning unit located close to the detector (5). In this case, the detectors (5) of all three boards (1) are located coaxially. The digital signal processing board (2) contains a microcontroller, a flash memory device, and an external interface driver microcircuit. From the side of the first printed circuit board (1), the spectrometer is closed by a cover with an opening for the flow of charged particles. EFFECT: improved spectrometric characteristics of the detector due to its location on the same board with the amplification and signal shaping path, which excludes the possibility of using unshielded wires when connecting the detector and, as a consequence, allows the spectrometer to be used on ultra-small spacecraft. 2 c.p. f-ly, 3 dwg

Description

Область техникиTechnology area

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.The utility model relates to the field of detecting corpuscular cosmic radiation and can be used on ultra-small spacecraft of the CubeSat type (cubsat). Detection devices use the principle of sequential registration of a passing charged particle by several semiconductor detectors of different thickness to determine its type and energy.

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).The claimed universal semiconductor spectrometer is designed to register the fluxes of electrons and protons of natural cosmic radiation in the energy range from 50 keV to 10 MeV (for electrons) and from 1 MeV to 200 MeV (for protons).

Уровень техникиState of the art

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.Semiconductor telescopes, i.e. coaxial assemblies of semiconductor detectors are quite traditional devices for recording energetic charged particle fluxes. The advantages of devices of this type are high spectrometric characteristics, a large dynamic range of use, the ability to determine the type of charged particles without using complex mathematical methods.

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.Known "multichannel semiconductor detector for registration of alpha particles in a neutron generator with a static vacuum and a sensitive element for it", disclosed in patent RU 2476907. The known detector includes a housing, a semiconductor crystal plate, placed perpendicular to the flow of alpha particles on a ceramic plate, recording elements in the form of strips with electrical contacts and down conductors.

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.The disadvantage of this invention is its limitation in the direction of the registered alpha particles: the device is designed for a specific location of the source and cannot be used to register natural sources in space. The overall dimensions of the known detector do not allow it to be used in spacecraft of the Cubsat type.

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.Known RF patent No. 2550313 "Spectrometer-radiometer for the simultaneous analysis of the characteristics of mixed fields of alpha-beta and gamma radiation based on a composite detector", which discloses the design of the spectrometer, which can be used for the simultaneous registration of alpha, beta and gamma radiation ... The spectrometer-radiometer includes a semiconductor silicon detector, scintillators with different illumination times, a device for separating signals by pulse shape parameters, an amplifier, a signal pulse shape digitizing device, a threshold discriminator-shaper, a digital integrator for processing signals from a semiconductor detector, and a memory device for storing spectra. alpha radiation, coincidence scheme and anti-coincidence scheme. This invention can be used for radiation monitoring of the environment, that is, for measuring several types of radiation, which is a common feature with the claimed technical solution.

Недостатком данного устройства является низкая точность определения энергии, обусловленная использованием сцинтилляторов, по сравнению с полупроводниковыми телескопами без сцинтилляционных детекторов.The disadvantage of this device is the low accuracy of energy determination, due to the use of scintillators, in comparison with semiconductor telescopes without scintillation detectors.

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.Known RF patent No. 2615709, disclosing "a device for measuring the neutron flux density of a nuclear power plant in conditions of background interference from gamma quanta and high-energy space electrons and protons." This device implements a circuit for distinguishing the measurement of the neutron flux density generated by a nuclear power plant located on a spacecraft from background interference from gamma quanta of a nuclear power plant and high-energy space electrons and protons.

Недостатком данного устройства является отсутствие регистрации низкоэнергетичного фонового излучения электронов, протонов и гамма-квантов, которые поглощаются защитным корпусом.The disadvantage of this device is the lack of registration of low-energy background radiation of electrons, protons and gamma-quanta, which are absorbed by the protective case.

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.Closest to the claimed utility model is the solution disclosed in RF patent No. 165028 "Spectrometer of energetic cosmic radiation (SPER)", and is intended for measuring fluxes, energy spectra and time variations of energetic cosmic protons and electrons. This device, in addition to semiconductor detectors, contains a scintillation crystal, which significantly increases the upper energy threshold of the registered charged particles.

