Зонд для сбора данных о явлении пробоя на убегающих электронах

Актуальность

Пробой на убегающих электронах − явление лавинообразного размножения в веществе быстрых электронов с характерной энергией 0,1–10 MэВ, которое может происходить в результате особенностей взаимодействия частиц высокой энергии с веществом, что сопровождается интенсивным излучением в жесткой части спектра TGF (Terrestrial Gamma ray Flashes).

Последние наблюдения выявили, что пробой происходит и на высотах менее 30 км, при этом большая часть излучения рассеивается, не доходя до регистрирующих приборов орбитальных аппаратов. Данное явление может повлиять на результаты других экспериментов, поэтому создание зонда для изучения TGF является очень актуальным.

Цель

Прототипирование зонда формата CubeSat для сбора данных об этом явлении.

Задачи

1. Выбор аппаратной базы устройства.

2. Проверка пригодности сцинтилляционного детектора монитора пучка в качестве научной нагрузки.

3. Создание 3D-модели корпуса зонда с учетом динамических нагрузок.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Сцинтилляционный счётчик из полистирола толщиной 3 мм (с размерами 15×15 мм2)

• Майлар

• Два кремниевых фотоумножителя (SiPM) (площадью 3×3 мм2) SensL MicroSB 30035 X13

• Четыре двухступенчатых быстродействующих формирователя-предусилителя на основе Analog Devices AD8000

• АЦП AD 7768 1

• SBC (Single Board Computer) Beaglebone Black

• Электронная схема SoC (System on Chip) AM3358

• Полупроводниковые датчики DS18S20+

• Датчик давления LPS331AP

• Чип LSM9DS0, совмещающий в себе функции акселерометра и гироскопа

• GPS/GLONASS Troyka

• Радиомодуль HC-12

• Осциллограф RIGOL MSO4054

Описание

Для сбора данных автором был создан детектор, состоящий из сцинтилляционного счётчика из полистирола толщиной 3 мм с размерами 15×15 мм2, обёрнутого майларом и соединённого силиконовой смазкой BC 630 с двумя параллельными кремниевыми фотоумножителями (SiPM) площадью 3×3 мм2, аналогичного детекторам заряженных частиц, использующихся в мониторе пучка при калибровках гамма-телескопа ГАММА-400. Сигналы от каждой пары кремниевых фотоумножителей (SiPM) усиливаются четырьмя двухступенчатыми быстродействующими формирователями-предусилителями на основе Analog Devices AD8000, генерирующими выходные сигналы с временем нарастания порядка нескольких наносекунд.

Также автором предусмотрена возможность варьировать размеры использованного в конструкции сцинтилляционного детектора без какого-либо изменения электронных компонентов, что позволяет эффективно использовать его в различных конфигурациях аппарата − как в условиях стратосферы, так и на низких орбитах.

В ходе работы автором была спроектирована модель корпуса зонда (стандарт 1U) в программном комплексе САПР SolidWorks. Также с учетом динамических нагрузок во время запуска аппарата: был проведён структурный анализ корпуса зонда (в дополнении SOLIDWORKS Simulation), в котором использовался метод конечных элементов. Данный анализ позволил спрогнозировать поведение изделия в реальной среде путем виртуального тестирования CAD моделей.

Результаты работы / выводы

В ходе создания зонда автором была выбрана необходимая аппаратная платформа устройства и разработана концепция зонда, который может функционировать как в условиях стратосферы, так и на низких орбитах. Был подготовлен детектор, используемый в качестве научной нагрузки (результаты калибровки детектора монитора пучка показали возможность регистрации с его помощью временных профилей потоков электронов, возникающих во время пробоя), начат этап прототипирования зонда.

Предварительный вариант тестового образца корпуса зонда успешно обсуждался на Международной молодёжной научной школе-конференции «Современные проблемы физики и технологий», проходившей в 2019 г. в НИЯУ МИФИ.

Перспективы использования результатов работы

Результаты работы могут представлять интерес для электроники, а обработанные после запуска данные использоваться для корректировки результатов других экспериментов в данной предметной области.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИЯУ МИФИ

Награды / достижения

1. Международная молодежная научная школа-конференция «Современные проблемы физики и технологий» – участник.

2. IV научно-практическая конференция для школьников «От атома до галактики» – победитель.

3. Всероссийский конкурс научных работ школьников «Юниор» – финалист.

4. Конкурс научно-исследовательских работ «Школьные Харитоновские чтения» – участник.