CC BY
36
УДК 550.388.2; 551.510.413.5 DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-5-492-498
МИНИАТЮРНЫЙ МНОГОПРОВОЛОЧНЫЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ НАНОСПУТНИКОВ
О. В. Филонин, К. С. Насонов
Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева
(Самарский университет),
443086, Самара, Россия E-mail: [email protected]
Приведена информация об ионизирующем излучении как факторе космического пространства. Представлен разработанный 3Б-трековый детектор излучения для наноспутника, рассмотрены его компоновка и принципиальное устройство, оценены детектирующая и информационная способности разработанного устройства.
Ключевые слова: ионизирующее излучение, факторы космического пространства, наноспутник, радиационные пояса Земли, метод конечных элементов, плазма, газовый разряд, солнечная активность, ионизация, рекомбинация, 3D-трековый детектор, моделирование, трассировка заряженных частиц, электрическое поле
Введение. Увеличение и радиационная уязвимость элементной базы микроэлектронных систем наноспутников связаны с наличием одного из основных факторов космического пространства — ионизирующего космического излучения различного происхождения и разных энергетических спектров. Помимо исследования воздействия ионизирующего излучения на микроэлектронные системы наноспутника, актуальной является и задача оценки и уточнения параметров излучения, данных об энергиях частиц, качественном и количественном распределении, величине потоков. Для решения последней задачи используется множество детекторов как космического, так и земного применения [1].
18 5
Диапазон ионизирующего излучения составляет от ~10 до ~10 эВ. Однако оценка опасности, основанная только на энергии потока, не вполне корректна.
Ионизирующее излучение может служить источником искажения данных непосредственно во время проведения экспериментов. Наглядно этот эффект можно наблюдать по сравнительным фотографиям (рис. 1) — до вспышки на Солнце и после: изображение справа весьма зашумлено, что обусловливается возросшими в 4 раза потоками заряженных частиц.
Рис. 1
Многопроволочные детекторы для наноспутников. Многопроволочные детекторы ионизирующих излучений обладают рядом преимуществ по сравнению с ионизационными, счетчиками Гейгера, сцинтилляционными, полупроводниковыми детекторами и пр. Интенсивно развиваемые газовые электронные умножители на пластиковой основе благодаря ячеи-
стой структуре и высокому коэффициенту усиления позволяют достаточно просто реализовать пространственное разрешение по X-, Y-координатам. Кроме того, благодаря выделению электронной составляющей лавины они могут обеспечивать высокое пространственное разрешение и по Z-координате. Конструктивно многопроволочная пропорциональная камера (МПК) представляет собой систему из множества тонких (10 мкм) параллельных, расположенных в одной плоскости проволок-анодов, которые находятся в газовом объеме между двумя плоскими параллельными друг другу и аноду катодами (сплошными или проволочными). Как правило, анодные проволоки удалены друг от друга на 2 мм и от катодов на расстояние 8 мм. Разность потенциалов между анодом и катодом составляет несколько киловольт. Такие параметры МПК обеспечивают газовое усиление (104...105) и пропорциональность амплитуды сигнала энергии, оставленной частицей в объеме газа. Таким образом, МПК — это, по существу, система размноженных пропорциональных счетчиков. При прохождении заряженной частицы через МПК образовавшиеся вдоль следа частицы свободные электроны дают начало лавинам, приходящим на анодные проволоки, ближайшие к этим первичным электронам. Электронная система регистрирует сигнал с каждой проволоки. Таким образом, приходящие сигналы определяют положение (координаты) частицы в МПК. Для того чтобы получить трехмерные координаты частицы в большом объеме, используются системы из десятков МПК площадью до 10 м2, располагающихся параллельно одна за другой, с общим числом проволок в несколько десятков тысяч, причем проволоки двух соседних МПК натянуты взаимно перпендикулярно. Типичное пространственное разрешение современной МПК — 0,05...0,3 мм. Временное разрешение несколько наносекунд. Энергетическое разрешение пропорциональной камеры составляет 10 %. Следует отметить, что в многопроволочных трековых детекторах с ростом напряжения (при данной газовой смеси) могут быть реализованы различные режимы: ионизационный, пропорциональный, самогасящийся (СГС), режим Гейгера — Мюллера. Вид режима определяется составом и давлением газа, геометрическими параметрами МПК и мощностью напряжения между электродами [2].
