Прототип миниатюрного спектрометра «Наталия» для изучения космического пространства и атмосферных явлений из космоса создали в лаборатории геокосмических исследований Национального исследовательского ядерного университета МИФИ. Работа системы основана на регистрации гамма-излучения из космоса и потоков заряженных частиц. В частности, прибор может фиксировать энергичные электроны, высыпающиеся в атмосферу Земли и вызывающие полярные сияния. Аппаратурой планируется оснащать небольшие космические платформы, такие как CubeSat 3U от компаний «Геоскан» и «Спутникс». Проект имеет и образовательную составляющую: вместе с учеными в нем участвуют студенты и школьники, которые приобретают первый серьезный практический опыт научного космического приборостроения.
Перед учеными была поставлена нетривиальная задача: создать очень компактную и энергоэффективную систему для работы в составе малого космического аппарата. Разработка успешно движется к цели — уже на стадии прототипа спектрометр демонстрирует высокое энергетическое разрешение (способность различать близкие по энергии заряженные частицы), критически важное для предстоящих исследований.
Основа прибора — сцинтилляционный кристалл иодида цезия, активированный таллием (CsI(Tl)). Он испускает вспышки света под воздействием ионизирующего излучения и считается одним из лучших сцинтилляторов для его регистрации. Процесс выглядит так: заряженная частица или гамма-квант, попадая в кристалл, передают энергию электронам в его решетке. Атомы переходят в возбужденное состояние, а затем, возвращаясь в норму, излучают фотоны. Это выглядит как вспышка видимого света, которую и регистрирует спектрометр. По ее яркости можно определить, какую энергию несло зарегистрированное излучение.
Выбранный учеными кристалл испускает крайне короткие вспышки света — они длятся около 700–900 наносекунд. Это немаловажно при работе с интенсивным излучением: если материал откликается на каждую порцию электронов слишком долгим свечением, он неизбежно «упускает из вида» часть заряженных частиц, что снижает точность измерений.
Основа созданного учеными прибора — сцинтилляционный кристалл иодида цезия, активированный таллием (CsI(Tl)). Он испускает вспышки света под воздействием ионизирующего излучения.
Фото: Константин Фрумкин / пресс-служба НИЯУ МИФИ
Чтобы аппаратура смогла «посчитать» количество света, излученного атомами кристалла, фотоны нужно преобразовать в электрический сигнал. Эту работу выполняют кремниевые фотоумножители (SiPM). Сигналы должны регистрироваться с минимумом потерь и шумов, поскольку именно по числу зарегистрированных фотонов оценивается энергия пойманного прибором излучения. Однако задачу с кристаллом CsI(Tl) осложняют особенности распространения света внутри материала: при неправильном расположении фотоумножителя часть светового сигнала не будет зафиксирована. Для максимальной эффективности ученые рассмотрели множество конфигураций SiPM в поисках той, что позволит регистрировать максимум света при минимуме детекторов. Каждый добавляемый датчик увеличивает энергозатраты и требует дополнительного пространства для размещения электроники.
С деталями технологии корреспондента «Научной России» познакомил руководитель проекта, кандидат физико-математических наук Андрей Георгиевич Майоров — глава Лаборатории геокосмических исследований и доцент кафедры №7 «Экспериментальная ядерная физика и космофизика» НИЯУ МИФИ.
«Мы выбрали схему из 12 кремниевых фотоумножителей, расположенных вокруг кристалла в виде ромба, — рассказал ученый. — При моделировании этот вариант показал лучший результат: он собирает больше света от вспышки в кристалле и дает более четкий сигнал, чем другие рассмотренные конфигурации. При этом количество каналов остается умеренным — прибор не усложняется лишней электроникой».
Руководитель проекта, глава Лаборатории геокосмических исследований и доцент кафедры №7 «Экспериментальная ядерная физика и космофизика» НИЯУ МИФИ кандидат физико-математических наук Андрей Георгиевич Майоров.
Фото из личного архива Андрея Майорова
Другой вопрос, вставший перед учеными, был связан с необходимостью предельно точно управлять фотоумножителями. Регистрация экстремально кратких вспышек света без потерь — непростая задача. Для ее решения исследователи создали собственную аналоговую плату съема информации. Она поможет стабилизировать напряжение питания детекторов во время колебаний температуры в космическом полете, что повысит точность измерений. Кроме того, разработанная плата усиливает и преобразует регистрируемый сигнал, отделяя его от шумов, создаваемых работой электроники.
Важная часть работы спектрометра — обработка полученной информации и ее перевод на полноценный научный язык. Для этого нужна программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС) — «мозг» платы съема. Она оцифровывает сигналы детекторов и отделяет значимые данные от побочных, определяя, какая информация заслуживает записи и последующей передачи на Землю. Учитывая, что объем памяти кубсата и возможности передачи данных с орбиты ограничены, эта технология приобретает особое значение.