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.The disadvantages of this device include its significant dimensions and weight, as well as an outdated electronic component base, significant sensitivity to interference, complexity in manufacturing and tuning, the impossibility of changing settings after manufacturing, the need for external interface devices for connection and operation.

Раскрытие полезной моделиDisclosure of a utility model

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.The technical result achieved when using the claimed utility model is to improve the spectrometric characteristics of the detector due to the location of the semiconductor detector on the same board with the amplification and signal shaping path, which, inter alia, excludes the possibility of using unshielded wires when connecting the detector and, as a consequence, allows you to use the claimed spectrometer on ultra-small spacecraft.

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.The advantages of the claimed utility model are also significantly lower weight and size characteristics, improved noise parameters compared to the prototype, the ability to control and adjust during operation, significantly increased manufacturability and adjustment, the ability to remove telemetric parameters and diagnose its own state during operation. The signal-to-noise ratio in the claimed spectrometer is increased at least twice as compared to the prototype.

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.The claimed technical result is achieved by the fact that a universal semiconductor spectrometer for detecting corpuscular cosmic radiation includes an assembly of four printed circuit boards located one above the other with a gap, with ends installed between two walls, while each of the first three boards contains a semiconductor detector equipped with a passive protection device and an amplifier and signal conditioning unit located close to the detector, and the fourth board is a digital signal processing board, on which a microcontroller, a flash memory device and an external interface driver chip are located, while the detectors of all three boards are located coaxially, and from the side of the first board the device is closed with a lid with an opening for the flow of charged particles. The semiconductor detector is a silicon semiconductor detecting element 300 μm thick with a square active area of 1 x 1 cm. The device for passive protection of detectors is made in the form of a bronze ring installed in the gap between the corresponding printed circuit boards.

Полезная модель поясняется следующими чертежами, гдеThe utility model is illustrated by the following drawings, where

на фиг. 1 представлена компоновка плат детекторов в телескоп,in fig. 1 shows the layout of the detector boards in the telescope,

на фиг. 2 представлен пример предобработанного сигнала,in fig. 2 shows an example of a preprocessed signal,

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).in fig. 3 shows a schematic layout of a device for installation in a spacecraft of the CubeSat 1U, 2U and larger format (dimensions according to the CubeSat CDS rev. 13 standard, seats according to the PC / 104 standard, side cutouts for through passage of cable bundles according to the Pumpkin recommendation).

Позициями на фигурах обозначены:Positions in the figures indicate:

1. платы детекторов,1. detector boards,

2. плата цифровой обработки сигнала,2.digital signal processing board,

3. бронзовые кольца пассивной защиты детекторов,3.Bronze rings for passive protection of detectors,

4. область размещения электроники,4.Area of electronics placement,

5. кремниевые детекторы на платах,5.silicon detectors on boards,

6. стенка корпуса детектора,6.the wall of the detector housing,

7. сквозные разъемы,7.through connectors,

8. триггерный сигнал,8.trigger signal,

9. быстрая компонента усиленного сигнала,9.fast component of the amplified signal,

10. медленная компонента усиленного сигнала,10.slow component of the amplified signal,

11. посадочные отверстия по стандарту PC/104,11.bore holes according to PC / 104 standard,

12. область обзора детектора и коллиматор.12. detector field of view and collimator.

Осуществление полезной модели.Implementation of the utility model.

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.The device is an assembly of four sequentially superimposed on each other electronics boards (item 1 in Fig. 1, 3), arranged in the process of using the device in a stack perpendicular to the direction of the flow of registered particles, as shown in Fig. 1, 3. The boards are clamped from the ends by two walls (item 6 in Fig. 3), which determine the overall geometry of the device in accordance with the CubeSat CDS rev.13 standard. They have fastening holes for the M3 thread, located according to the PC / 104 standard (item 11 in Fig. 3). The shape of the walls provides side cutouts to pass through the bundles of cables of other devices according to the Pumpkin industry recommendation for spacecraft of the CubeSat 1U… 3U frame size.