В Самарском университете был разработан многопроволочный ЗБ-трековый детектор для наноспутника (НС). Предлагаемое устройство является модулем полезной нагрузки, выполненным в классическом для наноспутников формате СиЬеБа1;, занимающим Ш. Схема разработанного детектора представлена на рис. 2, а, где 1 — корпус модуля, 2 — ПЗС-матри-ца, 3 — корпус оптического регистратора, 4 — корпус детектора, 5 — линза, 6 — диафрагма, 7 — прозрачная сфера (й = 40 мм), 8 — рабочий объем детектора; 9 — вводные контакты.
Г
Система термостабилизации
От
— гироскопа
К 16
а)
6 5 4 3 2
б)
ССБ1
ССБ2 ССБЗ
ССБ4 ССБ5
К ЗБ-детектору
21 Солнечная . , , м ,
Рис. 2
1
Детектирующая головка, выполненная в виде шара диаметром 40 мм, содержит 40 взаимно ортогональных слоев проволок диаметром 0,01 мм, расстояние между соседними слоями 1 мм. Проволоки натянуты на сферу 7 толщиной 0,1 мм из прозрачной оптической пластмассы. К слоям одного направления приложены либо постоянные потенциалы (500.. .2000 В), либо переменное импульсное напряжение в таком же диапазоне амплитуд, частота меандра составляет 20 кГц через контакты 9. В качестве газовой среды выбраны инертные газы Ar, Ne в равных концентрациях, давление в камере составляет 0,1.0,2 бар.
Принцип работы трекового детектора сводится к следующему. Если набегающая частица, протон, альфа-частица, электрон, гамма-квант производит ионизацию атомов в зоне пересечения проволок, где создано электрическое поле высокой неоднородности, то в зоне проволоки развивается лавинный процесс, сопровождающийся свечением в оптической области. В области орбит наноспутников плотности потоков, например нейтронов, рожденных Солн-
8 —2 —1
цем, составляют 2,4 -10 см с , что может привести к интенсивной засветке объема детектора. Для устранения этого эффекта модуль управления режимом работы детектора должен уменьшить напряжение, прикладываемое к электродам. В данной системе применен томографический способ обработки исходных данных, суть которого сводится к следующему [3]. Оптическое излучение, индуцируемое в шаровой области 8 детектора, регистрируется как двумерные проекции согласно сферотангенциальной геометрии. В системе используются пять оптических регистраторов, каждый из которых содержит быстродействующую CCD-матрицу на основе цифрового микроскопа Levenhuk DTX 30, формирующую двумерное изображение в формате jpeg (640x480 пкс). Изображение от светящихся объектов в шаровой зоне детектора с помощью линз 5 и диафрагмы 6 проецируется на матрицу согласно ортогональной геометрии проецирования. Линзы, диафрагма и матрица размещены в корпусе 3, а сами оптические регистраторы зафиксированы в сферическом корпусе детектора 4, выполненного из углепластика, толщиной 0,6 мм. Диаметр корпуса детектора составляет 92 мм, что позволяет разместить его в одном модуле НС формата 1U CubeSat.
На рис. 2, б приведена структурная схема модулей управления режимами работы детектора, системами предварительной обработки данных и их передачи в ЦУП, системами термостабилизации и ориентации НС. Так как процессы генерации треков достаточно быстротечны — порядка микросекунд, то оптические регистраторы должны синхронно формировать кадры изображения, что можно реализовать, если каждая CCD-матрица 1—5 управляется своим „собственным" микропроцессором 1—5. Потоки данных от этих микропроцессоров поступают в коммутатор 8, который связан с бортовым микрокомпьютером 7 и микропроцессором предварительной обработки данных 9. Так как возможности радиоканалов НС крайне ограничены, то задача микропроцессора 9 сводится к тому, чтобы из формата 640 x 480 элементов создать формат 128 x128 и перевести данные из декартовой сетки в полярную. Таким образом, формируется 5 x128 x (128) одномерных массивов данных, которые через формирователь кода 12 с помощью приемопередатчика 11 передаются по отдельному каналу в ЦУП. Для эффективной работы детектора необходима определенная ориентация НС в пространстве. Коррекция ориентации осуществляется с помощью миниатюрных ионных двигателей по данным трехосного гироскопа, связанного через блок управления 14 с бортовым микрокомпьютером 7.
Моделирование поля детектора. Для решения задачи трассировки движения частиц в поле детектора была построена его модель. В отличие от предполагаемой реальной конструкции детектора, его модель представляет собой детектор кубической формы. Это допущение, главным образом, было сделано для упрощения построения сетки на границах, а также для облегчения решения поставленной задачи. Следует заметить, что несмотря на сделанное допущение, физика описываемого процесса неизменна. Параметры модели детектора:
— размеры рабочей области детектора — 12x12x12 мм;
— число проволок — 10;
— пространственный шаг проволок — 1 мм;
— толщина проволок — 0,1 мм;
— профиль сечения проволоки — квадрат;
— материал проволок — медь;
— приложенное к аноду напряжение — 1 кВ;
— рабочее тело — аргон;
— давление рабочего тела — 0,1 бар.
