автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.10, диссертация на тему:Повышение информативности приборов для измерения характеристик потоков заряженных частиц малых энергий в космическом пространстве

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

НАУЧН О -ИНЖЕНЕРНЫЙ ЦЕНТР «СНИИП»

На правах рукописи

Климатов Александр Андреевич

УДК 551.521.fi

ПОВЫШЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ МАЛЫХ ЭНЕРГИЙ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Специальность: 05.11.10 — приборы для измерения ионизирующих излучений и рентгеновские приборы

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук (в форме научного доклада)

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Хазаков Б. И.

МОСКВА — 1992

?0№'ЛС«.А'Л г -----

г:^отГ:л •'"'

Министерство РФ по атомной энергии

Научно - инженерный центр "СНИИП"

На правах рукописи Климатов Александр Андреевич

УДК 551.521.6

ПОВЫШЕНИЕ ИНФОРМАТИВНОСТИ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПОТОКОВ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ МАЛЫХ ЭНЕРГИЙ В КОСМИЧЕСКОМ ПРОСТРАНСТВЕ

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

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук в форме научного доклада

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Хазанов Б.И.

Москва - 1992

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

Официальные оппоненты: доктор физ.-мат. наук, профессор

Курт В.Г. ( АКЦ при ФИАН кандидат техн. наук, с.н.с.

Федорченко С.Н. ( НИЦ "СНИИП" Ведущая организация: Институт космических исследований РАН.

Защита состоится "_"_ 1992 года в _ часов

на заседании Специализированного ученого совета Д034.09.01 в Научно-инженерном центре "СНИИП" , в зале НТС по адресу: 123060, г.Москва, ул. Расплетина, д.5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЦ "СНИИП". Диссертация разослана "22. " 03 1992 г.

Ученый секретарь Специализированного совета

кандидат физ.-мат. наук

Днепровский И.С.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Почти 35 лет существует новое направление науки - космические исследования. Значительная часть этих исследований связана с измерениями потоков заряженных частиц малых энергий (приблизительно от 30 эВ до 10-30 кэВ) - потоков плазмы в магнитосфере Земли, вне магнитосферы, в магнитосферах других планет солнечной системы. Интерес представляют как временные вариации потоков частиц, так и энергетические, угловые, массовые и зарядовые распределения. Эти измерения важны как для фундаментальной науки, так и для решения многих прикладных народно-хозяйственных задач.

Успех измерений потоков частиц в космическом пространстве во многом определяется возможностью создания необходимой специальной аппаратуры, выполненной с учетом особенностей условий ее использования . Приборы должны быть достаточно надежны, обладать относительно малыми габаритами и массой, быть экономичными по энергопитанию, устойчивыми к воздействию радиации, глубокого вакуума и механическим воздействиям. Кроме того в аппаратуре необходимо обеспечить избирательность регистрации электронов и ионов малых энергий на фоне интенсивных видимого и ультрафиолетового излучений Солнца. Выполнение всех этих требований при достижении высоких измерительных характеристик оказывается достаточно сложным.

Начиная с первых этапов исследований, преимущественно использовалась аппаратура для измерений энергетических распределений электронов и протонов, основанная на селектирующих свойствах цилиндрических электростатических анализаторов. Это существенно ограничивало объем получаемых научных данных. Поэтому чрезвычайно важной задачей этого направления космического приборостроения явилось расширение круга тех характеристик потоков частиц, которые могут быть измерены и проанализированы, и включение в их число измерений видового (зарядового и массового) состава ионов и угловых характеристик частиц

в потоках. При этом существенно получение наиболее полной информг ции (измерение многопараметровых распределений) от одного приборе На решение этой задачи и была направлена настоящая работа.

Работа была выполнена в СНИИПе в период времени с 1971 по 19921 Цель работы. Таким образом, целью работы явилось существеннс повышение информативности аппаратуры для измерений потоков заряже] ных частиц малой энергии в космическом пространстве, т.е. увелич! ние числа параметров измеряемых потоков частиц и детальности пре, ставления результатов измерений.

Новизна работы состоит в использовании для построения аппарат; ры нового вида детектирующих устройств - открытых электронных умн жителей, создание на их основе позиционно-чувствительных детектор с оптимизацией выполнения коллекторных устройств и электронных пр образователей координата - код, в создании видового анализатора скрещенными электрическим и магнитным полями при малой массе магн та, в оптимизации выполнения фильтра скоростей ионов малых энерги в создании широкоугольного двунаправленного энергоуглового анализ тора, а также в построении аппаратно - программных систем обработ получаемых данных на борту космического аппарата.

