автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Экспериментальные методы и технические средства для бортовых измерений космической плазмы и гамма-всплесков

/о. <298

НАУЧНО-ИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР "СНИИП"

Поленов Борис Владимирович

УДК 539.078:551.521.6:629.78

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ И ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ БОРТОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ КОСМИЧЕСКОЙ ПЛАЗМЫ И ГАММА-ВСПЛЕСКОВ

Специальность: 05.11.10 - Приборы и методы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

На правах рукописи

диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

yfC-or у Г

7 МОСКВА-1997

Работа выполнена в Научно-инженерном центре"СНИИП Министерства РФ по атомной энергии.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, профессор

Дмитренко В.В. (МИФИ) доктор физ.-мат. наук

Сакович В.А. (НИИЦ РБКО) доктор техн. наук, профессор

Курочкин С.С. (НИЦ "СНИИП")

Ведущая организация: Институт космических исследований РАН.

Защита состоится 1997 года в час. на

заседании специализированного совета Д 034.04.06 в РНЦ "Курчатовский институт" по адресу:

123182 г.Москва, пл. Курчатова, 1. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РНЦ "Курчатовский институт".

Диссертация разослана 1997 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

старший научный сотрудник С.И. Коняев

ОГЛАВЛЕНИЕ

Лист

Введение......................................................................... 3

Глава 1. Экспериментальные методы и бортовая аппаратура для исследования космической плазмы и гамма-

всплесков........................................................................ 15

Объект исследований..................................................... 15

Обзор методов и аппаратуры, применяемых при космических исследованиях потоков заряженных частиц

малых энергий и гамма-всплесков...............................Л 6

Разработанные методы и бортовая аппаратура для космических исследований потоков заряженных частиц малых энергий и гамма-всплесков.........................89

Глава 2. Принципы построения, разработка и исследование

детекторов заряженных частиц малых энергий и гамма-излучения для космических экспериментов...........148

Дискретные детекторы заряженных частиц малых

энергий...........................................................................148

Детекторы гамма-излучения........................................176

Глава 3. Исследование и реализация специальных программ и режимов работы бортовой аппаратуры, повышающих информативность и погрешность измерений в

космическом пространстве............................................182

Глава 4. Особенности разработанных методов и аппаратуры...................................................................................199

2а

Аппаратура для измерения характеристик потоков

заряженных частиц малых энергий.............................199

Аппаратура для измерения гамма-всплесков..............242

Конструктивное исполнение аппаратуры...................251

Исследовательские и испытательные стенды.............255

Глава 5. Основные и новые результаты, полученные создан-

Заключение Литература.

.257 .287 299

ВВЕДЕНИЕ

В диссертации систематизированы работы автора в области исследования, разработки и применения методов и аппаратуры для бортовых измерений космической плазмы и гамма-всплесков, направленные на решение ряда фундаментальных научных задач Программы исследования космического пространства, планет Венера и Марс.

Актуальность решаемой проблемы. Потоки плазмы в магнитосфере Земли и на ее границе, в межпланетной среде (солнечный ветер), в зонах обтекания солнечным ветром планет Венера, Марс и др., а также всплески гамма-излучения, источниками которых могут быть Солнце, Галактика или внегаллактические объекты и техногенные источники,являются одними из основных объектов отечественных и зарубежных фундаментальных космических исследований, связанных с изучением геокосмоса, солнечной системы и Галактики (С.Н. Вернов, В.И. Красовский, Я.Б. Зельдович, Дж. Ван Аллен, X. Альвен, С. Чепмен и др.). Многие из выполненных космических экспериментов были связаны с измерениями характеристик межпланетной плазмы. Поток ее ионной составляющей с энергиями порядка килоэлектронвольт непрерывно испускается Солнцем в межпланетную среду, обтекая планеты и их спутники. Вокруг планет с собственным магнитным полем имеется внешняя оболочка - магнитосфера, внутри которой существуют потоки энергичных захваченных частиц. На верхней границе атмосферы находится область холодной плазмы ионосферного происхождения. Исследования параметров потоков плазмы и

энергичных частиц в этих областях, их пространственно-временных вариаций могут дать решение ряда фундаментальных проблем астрофизики и космической физики, определить физические механизмы, управляющие процессами в магнитосфере и ионосфере. Они вносят определенный вклад при изучении геофизических явлений, происходящих на Земле, объяснении эволюции планет солнечной системы. Большой интерес такие исследования представляют для ученых, работающих в области управляемого термоядерного синтеза. Полученная информация используется и для решения оборонных задач.

Первые измерения плазмы в геокосмосе и межпланетной среде на отечественных искусственных спутниках Земли (ИСЗ) "Космос", "Электрон" и на автоматических межпланетных станциях (AMC) "Луна", "Венера" и "Марс" были проведены в конце 50-х и начале 60-х годов с помощью усовершенствованных для космических исследований цилиндров Фарадея ("ловушек" заряженных частиц) с тормозящим электрическим полем и коллекторным детектором, имеющих невысокую чувствительность и избирательность, невысокое энергетическое и угловое разрешение.