Пространственная конфигурация проволок представлена на рис. 3.
Рис. 3
Напряженность поля детектора описывается известным соотношением Е = -Уф. Были построены линии напряженности детектора, а также эквипотенциальные поверхности — рис. 4, а, б соответственно.
а) Е-10\ В/м
I 0,9
Е-104, В/м 0,9
4 ч ^ *г 4- й- с
Ф 1, V -Ь ■Л.
Л * Ф
(- а в
шяжжж
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
Рис. 4
Условия моделирования поля детектора: напряжение на аноде — 1000 В; катод заземлен; число единовременно отображаемых линий напряженности — 2000.
Далее, с помощью эмиттанса, была проведена трассировка частиц в поле детектора. Параметры трассировки электронов и протонов:
— заряд протона — 1,6-10-19 Кл;
—27
— масса протона — 1,6-10 кг;
19
— заряд электрона--1,6-10 Кл;
-34
— масса электрона — 9,1-10""" кг;
— начальная энергия электронов и протонов — 0,1 МэВ;
— число единовременно моделируемых частиц — 20.
Результаты моделирования представлены на рис. 5: а — трассировка потока электронов в поле детектора, б — трассировка потока протонов.
а)
Рис. 5
Как показывает анализ результатов моделирования, траектории движения протонов и электронов при равных начальных энергиях существенно различаются. Это обусловлено тем, что массы частиц отличаются друг от друга, а значит, протоны более инертны и для их отклонения необходима значительно большая сила со стороны поля. Эти данные позволяют сделать вывод, что дальнейшее решение задачи определения вида детектированных частиц упрощается.
Моделирование ионизационных потерь пучков протонов и электронов. Для расчета ионизационных потерь пучков электронов используется модель Джо — Луо [4]:
^(7,£) = 785-■ Ги66£ '
AE
-ln
d{Z
- + d2
где — тормозные потери энергии частицы в единицу длины пробега в материале мишени,
эВ/А; 7 — порядковый номер элемента; Е — энергия, эВ; р — плотность мишени; А — атомная масса мишени; — коэффициенты, специфичные для каждого элемента (справочные данные).
Для расчета сечения рассеяния используется формула Мотта:
d а d Q
а
Mott
4E sin4 (0/2)
-cos'
(0/2),
где
d а d Q
сечение рассеяния пучка электронов;
а
скорректированная
Mott 4E2 sin4 (0/2)
формула Резерфорда для упругого рассеяния электронов; cos2 (0/2) отражает перекрытие волновых функций электрона в начальный и конечный моменты времени. Моделирование проводилось при следующих начальных параметрах:
— энергия электронного пучка — 100 кэВ;
— геометрические размеры бомбардируемой области — 12x12x12 мм;
— число моделируемых частиц — 1000;
— число единовременно отображаемых траекторий — 200;
— атомы мишени (рабочее тело детектора) — Ar;
— плотность рабочего тела — 0,00016 г/см ;
— угол падения — 90°;
— диаметр электронного пучка — 1 нм;
— возникновение вторичного излучения — нет. Результаты моделирования представлены на рис. 6.
100,00 кэВ 75,00
50,00
25,00
0,00 Рис. 6
Оценка ионизационных потерь пучка протонов была выполнена с помощью модели Кинчина — Пиза, которая имеет два основных ограничения: нет аннигиляции частиц; столкновение является упругим. Число смещенных атомов определяется следующим образом [5]:
0 при 0 < Р < ЕА ;
1 пРиЕ <р < 2,5Е; 0,8 ЕА (Р)
Ъ (Р) =
2ЕЙ
Р =
тах
при 2,5Е <Р <Рт Е (4тт2)
Ш1 + Ш2
где Ес1 — пороговая энергия смещения атома; Ртах —максимальная энергия, которая может быть передана частицей с энергией Е и массой т1 атомам мишени с массой т2; ^¿(Р) — число смещений; Е^(Р) — энергия повреждения, т.е. энергия, диссипируемая в ядерных столкновениях.
Условия моделирования:
— буферная зона до и после детектора — 1 мм;
— число частиц в пучке — 1000;
— энергия частиц в пучке — 100 кэВ;
— диаметр протонного пучка — 1 нм;
— число отображаемых траекторий, рабочее тело детектора и его плотность, а также геометрические размеры бомбардируемой области и угол падения идентичны условиям моделирования потока электронов при отсутствии вторичного излучения.