Научная и практическая ценность работы. Научная ценность рабе состоит в разработке методологии построения приборов для измере? потоков заряженных частиц малых энергий в космическом пространст и выработке рекомендаций по оптимальному построению таких прибо{ Основная часть результатов настоящей работы по повышению инфс мативности аппаратуры для измерения потоков заряженных частиц мaJ энергии была воплощена при разработке ряда конкретных приборов, I торые либо были успешно использованы в исследованиях на ИСЗ и А1 либо прошли предполетные испытания и подготавливаются к запуск; настоящее время. Результаты работы по системотехнике, схемотехнм конструкторско-технологические решения могут быть и далее приме»

организациями, занимающимися разработкой и выпуском рассматриваемой аппаратуры (как НИЦ "СНИИП", так и ОКБ ИКИ РАН и др.).

2. АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭНЕРГОУГЛОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ Значительная часть работы, направленной на повышение информативности аппаратуры для измерений потока заряженных частиц малых энергий, связана с созданием энергоугловых спектрометров, позволяющих определить двух- и трехмерные распределения (энергия Е - угол р и энергия Е - угол <р - угол »> ). Особенности выполнения таких приборов связаны с ограничением их габаритных размеров, стремлением получить достаточный геометрический фактор (чувствительность) и необходимостью значительно ослабить воздействие видимого и УФ-излучения Солнца на детектирующий элемент.

Многомодульный спектрометр. Один из способов решения задачи построения Е-р-спектрометра основывался на модулях, содержащих в едином конструктивном узле электростатический анализатор, детектор (ВЭУ) и усилитель-дискриминатор. Модули рассчитаны на сборку в пакет так, чтобы оси анализаторов были ориентированы в разных направлениях. Исследование и отработка подобных устройств привели к созданию базовых модулей с углом поля зрения а = ±3° и /з = ±2°, энергетическим разрешением ~7,5% (для Е от ЗОэВ до ЮкэВ), чувствительностью "1,5-10 4ср-см [1]. В качестве детектирующих элементов использовались открытые умножители типа ВЭУ-4, дискретность углов направленности анализаторов составляла "7,5°. Энергоугловые спектрометры компановались из нескольких базовых модулей, позволяющих при заданной энергии Е определять угловые распределения, а Е-р-спектр получать последовательным сканированием энергии отбора Е [1,2].

Анализаторы с ПЧД. Существенно упростить энергоугловые спектрометры и уменьшить их размеры удалось при использовании в качестве детектирующего элемента ПЧД, основанного на микроканальных пластинах (МКП). Были проработаны технические решения с линейным одномер-

ным ПЧД, которому предшествовал цилиндрический электростатически анализатор, состоящий из нескольких секций с разным центральным уг лом (127° и менее) и, следовательно, с разной направленностью ос поля зрения.

Другой вариант проработанного E-p-спектрометра содержал торои дальний электростатический анализатор и полярный одномерный ПЧД многосекторным коллектором. Были использованы электроды с поверхнс стями, образованными вращением двух концентрических дуг с радиусак Rj и R2 и центальным углом л/2. Такой анализатор в плоскости, пег пендикулярной оси вращения образующих, имеет угол поля зрения 2т Были выполнены расчеты характеристик такой системы (реакция ycTpoi ства на пучок частиц различной ширины и направления) и ее экспер! ментальные исследования, которые позволили получить значения угле вого разрешения для узкого и широкого пучка частиц [3,4]. Из эт! данных было определено размытие пучка частиц, прошедших анализато] по поверхности коллектора и оценено максимальное число сектор« коллектора ПЧД.

Один из способов улучшения углового разрешения, реализованга нами в таких устройствах - введение перед входом анализатора прот; женных диафрагм, состоящих из тонких пластин, направленных по о зрения устройства. При этом, однако, неизбежно сужается облас пропускания по углам и снижается геометрический фактор (чувств тельность) устройства. Другой предложенный путь - выделение инфо мации об угловом распределении обработкой бортовой микро-ЭВМ да ных, полученных с разных секторов коллекторов ПЧД, основываясь результатах расчетов или калибровки. В этом случае удается дости существенно большего геометрического фактора.