Со стороны первой платы с зазором к ней установлена крышка с отверстием для пропуска потока частиц (фиг.3).On the side of the first plate with a gap, a cover with an opening for passing the particle flow is installed thereto (Fig. 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.On top (from the side of arrival of particles) under the cover there are three boards with silicon detecting elements (detectors) 5 in such a way that the detectors are located coaxially: parallel to each other and on the same optical axis. The detectors to increase the noise immunity of the device and the manufacturability of its manufacture and adjustment are mounted on boards; to ensure a through passage of particles under the active area of the detector, a hole is made on each board. The device uses silicon semiconductor flight detectors 300 μm thick with a square active area 1 x 1 cm in size. Bronze rings 3 are installed between the boards above the detectors, which provide passive protection of the device from lateral passage of particles. The protective bronze ring between the detector installed on the first board and the front wall serves as a collimator of the radiation flux (item 3 in Fig. 3). Amplifier and signal shaper assemblies are located on the boards close to the detectors, ensuring the conversion of the signal recorded by the detector into a voltage pulse. Also on the boards are electronic nodes that provide the formation of the bias voltage of the detector. Areas for placing electronics assemblies on the boards are shown in pos. 4. Each functional unit of the electronics is covered with a metal shield. The pulses generated by the electronics are transmitted through the internal connectors (item 7 in Fig. 1) to the fourth board - digital signal processing 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.The digital signal processing board is located behind (under) the detector boards. It contains a microcontroller, flash memory, and an external interface driver microcircuit. This mutual arrangement of the boards also provides additional passive protection for the most exposed to radiation microcircuits of the digital processing board.

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.The viewing angle of the claimed spectrometer is determined by its assembly geometry (in particular, the gap, the distance between adjacent boards with detectors) and within the general geometry of the device can be changed from 30 to 45 degrees (with a decrease in the distance between the boards, the viewing angle increases). This setting is preliminary, there is no possibility of changing the viewing angle during device operation.

Заявляемое устройство работает следующим образом:The claimed device works as follows:

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.Silicon detectors convert the energy of charged particles hitting the detector element into an electrical charge, which is amplified and converted into a voltage pulse at the amplifier and signal conditioner assembly. This pulse signal is fed to an amplitude selector (discriminator). At the output of the discriminator, a digital signal is generated that corresponds to one of the tuned energy channels of the detector. The received signal is transmitted to the digital signal processing board, in which signals from all three detectors are analyzed and stored.

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.An example of an amplified signal at the output of the amplifier and signal conditioner assembly is shown in FIG. 2. Charge collection time corresponds to the graph pos.8 (10 μs). The amplified signal (pos. 9) determines the amplitude of the signal in the amplitude selector. The amplitude of the signal at position 9 on the graph is 170 mV. Pos. 10 in the graph for comparison shows the complete collection of the charge in the detector.

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.The basis of the device (Fig. 1, Fig. 3) is made up of coaxially located pass-through silicon detecting elements (Fig. 5, Fig. 1), covered with passive protection in the form of bronze rings (Fig. 3, Fig. 1). Specific energy losses of a charged particle passing through them depend on the ratio of the charge to the mass of the particle, thus, according to the ratio of particle energy losses in the detectors, the particles are separated by type. The signal amplified in the amplifier and shaper unit is formed in shape and duration, then enters the discriminators, which select the signals by amplitude and form the corresponding voltage pulses. Pulses from the driver unit of each detector board are fed to the counting (digital) inputs of the microcontroller on the digital signal processing board.

Сигналы с разных детекторов, поступившие на вход устройства одновременно, относятся к одной частице, пролетевшей насквозь через несколько (2 или 3) детектирующих элементов.Signals from different detectors arriving at the input of the device at the same time refer to one particle that has passed through several (2 or 3) detecting elements.