Анализ первых результатов измерений позволил установить, что для определения кинетических параметров исследуемой плазмы необходимо и целесообразно использовать новые экспериментальные методы и бортовые приборы. На основании анализа научно-технических решений, проведенных расчетов, моделирования с использованием системного подхода и патентной экспертизы была обоснована концепция применения

новой высокоинформативной спектрометрической аппаратуры с отклоняющими электростатическими и магнитными анализаторами, имеющими высокое энергетическое и угловое разрешение, высокую избирательность, в сочетании с дискретными детекторами.

Разработка экспериментальных методов и аппаратуры для регистрации гамма-всплесков в космическом пространстве была обусловлена необходимостью дальнейшего совершенствования по исследованию и локализации источников гамма-всплесков.

Переход к новому поколению аппаратуры совпал с созданием ИСЗ и AMC с ориентированными или стабилизированными в космическом пространстве осями вращения этих космических аппаратов при проведении экспериментов и сеансах связи с Землей. При этом переходе стали актуальными: разработка новых методов измерений и новых бортовых спектрометров, расчет траекторий частиц в анализирующих устройствах, создание малых по массе и габаритным размерам анализирующих устройств, технологии изготовления и обработки пластин анализаторов, нанесения на них специальных слабоотражающих покрытий,

усовершенствование имеющихся и разработка новых типов вторично-электронных умножителей, сцинтилляционных детекторов, исследование и реализация специальных программ и режимов работы аппаратуры, создание экономичных устройств отбора, обработки и регистрации сигналов с детекторов, малогабаритных высоковольтных источников для питания детекторов и пластин анализаторов с учетом специфических

требований, предъявляемых к космической аппаратуре. Возвосшая потребность в аппаратуре обусловила возникновение и развитие новой отрасли приборостроения - научного космического приборостроения.

При проектировании новой аппаратуры стала актуальной задача увеличения ее чувствительности и избирательности в условиях воздействия на детекторы различных видов излучений, увеличения информативности измерений, обеспечения достаточно высокого энергетического, углового, временного разрешения. Важными задачами стали построение, разработка и применение высокочувствительных низкошумящих детекторов и защита их от сопутствующих излучений, увеличение диапазона и точности измерений, миниатюризация и унификация узлов и элементов аппаратуры.

Таким образом, решение проблемы создания новых экспериментальных методов и технических средств для бортовых измерений космической плазмы и гамма-всплесков нового поколения потребовало решения широкого круга задач, включающих:

- создание электростатических анализирующих устройств для исследования электронной и ионной составляющей космической плазмы;

создание комбинированных электростатических и магнитных анализирующих устройств для исследования ионных составляющих космической плазмы;

- разработку методов увеличения чувствительности и избирательности аппаратуры;

создание анализирующих устройств, позволяющих осуществлять измерения характеристик потоков заряженных частиц малых энергий по многим параметрам с помощью электронного сканирования;

построение, разработку и исследование высокочувствительных дискретных детекторов заряженных частиц малых энергий для космических экспериментов, имеющих малые габариты и массу;

- построение, разработку и исследование избирательных детекторов фотонов для космических экспериментов;

- расширение диапазона измерений плотности потока и энергий заряженных частиц и фотонов, увеличение точности измерений;

- исследование и реализацию специальных программ и режимов работы бортовой аппаратуры, повышающей информативность и надежность измерений в космическом пространстве;

- создание стендов для исследований, отработки, испытаний анализирующих устройств и детекторов, испытаний и приемки аппаратуры Заказчиком в целом.

На решение этих основных задач была направлена настоящая работа.

Диссертационная работа является итогом 30-летней деятельности автора в НИЦ "СНИИП" по разработке космической аппаратуры, в процессе которой автором было разработано семь комплексов и шесть отдельных космических приборов, использованных при выполнении отечественных и

международных программ космических исследований на ИСЗ и AMC различного назначения. Работы выполнялись в соответствии с Постановлениями СМ СССР.

Цель работы. Целью работы являлось создание новых экспериментальных методов и высокочувствительной

малогабаритной бортовой аппаратуры для детального изучения характеристик космической плазмы и гамма-всплесков, позволяющей проводить длительные высокоинформативные измерения.

Научная новизна работы состоит:

- в обеспечении проведения исследований космической плазмы с помощью малогабаритных отклоняющих электростатических и магнитных анализаторов с высоким разрешением по энергии (заряду), массе и по углу зрения и высокочувствительных детекторов, регистрирующих отдельные частицы;

- в создании электростатических анализирующих устройств с увеличенным геометрическим фактором и электрическим угловым сканированием, обеспечивающих высокую чувствительность и измерение анизотропии потоков заряженных частиц;

- в разработке методик изготовления и обработки поверхностей пластин анализирующих устройств, обеспечивающих высокую избирательность спектрометров заряженных частиц в условиях воздействия солнечного ультрафиолетового (УФ) излучения;

- в создании малогабаритных магнитных анализаторов

заряженных частиц;

- в создании принципов построения, разработке и исследовании вторично-электронных умножителей открытого типа с дискретными динодами (ВЭУ), первых отечественных промышленных каналовых электронных умножителей (КЭУ), микроканальных пластин (МКП) для регистрации заряженных частиц малых энергий;

в разработке избирательных сцинтилляционных детекторов для эффективной регистрации гамма-всплесков в космическом пространстве;

- в решении задачи оптимизации количества и типов анализирующих устройств и детекторов в бортовой аппаратуре;

- в создании специальных программ, сканирующих и адаптивных режимов работы бортовой аппаратуры, обеспечивающих измерения на борту космических аппаратов только в значащих диапазонах плотностей потоков, энергий, масс и угловых распределений;

в обеспечении, на основе экспериментальных исследований и использования специальных режимов питания КЭУ, длительных исследований на борту ИСЗ с большим ресурсом работы и AMC.