Общий недостаток анализирующих систем с большим геометрическ фактором - высокая чувствительность к фоновому световому излучек - был в значительной мере устранен путем выполнения внутренне

электрода отклоняющей системы в виде световой ловушки, составленной из набора тонких дисков разного диаметра [5]. Анализатор с ловушкой и диафрагмами был использован в приборах ЭУ-2, ЭУ-3 спектрометрического комплекса СКС-3, подготовленного для экспериментов по программе "Интербол"[б]. При размерах И^=57мм, Г^бЗмм, геометрический

_/Г о

фактор составлял "6-10 ср-мт энергетическое разрешение "10%, угловое "5,7 и "22,5° Прибор ЭУ-3 выполняет измерение ионов, а ЭУ-2' электронов в диапазоне энергий 0,03-15кэВ семью градациями, одновременно в 8-ми угловых зонах, равномерно распределенных в угле 2тт.

Определение угла направленности потока частиц. В работе был развит еще один метод определения угла направленности потока частиц, основанный не на оценке предварительно измеренного углового распределения, а на обработке данных, получаемых с трех широкоугольных детекторов с различно ориентированными в пространстве осями поля зрения. Обработка данных осуществляется на ЭВМ в несколько этапов. На первом из них рас^-четно щш калибровкой определяется соотношение электрических сигналов в коллекторах для всего диапазона возможных углов прихода потоков частиц /р и -о и эти данные в виде таблицы заносятся в память ЭВМ. На втором этапе по результатам измерений вычисляются соотношения сигналов и по таблице определяются углы направленности потока с коррекцией на абсолютную ориентацию космического аппарата. Для разных конфигураций детекторов были оценены зоны углов, при которых возможны подобные измерения, и проведена оценка точности определения углов прихода потока частиц ( ±0,5-1° и ±5-10° по углам в разных плоскостях ) [7].

Более компактный прибор, реализующий этот же метод и предназначенный для исследования потоков частиц вблизи кометы Галлея, был выполнен в виде единого детектора с тремя коллекторами [8].

Трехмерный спектрометр. Наиболее сложной задачей является выполнение трехмерного Е-р-я-спектрометра при отмеченных выше ограниче-

ниях габаритов и массы. Из всех рассмотренных различных вариант! построения такого устройства были выбраны структуры, основанные i комбинации тороидальной отклоняющей системы и полярного одномерно: ПЧД. В базовом варианте предложенного и реализованного устройст] перед входом электростатического анализатора была установлена д( полнительная отклоняющая система, которая в зависимости от прил< женного напряжения ид направляет на вход тора частицы, летящ: относительно оси симметрии под некоторым углом [9]. Наиболее про> той и в то же время эффективной оказалась дополнительная отклони: щая электростатическая система, электроды которой выполнены в ви, коаксиальных поверхностей вращения, соосных с тором. Внутренн электрод представляет сплошную полусферу, а внешний - полусфер изготовленную из металлической сетки, имеющей высокую позрачнос для частиц.

Проведенные на ЭВМ расчеты траекторий движения частиц в поле д полнительных электродов позволили выбрать предпочтительную геоме рию электродов и создать экспериментальный образец устройства =54мм, ИД2 =45мм, RTl =21мм, Rt2 =19мм). Его исследования показал что удовлетворительная работа анализатора происходит в диапазо углов ■>» от 0 до 67°. Для последнего значения угла эффективное регистрации падает почти в 40 раз, что связано с неидентичност структуры сетчатого электрода и уменьшением его прозрачности увеличением угла прихода частиц (для т> > 67° электрод непрозрачен

Эти недостатки были устранены в варианте анализатора с внешн электродом в виде усеченного конуса, образующая поверхность кот poro выполнена непрозрачной, а широкое основание, являясь входн окном системы, выполнено из плоской высокопрозрачной металличе кой сетки [10]. Исследования показали, что такая система позволя регистрировать потоки с углами прихода в диапазоне углов i> от О 80° при снижении эффективности с увеличением угла в 100 раз. Эт

вариант анализатора использован в приборе ЭУ-1 спектрометрического комплекса СКА-1, используемого для экспериментов по программе "Интербол" [11]. При размерах тора =19мм, =21мм и внутреннего электрода =46мм энергетическое разрешение "5%, угловое в плоскости сканирования 1,8-13° и перпендикулярной ей "3°, геометрический фактор "10 ср-м [11]. Прибор выполняет измерения ионов с последовательно сканируемыми углами прихода 0? 17° 40° 72° в диапазоне энергий 0,05-5кэВ при сканировании 30-ю градациями, одновременно в 8-ми угловых зонах, равномерно распределенных в угле 2л.

3. АППАРАТУРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ ЭНЕРГОВИДОВЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ

Важной частью работы, направленной на повышение информативности аппаратуры для измерений потока ионов малых энергий, явилось создание энерговидовых спектрометров, позволяющих определять энергетические распределения для различных составляющих потока ионов (ионов с определенными массой М и зарядом (2). В работе [12] был выполнен обзор методов анализа потоков ионов по энергии и виду, оценены возможности этих методов, рассмотрены структуры и основные характеристики детектирующих устройств энерговидовых спектрометров. Значительные трудности выполнения аппаратуры для энерговидового анализа связаны с ограничением их габаритных размеров и, особенно, массы, поскольку большинство методов связано с использованием постоянных магнитов и необходимостью значительно ослабить действие видимого и УФ-излучения Солнца на детектирующий элемент.

Спектрометр с фильтром скоростей. Минимальными массой и размерами при хороших селектирующих свойствах по виду обладает детектирующее устройство, состоящее из цилиндрического электростатического отклоняющего анализатора, фильтра скоростей со скрещенными магнитным и электрическим полями и детектора (ВЭУ канального типа). Расчеты характеристик фильтра показали возможность селекции ионов Н^, Не^, Ре^, Ге^? Ге^1 и группы Не^Т оЦ, (составляющих потока

"солнечного ветра") по скорости с разрешением 0,52-0,055 в диг пазоне скоростей 100-900км/с, а экспериментальная проверка, пров« денная на фильтре длиной 40мм с ионами Не^, и (N^2 подтверд! ла возможность создания детектирующего устройства указанной стру! туры [13]. Были проработаны технические решения, позволившие выпо.) нить подобное устройство в виде компактного узла с детектором тш ВЭУ-4 [14].Конструкция устройства дала возможность выполнить спек' рометр по модульному принципу, рассмотренному в гл.2, и при испол] зовании нескольких узлов получать информацию об угле прихода ионо]

Подобное детектирующее устройство входило в состав спектромет; СКС-03 [14]. В спектрометре СКС-04 два таких детектирующих устрой' тва с селекцией вида ионов использовались наряду с тремя детектир; ющими модулями, проводившими угловые измерения [1,15]. Спектроме был рассчитан на раздельную регистрацию ионов и Не^+ в диапазо энергий 0,25 - 5кэВ; углы поля зрения во взаимно перпендикулярн плоскостях составляли ±3/4° и ±1? чувствительность "19-10 ^ср-м Селективные измерения видовых составляющих выполнялись при одновр менном сканировании 24-мя градациями напряжений на электродах ан лизатора и фильтра с помощью экономичных и точных программно-упра ляемых источников напряжения [2,16].

Спектрометр с отклоняющим магнитом. Использование детектируют устройств с фильтром скоростей целесообразно при ограниченной вид вой номенклатуре исследуемых ионов, повышенных требованиях к мин мизации массы и размеров аппаратуры и при отсутствии необходимое в высоком пространственно-временном разрешении. В остальных случг наиболее подходящими представляются спектрометры, основанные комбинации цилиндрического электростатического отклоняющего ана/ затора (ЭА) и магнитного анализатора (МА) с использованием ПЧД V нескольких отдельных детекторов [3]. При разности напряжений мен электродами ЭА и^д, анализатор проходят частицы с Е/(3 = кдд-Цдд ^

л

разбросом значении ±дЕ/2, опредеяемым геометриеи ЭА. Далее ионы попадают в поле постоянного магнита, двигаясь в нем по траекториям с

1 /9

радиусом Ищ пропорциональным величине (2т) -(Е/(2) и попадают на

один из детекторов. При радиусе поворота протонов радиус пово-

1 /?

рота частиц с массой М и зарядом (2 составит -(М/(2) . Чтобы каждый детектор регистрировал ионы определенного вида с характерным М/(3 независимо от энергии ионов, необходимо ионы перед входом в магнитное поле МА ускорять или замедлять до значения Е^, для чего магнит располагается в электрод-статическом экране, на который подается потенциал ид=(Е - Еу)/<3.