«ПЛИС в приборе выполняет функции цифровой обработки сигналов и логики совпадений и антисовпадений. Она анализирует амплитуды сигналов с основного сцинтиллятора и охранных модулей, а также их временное совпадение. Если задача состоит в изучении гамма-излучения, то события, сопровождающиеся одновременным сигналом в охранном сцинтилляторе, классифицируются как фон и отбрасываются. Если же нас интересуют заряженные частицы, мы, наоборот, сохраняем такие события, — объяснил А.Г. Майоров. — По сути, это своеобразный “мини-компьютер”, настроенный на выполнение конкретного алгоритма отбора событий в реальном времени, но без операционной системы в привычном смысле».
Другая неотъемлемая часть спектрометра — плата управления с микроконтроллером. Если ПЛИС занимается обработкой сигналов в реальном времени и отбором событий, то на микроконтроллер возложены задачи общего управления прибором и организации обмена данными. Он включает и выключает питание отдельных узлов, собирает уже обработанные данные от ПЛИС, ведет служебную телеметрию (например, следит за температурой или напряжением питания), а также передает научную информацию на бортовую платформу спутника через штатные интерфейсы CAN и USB. Кроме того, именно через плату управления на прибор поступают команды с Земли: в зависимости от задачи оператор может переключать режимы работы, менять пороги срабатывания или настраивать параметры отбора событий. Такая архитектура делает прибор гибким и адаптируемым под разные научные задачи без изменения «железа».
Прототип спектрометра успешно прошел первые испытания. Тестирование показало, что аппаратура действительно способна не просто регистрировать электроны и гамма-излучение, а определять их энергию, что важно для решения задач, поставленных перед прибором.
«Испытания шли в несколько этапов, — сказал А.Г. Майоров. — Сначала мы проверили отдельные электронные узлы: питание, уровни сигналов, каналы считывания с основного кристалла и с охранных сцинтилляторов. Потом объединили прототипы и проверили передачу данных по штатным интерфейсам. Сейчас важная часть работы — калибровка на радиоактивных источниках: мы облучаем прибор известными бета- и гамма-источниками и смотрим, как он откликается, чтобы потом правильно переводить измеренные сигналы в энергии частиц».
Активное участие в описанной работе, включая создание платы для спектрометра, принимали молодые люди. «Студенты и школьники участвовали в разработке математической модели детектора в программе Geant4, проектировании 3D-модели прибора, подготовке и проведении лабораторных испытаний прототипов, а также анализе отклика спектрометра на потоки частиц. Мы планируем, что молодые участники продолжат работу на этапах калибровки прибора и анализа наземных тестовых данных», — отметил А.Г. Майоров.
Сотрудники лаборатории геокосмических исследований (GeoSpace) НИЯУ МИФИ в процессе работы.
Фото: Константин Фрумкин / пресс-служба НИЯУ МИФИ
Лабораторию регулярно посещают студенты и школьники из разных организаций. Только в октябре ее посетили более 30 школьников. Они знакомятся с разработкой, наблюдают за испытаниями и участвуют в обсуждении результатов.
Исследователь также поделился дальнейшими планами по развитию проекта.
«Прибор должен пройти наземную калибровку с использованием радиоактивных источников, вибрационные и термовакуумные испытания в составе платформы, а также проверку электромагнитной совместимости. Кроме того, планируется валидация модели отклика по наземным тестовым данным и отработка алгоритмов восстановления энергетических спектров, — рассказал А.Г. Майоров. — Наша команда участвует в создании аппаратуры и для других задач платформы. Мы, в частности, работаем над широкоугольной камерой для регистрации оптических эмиссий полярных сияний, которая дополнит спектрометр в составе единого научного комплекса».
Прибор создается не только для платформы CubeSat 3U: его планируется задействовать и в других космических миссиях. Лаборатория в целом развивает линейку научной аппаратуры для спутниковых платформ разных размеров.
Работа ведется в рамках научно-образовательного проекта Space-Pi, организованного Фондом содействия инновациям (ФСИ) и при поддержке федерального проекта «Кадры для космоса».
«После анализа научной значимости мы приняли решение, что миссий должно быть три — по количеству проектов, реализуемых в настоящее время НИЯУ МИФИ и нашей лабораторией совместно со спутниковыми компаниями “Спутникс” и “Геоскан” в рамках конкурсов ФСИ и федеральной программы “Кадры для космоса”, — сообщил А.Г. Майоров. — Сейчас мы работаем над серией приборов: “Наталия-1”, “Наталия-2” и “Наталия-3”. Их конструкция будет унифицирована, но с возможностью управления в полете. В зависимости от задачи можно будет переключать режим регистрации — например, работать преимущественно с гамма-квантами или с заряженными частицами».
Новость подготовлена при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ
Фото на превью: cc0collection / фотобанк 123RF.
Фото на странице: Константин Фрумкин / пресс-служба НИЯУ МИФИ, cc0collection / фотобанк 123RF, личный архив Андрея Майорова.
