Сотрудники НИЯУ «МИФИ», студенты и школьники работают над полезной нагрузкой кубсата «Аркадий Гальпер»

Мониторинг околоземного пространства, отслеживание динамики радиационных поясов Земли и прогнозирование космической погоды — задачи, которые сегодня решают приборы на орбите, создаваемые в разных странах. Свою версию такого прибора разрабатывает команда Лаборатории геокосмических исследований НИЯУ МИФИ — сотрудники, студенты и школьники.

Прибор будет работать в составе космической платформы CubeSat 3U от компании «Геоскан», то есть при очень жёстких ограничениях по габаритам и энергопотреблению. Тем не менее по ключевому параметру — энергетическому разрешению прибора — уже сейчас удалось получить отличные значения.

Как работает кристалл CsI

Сердце детектора — сцинтилляционный кристалл иодида цезия, активированный таллием (CsI(Tl)). Принцип его работы основан на преобразовании энергии ионизирующего излучения в видимый свет.
Когда гамма-квант или заряженная частица попадает в кристалл, она передаёт свою энергию электронам решётки. Атомы кристалла возбуждаются, а затем, возвращаясь в основное состояние, испускают фотоны — вспышку сцинтилляционного света. Интенсивность этой вспышки пропорциональна поглощённой энергии, что и позволяет восстанавливать энергию падающего в него излучения.

Кристалл на основе иодида цезия является одним из наиболее эффективных сцинтилляторов для регистрации гамма-излучения и заряженных частиц. Его световыход составляет около 65 000 фотонов на МэВ, что обеспечивает сравнительно яркую вспышку и хорошее энергетическое разрешение. Кристалл слабо чувствителен к влажности и имеет время высвечивания порядка 700–900 наносекунд. Последнее важно для приборов, работающих в условиях высоких загрузок: слишком длинная вспышка ограничивала бы скорость счёта и увеличивала мёртвое время, что неизбежно сказывалось бы на статистике.

Свет от кристалла собирается кремниевыми фотоумножителями (SiPM), которые преобразуют фотоны в электрический сигнал. Ключевая задача электроники — зарегистрировать этот сигнал с минимальными потерями и шумами, поскольку количество собранных фотонов напрямую определяет точность измерения энергии. Однако у CsI(Tl) есть особенность, которая и определяет сложность конструкции: свет в кристалле распространяется так, что значительная часть фотонов отражается от боковых граней и выходит через ту грань, которая оптически связана с фотодетектором. Если SiPM расположены неудачно, часть света теряется, и энергетическое разрешение падает.

Выбор геометрии кристалла

Именно поэтому команда проекта перебрала столько вариантов расположения SiPM. Требуется собрать максимум света от кристалла при минимальном количестве фотодетекторов, ведь каждый канал требует своей электроники, а место и потребление энергии в кубсате ограничено. 

На рисунке 2 показаны исследованные конфигурации SiPM: от простой сетки 2×2 до сложных схем на 12–16 элементов. Каждая конфигурация — это компромисс между эффективностью светосбора, равномерностью отклика по объёму кристалла и сложностью электроники. Варианты с SiPM по краям или в форме креста могут давать лучший светосбор при меньшем числе каналов, но требуют более сложной обработки сигналов. Конфигурация 2×2 проще, но собирает меньше света.

Электроника

Когда геометрия была утверждена, появилась новая трудность — SiPM требуют точного управления: вспышка света от поглощённого электрона в кристалле длится наносекунды, и снять этот сигнал без потерь непросто.

Была разработана собственная аналоговая плата съёма информации, которая решала несколько задач:

• стабилизация напряжения питания SiPM: колебание температуры на орбите сдвигает напряжение пробоя и искажает измерение энергии;
• малошумящее усиление и сложение сигнала, чтобы полезный сигнал не терялся в шумах электроники.

И, конечно, требовалось быстро получать сигналы от фронт-энд электроники и обрабатывать их. На эту роль подошла ПЛИС (FPGA) — это вычислительное ядро платы съёма, которое превращает слабые и быстрые сигналы с SiPM в научные данные.

Что делает ПЛИС на плате съёма?

Первое — оцифровка. Сигнал с SiPM — это аналоговый импульс: маленький по амплитуде и очень быстрый по фронту (наносекунды). ПЛИС управляет АЦП и «захватывает» амплитуду и время каждого импульса.

Второе — отбор в реальном времени. Детектор может регистрировать множество событий в секунду, но полезны не все. ПЛИС проверяет каждый импульс прямо в потоке данных и решает, стоит ли его записывать. Для кубсата это принципиально: объём памяти и канал передачи на Землю ограничены, и именно этот отбор определяет, какие данные дойдут до исследователей.

Плата проектировалась с нуля, тестировалась и дорабатывалась сотрудниками лаборатории с привлечением молодых ребят, как студентов, так и школьников, которым впервые пришлось знакомиться с такими непростыми электронными устройствами.

Собранный прототип детектора с новой электроникой и выверенной геометрией вышел на калибровочные испытания. Предстояло измерить ключевой параметр — энергетическое разрешение пика полного поглощения.

Функцией Гаусса аппроксимирован пик полного поглощения Cs-137, его разрешение (ПШПВ) находится как ПШПВ = w * 1,177 / xc = 1,177 * 55,4 / 661,77 = 0,0985 (9,85%), где xc — энергия центра пика полного поглощения, w — удвоенное стандартное отклонение аппроксимирующей функции Гаусса.

Для детекторов электронов и мягкого гамма-излучения на базе малых кристаллов, работающих в составе микроспутников, типичным результатом в мировой практике считается разрешение 10–15%. В ходе испытаний были набраны спектры; после обработки разрешение достигло величины лучше 10%. Это очень хороший результат, который позволит не просто фиксировать наличие электронов, а определять их энергию, что важно для разных научных задач, которые будут решаться в рамках реализации миссии кубсата «Аркадий Гальпер».

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