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.The digital signal processing board uses the ratio of signals from different detectors to determine the type of particle and its energy (up to the configured energy channel). The received information is written into memory for subsequent sending to the control device of the spacecraft.

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:The dense arrangement of the electronics of the device and the use of digital electronics controlled by a microcontroller made it possible to double the signal-to-noise ratio in the analog path of the detectors with a multiple decrease in the weight and size characteristics of the device in comparison with the prototype, and also provide the ability to adjust the parameters (except for the input aperture and viewing angle of the device, determined by geometry of the structure) during operation of the device. Can be customized:

- напряжение смещения детектора,- detector bias voltage,

- пороги дискриминаторов,- discriminator thresholds,

- настройки энергетических каналов,- settings of energy channels,

- длительность накопления сигналов,- duration of signal accumulation,

- параметры взаимодействия устройства с космическим аппаратом.- parameters of interaction of the device with the spacecraft.

Таблица 1. Технические характеристики спектрометраTable 1. Specifications of the spectrometer

ПараметрParameter ЗначениеValue Диапазон измеряемых энергий электроновMeasured electron energy range 0,1…10 МэВ0.1 ... 10 MeV Диапазон измеряемых энергий протоновMeasured proton energies range 1…100 МэВ1 ... 100 MeV Диапазон измеряемых энергий α-частицRange of measured energies of α-particles >1 МэВ> 1 MeV Угол поля зрения детектораDetector field of view 30…45°30 ... 45 °

Пример осуществления полезной моделиAn example of the implementation of a utility model

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.The device described above is manufactured and configured for use as part of the payload on spacecraft of the CubeSat type (cubesat) with a form factor of 1U or more. The device includes three boards with silicon transient detectors of 300 µm, located with a gap of 10 ... 22 mm from each other. The optical circuit is protected by 8 mm thick bronze rings inserted between the detector boards. The digital signal processing board is based on the STM32L432 microcontroller.

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.The device is resistant to external influences at the stage of launching a spacecraft and orbital operation, namely: mechanical loads at the stage of launching, changes in external pressure at the stage of launching, operating temperatures on an ultra-small spacecraft in an unpressurized design, and ionizing radiation of natural space from outer space.

Claims (3)

1. Универсальный полупроводниковый спектрометр для детектирования корпускулярных космических излучений, характеризующийся тем, что он 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.1. A universal semiconductor spectrometer for the detection of corpuscular cosmic radiation, characterized in that it includes an assembly of four printed circuit boards located under each other with a gap, with ends installed between two walls, while each of the first three boards contains a semiconductor detector equipped with a passive protection device , and an amplifier and signal shaper assembly located close to the detector, and the fourth board is a digital signal processing board, on which a microcontroller, a flash memory device and an external interface driver chip are located, while the detectors of all three boards are located coaxially, and from the side On the first board, the device is closed by a cover with an opening for the flow of charged particles. 2. Спектрометр по п. 1, характеризующийся тем, что полупроводниковый детектор представляет собой кремниевый полупроводниковый детектирующий элемент толщиной 300 мкм с квадратной активной областью размером 1 х 1 см.2. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the semiconductor detector is a silicon semiconductor detector 300 μm thick with a square active region 1 x 1 cm in size. 3. Спектрометр по п. 1, характеризующийся тем, что устройство пассивной защиты детекторов выполнено в виде бронзового кольца, установленного в зазор между соответствующими печатными платами.3. The spectrometer according to claim 1, characterized in that the device for passive protection of the detectors is made in the form of a bronze ring installed in the gap between the corresponding printed circuit boards.
RU2020142594U 2020-12-23 2020-12-23 UNIVERSAL SEMICONDUCTOR SPECTROMETER FOR DETECTING CORPUSCULAR SPACE RADIATIONS RU204784U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020142594U RU204784U1 (en) 2020-12-23 2020-12-23 UNIVERSAL SEMICONDUCTOR SPECTROMETER FOR DETECTING CORPUSCULAR SPACE RADIATIONS