Буферная зона была выбрана для наглядности, она собой представляет абсолютный вакуум и не влияет на пробег частиц.
Столкновения частиц, приводящие к ионизации, несколько отклоняют протоны, тем не менее они продолжают сохранять основной вектор движения, что говорит о незначительном влиянии ионизации на энергию самих частиц. Наибольшая степень ионизации на 12 порядков отличается от начальной; отсюда следует, что данный показатель является приемлемым, так как позволяет с точностью до порядка восстановить начальное значение энергии ионизирующей частицы.
Заключение. По результатам исследования можно сделать вывод о потенциально высокой детектирующей и информационной способности многопроволочных ЗБ-трековых детекторов, основанных на явлении газового разряда. Комплексный подход к детектированию излучения и обработке результатов с использованием методов малоракурсной оптической томографии позволяет уточнить данные об ионизирующем излучении на высотах, соответствующих ближнему космосу — области работы наноспутников. Множественные группировки таких аппаратов позволяют оценить радиационную обстановку в режиме реального времени,
а значит, внести коррективы в проводимые эксперименты, а также учесть данные об излучении при проектировании новых компонентов элементной базы космических аппаратов.
список литературы
1. ПанасюкМ. И. Космические лучи // Странники Вселенной или Эхо Большого взрыва [Электронный ресурс]: <http://nuclphys.sinp.msu.ru/pilgrims/cr04.htm>, 30.04.2018.
2. РайзерЮ. П. Физика газового разряда. М.: Наука, 1992. 536 с.
3. Филонин О. В. Обратные некорректные задачи в космических исследованиях. Самара: СНЦ РАН, 2014. 478 с.
4. Malerba L. Primary radiation damage in materials // Nuclear Science. 2015. N 9. 86 p.
5. Monte Carlo Simulation of SEM and SAM Images / Y.G. Li, S. F. Mao, Z. J. Ding // Applications of Monte Carlo Method in Science and Engineering / Ed. Sh. Mordechai. London: IntechOpen, 2011. P. 232—251.
Сведения об авторах
Олег Васильевич Филонин — д-р техн. наук, профессор; Самарский университет; межвузовская
кафедра космических исследований, E-mail: [email protected] Константин Сергеевич Насонов — студент; Самарский университет; межвузовская кафедра космических исследований; E-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 07.12.18 г.
Ссылка для цитирования: Филонин О. В., Насонов К. С. Миниатюрный многопроволочный детектор для на-носпутников // Изв. вузов. Приборостроение. 2019. Т. 62, № 5. С. 492—498.
MINIATURE MULTI-WIRE DETECTOR FOR NANOSATELLITES
O. V. Philonin, K. S. Nasonov
Samara National Research University, 443086, Samara, Russia E-mail: [email protected]
Information about ionizing radiation as a factor of outer space is analyzed. A 3D track detector of radiation developed and designed for nanosatellites is presented, the layout and principle of design are discussed. The detection ability and information capacity of the instrument are assessed.
Keywords: ionizing radiation, space factors, nanosatellite, electrons, protons, radiation belts of the Earth, finite element method, plasma, gas discharge, solar activity, ionization, recombination, 3D track detector, simulation, trace charged particles, electric field
REFERENCES
1. http://nuclphys.sinp.msu.ru/pilgrims/cr04.htm. (in Russ.)
2. Rayzer Yu. P. Fizka gazovogo razryada (Gas Discharge Physics), Moscow, 1992, 536 р. (in Russ.)
3. Filonin O.V. Obratnyye nekorrektnyye zadachi v kosmicheskikh issledovaniyakh (Inverse Ill-Posed Problems in Space Research), Samara, 2014, 478 р. (in Russ.)
4. Malerba L. Nuclear Science, 2015, nо. 9, 86 p.
5. Li Y.G., Mao S.F., Ding Z J. Applications of Monte Carlo Method in Science and Engineering, Sh. Mordechai, ed., London, Intech. Open, 2011, рр. 232-251.
Data on authors
Oleg V. Philonin — Dr. Sci., Professor; Samara University, Interuniversity Department
of Space Research; E-mail: [email protected] Konstantin S. Nasonov — Student; Samara University, Interuniversity Department of Space
Research; E-mail: [email protected]
For citation: Philonin О. V., Nasonov K S. Miniature multi-wire detector for nanosatellites. Journal of Instrument Engineering. 2019. Vol. 62, N 5. P. 492—498 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-5-492-498
