Экскурсии и мастер-классы: как школьники и абитуриенты знакомятся с прибором для изучения полярных сияний

С чего начинается разговор

Экскурсия начинается с простого вопроса: почему вообще возникает полярное сияние. В периоды геомагнитных возмущений электроны высыпаются из внешнего радиационного пояса Земли, проникают в полярную ионосферу и сталкиваются с атомами и молекулами атмосферы. Переданная при столкновениях энергия расходуется на ионизацию и возбуждение частиц среды, а последующее снятие возбуждения сопровождается излучением в характерных спектральных линиях — так и возникает сияние.

Высота, на которой происходит этот процесс, и спектральный состав свечения зависят от начальной энергии высыпающихся электронов. Именно поэтому их нужно измерять вместе — и сами частицы, и оптическое свечение атмосферы. Только так можно установить количественную связь между потоком электронов и интенсивностью эмиссий.

Дальше разговор переходит к тому, как это измеряют на практике: что представляет собой прибор, из каких узлов он состоит и почему для кубсата приходится искать нестандартные инженерные решения.

Что происходит на мастер-классе

Мастер-класс устроен так, чтобы каждый этап можно было пройти руками, а не только услышать о нём. Участники делятся на небольшие группы и последовательно проходят несколько станций.

Сборка и разборка детекторного узла. Участники собирают простой макет прибора: основной сцинтилляционный кристалл CsI(Tl) — не лётный вариант, конечно, но оттого не менее ценный — охранный пластический сцинтиллятор системы антисовпадений, платы с кремниевыми фотоумножителями. Здесь становится понятно, зачем нужны все эти элементы. Отдельно обсуждается, почему между сцинтиллятором и фотоумножителем не должно остаться воздушного зазора и как всё это удержать в процессе запуска на орбиту.

Работа с 3D-моделью. На компьютере участники смотрят, как устроен прибор изнутри, и пробуют сами менять отдельные элементы компоновки. Видно, что модель нужна не для красоты: именно из неё потом строится расчётная геометрия в Geant4, по которой считаются эффективная площадь, светосила и ожидаемые темпы счёта. Школьники и абитуриенты убеждаются, что даже технологический зазор между модулями системы антисовпадений приходится учитывать в расчёте — через него часть заряженных частиц может пройти незамеченной.

Знакомство с электроникой. Участникам показывают плату управления и платы фронт-энд электроники; рассказывают, как сигнал от вспышки в кристалле превращается в научные данные: как работает оцифровка, зачем нужен отбор событий в реальном времени, как прибор переживает отказы на орбите и почему настройки хранятся в двух копиях с контрольными суммами.

Работа с данными. Отдельная станция посвящена тому, что происходит после регистрации. Участники смотрят, как выглядят энергетические спектры, что такое пик полного поглощения, как по форме спектра отличают полезные события от фона. Здесь же обсуждается, зачем нужна система антисовпадений и как она позволяет подавить фон заряженных частиц.

Зачем это нужно

Проект спутника «Аркадий Гальпер» изначально задуман как научно-образовательный. Научную полезную нагрузку для него делают смешанной командой: опытные сотрудники лаборатории работают вместе со студентами и школьниками. Конструкция детекторного узла, например, была проработана в дипломном проекте студента НИЯУ МИФИ Даниила Мартиросова, который строил 3D-модель вместе со Степаном Холодием – учащимся школы №654. Программное обеспечение платы управления тоже разрабатывается при участии студентов и школьников.

Для участников экскурсий и мастер-классов это возможность пройти путь от постановки задачи до конкретного результата: расчёта, собранного макета, обработанного спектра. Поэтому знакомство с прибором — это ещё и знакомство с тем, как реально устроена работа в космической лаборатории.

Мероприятия проводятся в рамках научно-образовательного проекта Space-π, организованного Фондом содействия инновациям при поддержке федерального проекта «Кадры для космоса» Минобрнауки России.