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020142594U RU204784U1 (en) 2020-12-23 2020-12-23 UNIVERSAL SEMICONDUCTOR SPECTROMETER FOR DETECTING CORPUSCULAR SPACE RADIATIONS

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU204784U1 true RU204784U1 (en) 2021-06-10

Family

ID=76314023

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020142594U RU204784U1 (en) 2020-12-23 2020-12-23 UNIVERSAL SEMICONDUCTOR SPECTROMETER FOR DETECTING CORPUSCULAR SPACE RADIATIONS

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU204784U1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2803044C1 (en) * 2022-11-22 2023-09-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) Combined radiation detector for use on small cubesat spacecraft

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2486309A1 (en) * 1980-07-07 1982-01-08 Philips Nv RADIATION SENSITIVE SEMICONDUCTOR DEVICE
RU165028U1 (en) * 2015-11-17 2016-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) ENERGY SPACE RADIATION SPECTROMETER (SPER)
RU2615709C1 (en) * 2016-01-11 2017-04-07 Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) Device for measuring neutron flow density of nuclear power plant in terms of background interference from gamma rays and high-energy space electrons and protons

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2486309A1 (en) * 1980-07-07 1982-01-08 Philips Nv RADIATION SENSITIVE SEMICONDUCTOR DEVICE
RU165028U1 (en) * 2015-11-17 2016-09-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) ENERGY SPACE RADIATION SPECTROMETER (SPER)
RU2615709C1 (en) * 2016-01-11 2017-04-07 Федеральное государственное автономное научное учреждение "Центральный научно-исследовательский и опытно-конструкторский институт робототехники и технической кибернетики" (ЦНИИ РТК) Device for measuring neutron flow density of nuclear power plant in terms of background interference from gamma rays and high-energy space electrons and protons

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2803044C1 (en) * 2022-11-22 2023-09-05 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В.Ломоносова" (МГУ) Combined radiation detector for use on small cubesat spacecraft

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Torsti et al. Energetic particle experiment ERNE
Budtz-Jørgensen et al. A twin ionization chamber for fission fragment detection
US5500534A (en) Integrated energy-sensitive and position-sensitive x-ray detection system
US5281822A (en) Advanced neutron detector
US6771730B1 (en) Boron-carbide solid state neutron detector and method of using the same
US4445036A (en) Solid state fast-neutron spectrometer/dosimeter and detector therefor
US10422896B1 (en) High count rate thermal neutron detectors and electronics
CN109828300B (en) Miniaturized omnidirectional space particle detector
Jaegle et al. Compact, directional neutron detectors capable of high-resolution nuclear recoil imaging
US3129329A (en) Fast neutron spectrometer using spaced semiconductors for measuring total energy of neutrons captured
US3603797A (en) Two-dimensional position-sensitive radiation detector
Kapoor et al. Nuclear radiation detectors
RU204784U1 (en) UNIVERSAL SEMICONDUCTOR SPECTROMETER FOR DETECTING CORPUSCULAR SPACE RADIATIONS
Williams et al. Sub-nanosecond timing with semiconductor detectors
US3290500A (en) Fast neutron spectrometer utilizing lithium containing films
Brown et al. The spacecraft radiation experiments
Benka et al. Elastic recoil detection analysis using ion-induced electron emission for particle identification
González et al. Performance Comparison of a Large Volume CZT Semiconductor Detector and a LaBr $ _3 $(Ce) Scintillator Detector
Foxe et al. Conceptual silicon beta cell design
Baldini et al. The AMS time of flight system
RU2797867C1 (en) Diamond detector-based diamond detector recognition system for fluxes of corpuscular radiation for laser fusion time-of-flight spectrometry
Valentine et al. Ultrahigh-Sensitivity Fission Counter with Transmission Line Electrode Configuration
Guerrieri et al. A focal-plane detector for the recoil-mass spectrometer of LNL
Yang et al. Readout electronics of a prototype spectrometer for measuring low-energy ions in solar wind plasma
Segui et al. Micromegas for beam loss monitoring