В базовом варианте реализованного устройства магнитная система с размерами 81 х 34 х 30мм и массой 560г создавала в зазоре Змм индукцию магнитного поля "0,47 Тл, что позволило при Е^= 1кэВ регистрировать ионы, различающиеся по отношению М/СЗ в ~9,3 раз ( Н^ и Ге^ ) с Е/С2 до 2кэВ/отн.заряд. В качестве детектора использовался ВЭУ-6 с узкой щелевой диафрагмой; детектор был установлен на подвижную платформу с электроприводом, что позволило экспериментально исследовать устройство. Измерения выявили существенный недостаток - устройство очень критично к стабильности соотношения иэд и и^ для конкретной энергии ионов и непостоянству этого отношения для разных энергий; отклонение значений и^д и им от требуемых приводит к отклонению траекторий от расчетных и потере работоспособности [3].

Для устранения этого недостатка было предложено выполнить анализатор, содержащий модуль Е-М-(3-отбора, настроенный на определенную фиксированную энергию (ЕД>)М и ускорять или замедлять ионы перед их входом в этот модуль потенциалом им [17]. При такой структуре устройства сканирование по энергии требует изменения только напряжения и^; напряжение на ЭА идД= ^ЭА'^^^М ФиксиР°ваН0- Были проработаны технические решения и выполнен макетный образец прибора ЭВ-1 на основе рассмотренной анализирующей системы и ПЧД в качестве детектора

и проведены его испытания [11]. Чтобы избежать перегрузок МКП ПЧ от регистрации протонов, было предложено регистрировать протонну составляющую отдельным канальным ВЭУ.

Характерным недостатком МА является уменьшение магнитной индук ции в рабочем зазоре со временем ("старение магнита"), что сущест венно при длительных экспериментах в космосе. Для анализирующей си стемы с модулем Е-М-(2-отбора была предложена система стабилизаци положения траекторий на выходе модуля путем корректировки напряже ния иэд по результатам определения положения центра области приход пучка ионов одного из видов, принятого за опорный ( или Не^+) Был предложен способ стабилизации, основанный на простом дискретно ПЧД на основе МКП, в котором ионы опорного вида регистрируются дву мя коллекторными элементами в двух счетных каналах раздельно (п^ и г^), формируется величина (п^-г^Лп^+г^), которая непосредствен^ воздействует на управляемый источник напряжения и^д.

4. ПОСТРОЕНИЕ СПЕКТРОМЕТРОВ С ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ДЕТЕКТОРАМИ НА ОСНОВЕ МКП Возможности практической реализации высокоинформативных детекти рующих устройств, рассмотреных в гл.3 и 4, в значительной мере свя заны с созданием ПЧД. Кроме факта прохода частицы через анализатор ПЧД позволяют получать информацию о положении траектории частицы н выходе анализатора (координаты их прихода1на чувствительную поверх ность детектора) и, таким образом, выполнять раздельную регистраци потоков, сформированных анализатором. Значительная часть работ была связана с созданием ПЧД и устройств обработки его сигналов дл использования в составе многомерных спектрометров.

МКП как базовый элемент ПЧД. В работе были выполнены исследова ния, позволившие создать новый вид детекторов - ВЭУ на основе МКЕ пригодный для регистрации заряженных частиц малой энергии в аппара туре для космических исследований, и использовать такой ВЭУ для сс

здания на его основе позиционно-чувствительных детекторов [3,18]. Экспериментальные исследования характеристик сборки из двух МКП позволили получить достаточно высокое координатное разрешение "60 -130мкм при шаге структуры МКП ~20мкм [19,20]. Проработка структур коллекторов ПЧД и устройств обработки его сигналов показала, что ПЧД аналогового типа, дающие информацию о положении в некотором непрерывном диапазоне, требуют достаточно сложных устройств обработки. Выполненное на ЭВМ моделирование коллекторных систем нескольких структур позволило сделать выбор наиболее приемлемых конфигураций и оптимальных размеров [21]. Использование ПЧД дискретного типа, в которых сортировка регистрируемых частиц по каналам возлагается на коллектор, существенно упрощает обработку сигнала ПЧД; такой ПЧД во многих случаях является предпочтительным.