Научная и практическая ценность работы. Научная ценность работы состоит в разработке новых экспериментальных методов и высоконадежных, высокоинформативных бортовых приборов и комплексов, обеспечивших проведение уникальных измерений в магнитосфере Земли и межпланетной среде, первые измерения в зонах обтекания солнечным ветром планет Венера и

Марс.

Научная и практическая ценность работы определяется тем, что разработанные по инициативе и при участии автора ВЭУ, КЭУ и МКП в настоящее время стали распространенными типовыми детекторами фотонов и частиц в многочисленных отечественных космических исследованиях, лабораторных экспериментах в области фундаментальной и экспериментальной ядерной физики, прикладной физики, в вакуумной и эмиссионной технике и т.д.

Изданная в соавторстве с М.Р.Айнбундом монография "Ёторично-электронные умножители открытого типа и их применение" в настоящее время стала техническим руководством для разработчиков космической аппаратуры и лабораторных экспериментов, она вошла в перечень изучаемой литературы для студентов таких ведущих высших учебных заведений страны, как Электротехнический институт (г.С.-Петербург), МГУ, МИФИ, МФТИ.

Внедрение результатов работы. Основная часть результатов настоящей работы по созданию экспериментальных методов и технических средств для бортовых измерений космической плазмы и гамма-всплесков нового поколения была внедрена в разработки большого числа реальных космических приборов и комплексов аппаратуры, с помощью которых были проведены успешные, и в ряде случаев, первые уникальные космические эксперименты. Опубликованные или защищенные авторскими свидетельствами результаты работы по созданию электростатических спектрометров частиц малых

энергий,слабоотражающих покрытий пластин электростатических анализаторов, повысивших избирательность спектрометров при воздействии солнечного УФ-излучения, разработке вторично-электронных умножителей (ВЭУ и КЭУ) и методики измерения их характеристик по счету отдельных импульсов, экономичных электронных узлов обработки цифровых и аналоговых сигналов и источников питания, конструкторско-технологические решения использовались другими организациями и коллективами, занимающимися созданием космической и лабораторной аппаратуры для регистрации частиц малых энергий и фотонов (ИКИ РАН и его ОКБ, НИИЯФ МГУ, ЦАО Росгидромета, РНЦ "Курчатовский институт", ГНЦ ИТЭФ, Физический институт им.П.Н.Лебедева РАН, Ростовский университет, такие предприятия электронной промышленности, как ЦНИИ "Электрон", г.С.-Петербург, и его серийный завод "Гран", г.Владикавказ). На базе КЭУ и МКП ЦНИИ "Электрон" (МП "ЭЛДИ") разработаны и выпускаются фотоэлектронные умножители с КЭУ (КФЭУ) и микроканальными пластинами -ФЭУ-МКП, предназначенные для исследования и измерения ультракоротких или ультраслабых сигналов.

Накопленный опыт и техническое решение, разработанные автором при создании экономичной и малогабаритной космической аппаратуры, методы цифровой обработки информации были использованы им при создании первых отечественных портативных цифровых прямопоказывающих дозиметров для персонала, а после аварии на ЧАЭС в 1986 г. и для населения.

Личный вклад автора. Работа по созданию экспериментальных методов и новых технических средств для бортовых измерений космической плазмы и гамма-всплесков проводилась автором в начале в качестве инженера, затем в качестве старшего инженера, старшего научного сотрудника, главного конструктора приборов и комплексов. Она выполнялась коллективами группы и лаборатории, которыми руководил автор. Всего автор участвовал в выполнении 18 НИОКР, из которых в шести он был главным конструктором, в двух - научным руководителем, а в остальных - ведущим инженером по приборам. В работе рассмотрены проблемы и задачи, в решении которых автор принимал личное участие.

Автор принимал личное участие на всех этапах разработки новых методов и технических средств, рассматриваемых в работе:

- в постановке космических экспериментов, разработке ТЗ на методы измерений и бортовую аппаратуру, ТЗ на специальные комплектующие изделия;

- в разработке методов и программ исследований на ИСЗ и AMC;

- в выполнении НИР и ОКР, включая исследования, разработку и изготовление анализирующих устройств, детекторов и образцов аппаратуры;

- в разработке программ испытаний и в проведении испытаний образцов аппаратуры на созданных им исследовательских и испытательных стендах, на которых имитировались космический вакуум, ультрафиолетовое излучение Солнца, �