Одномерные линейные ПЧД. Один из способов решения задачи - создание аналогового ПЧД с коллектором в виде системы полос или клиньев, объединеных в два коллекторных элемента [21,11]. Такой коллектор, выполненный по технологии нанесения проводников гибридных микросхем на пластину из ситала (размер рабочей области 22 х 18мм, шаг структуры 500мкм) и позволяющий определять координату прихода частицы с точностью лучше ЮОмкм, был использован в энерговидовом спектрометре ЭВ-1 [11]. Сортировка регистрируемых сигналов по каналам выполнялась преобразователем сигналов [22].

Другой путь - создание дискретного ПЧД, каждый элемент коллектора которого регистрирует частицы своей группы. Недостаток такого метода связан с наличием индивидуальных особенностей каждого экземпляра анализирующей системы (особенно систем с магнитами) и, как следствие, индивидуальным положением элементов коллектора. Этот недостаток был устранен при выполнении коллектора на основе структуры, образованной большим числом параллельно расположенных тонких полос равной ширины, ориентированных перпендикулярно координате чу-

вствительности. По результатам калибровки детектирующего устройств; определялись коллекторные полосы, регистрирующие частицы с требуемым параметром отбора, которые затем объединялись в группы и образовывали коллекторные элементы. При отработке методики коллекто} был выполнен из фольгированного стеклотекстолита и использовалас! стандартная технология изготовления печатных плат.

Одномерные полярные ПЧД. Другой вариант одномерного ПЧД - полярный, был рассмотрен в связи с'использованием в энергоугловых спектрометрах тороидальных анализаторов. Проработка показала предпочтительность дискретной коллекторной системы, поскольку положение зо! регистрации частиц на входе ПЧД достаточно определенны ( зависят лишь от точности изготовления и сборки ) [31.

Одномерные полярные ПЧД были использованы в спектрометрах ЭУ-1, ЭУ-2 и ЭУ-3. В трехмерном спектрометре ЭУ-1 коллектор выполнен е виде 8 секторных элементов кольца, каждый из которых регистрирует частицы своего канала [11]. В Е-#>-спектрометрах ЭУ-2, ЭУ-3 коллектор содержит 16 секторов, причем 8 являются рабочими элементами £ каналов, а расположенные между ними 8 промежуточных секторов являются нерабочими и исключают регистрацию частиц одного канала коллекторным элементом другого [6]. Используя эти дополнительные сектора и введя специальную обработку сигнала можно повысить точность определения направления прихода частиц и увеличить геометрический фактор.

Двумерные ПЧД. Выполнение такого детектора оказалось наиболее сложной задачей. В одном из вариантов устройства, использованногс для исследования свойств ВЭУ на МКП, коллектор был образован гексагональной структурой из 19 круглых элементов [19,20]. Выделение позиционной информации выполнялось аналоговым устройством обработки сигналов. Далее информация преобразовывалась в цифровую форму и вводилась в ЭВМ. Отработка такой системы выявила трудности реализа-

ции бортового варианта ( невысокая температурная и временная стабильность , сложность настройки и др. ).

Эти недостатки были устранены в ПЧД с коллекторной системой в форме комбинации клиньев и полос [21]. В базовом варианте коллектор содержал 4 элемента на поверхности 20 х 20мм и позволял определять координаты места прихода частицы с точностью ~200мкм [22]. В результате отработки детектора был предложен двухкоординатный ПЧД с улучшенным в "2 раза координатным разрешением [23].

5. ОРГАНИЗАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ СПЕКТРОМЕТРОВ Высокоинформативные детектирующие устройства выдают информацию о многомерном распределении потока частиц по Е, М, С2, угловой направленности , временных вариациях потока. Значительный объем первичных данных от детекторов не может быть передан на Землю из-за ограниченной пропускной способности телеметрического канала связи. Основной путь сокращения передаваемой информации - первичная обработка данных на борту космического аппарата (сжатие, определение параметров распределений, обобщенных характеристик потока и др.). Эта задача может быть решена введением в состав спектрометров средств вычислительной техники - микропроцессоров и микро-ЭВМ. Поскольку детектирующие устройства спектрометров заряженных частиц малой энергии требуют управления для изменения параметров отбора, режимов работы, корректировки и стабилизации некоторых характеристик, средства вычислительной техники значительно упрощают и эту задачу [24].

Построение микропроцессорных измерительных устройств. Специфика условий эксплуатации аппаратуры на космических аппаратах не позволяет использовать универсальные микро-ЭВМ, выпускаемые промышленностью. К бортовой микро-ЭВМ в составе спектрометрического комплекса предъявляются требования высокой надежности ( при длительном сроке эксплуатации, длительной непрерывной работе и невозможности ремонта аппаратуры ), малой потребляемой мощности ( связанной как с ограни-

чением энергоресурсов, так и с обеспечением работы в условиях г; бокого вакуума, отсутствием конвективного теплообмена ), механиче кой прочности, ограничений по массе и габаритам. Кроме того невс можность использования устройств внешней памяти (дисковых и ленте ных накопителей) и хранение всех программ в ПЗУ, принуждает минш зировать объем программного обеспечения.

Нами был проведен анализ микропроцессорной элементной ба: исследованы возможности ее использования при указанных выше тре( ваниях и проработаны технические решения, позволившие создать ( зовую модель экономичной специализированной микро-ЭВМ, пригод! для работы в режиме реального времени [25,26,27,28]. На осн< базового варианта были созданы модификации микро-ЭВМ, входившие состав спектрометрических комплексов СКА-1 [11] и СКА-2 [6]; характеристики даны в табл.1.

Работа, проведенная в 1991-1992г. по совершенствованию харак1 ристик микро-ЭВМ и прогресс в элементной базе позволили уменьш: потребление, массу и габариты микро-ЭВМ.

Таблица 1.

Характеристика Базовая Комплекс Комплекс Спектрометры

модель СКА-1 СКА-3 ССРГ,СЭМН,СЭМ

Потребляемая

мощность, Вт до 10 6 8 1 - 2

Объем ПЗУ,' байт до 16К 8К 6К 8К

Объем ОЗУ, байт до 32К 16К 4К 8 - 32К

Время выполнения 310 - 60 600 - 500

операций над чи- - 400 (аппа- - 800

слами в ФПЗ, мке ратно)

Масса, кг - 6,9 7,0 .4-6

Организация управления спектрометром и обработка получаемой информации. Специфика измерений потоков заряженных частиц в космическом пространстве связана с большими диапазонами измеряемых величин, что делает необходимым использовать для представления чисел формат с плавающей запятой (ФПЗ), преобразовывая в него накопленные результаты счетных каналов, и выполнять вычисления в ФПЗ [3]. Нами было предложено устройство с сжатием данных в процессе накопления [29,30] и при выводе с накопителей [31]. Был предложен счетчик с выводом в ФПЗ [32,33]. Поскольку операции над числами в ФПЗ, производимые специализированной микро-ЭВМ, увеличивают время обработки данных, для устранения этого недостатка было выполнено быстродействующее устройство обработки данных в ФПЗ [34].

Значительное внимание в работе было уделено созданию устройств, управляющих работой детектирующих устройств [11,6,2,16], а также выполнению адаптивных измерительных систем [35,36,37], выделению обобщенных параметров исследуемого потока ( векторов групповой скорости, потока энергии и др.) [11].

Автоматизация тестирования аппаратуры. Сложность выполнения спектрометрических комплексов, основанных на высокоинформативных детектирующих устройствах, делает невозможными проектирование, отладку и предполетный контроль аппаратуры без использования автоматизации этого процесса с применением современных средств вычислительной техники [3]. Значительное место в работе было уделено автоматизации тестирования, созданы методики и выполнены средства, позволившие выполнять тестирование на разных стадиях создания аппаратуры, сделать его надежным и быстрым [38,39,40].

6. ПРАКТИЧЕСКОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СОЗДАННОЙ АППАРАТУРЫ Основные технические решения, рассмотренные выше, были использованы при создании ряда спектрометров заряженных частиц малой энергии, разработанных и изготовленных в НИЦ "СНИИП" и переданных

ИКИ РАН для проведения исследований с космических аппарате В табл.2 перечислены эти спектрометры, указаны принципы построен детектирующих устройств, а также наименование космического аппарг на котором использовался тот или иной прибор.

Таблица

Наименование прибора Наименование КА Год проведения эксперимента Принцип построения детект рующего устройства

РИЭП2801 "Марс-2", "Марс-3", "Космос-721" 1971 1971 1975 Е-модули в пакете с разными <р

РИП-803 "Прогноз" 1972 модуль Е-М-(2~отбора с постоянным магнитом

РИП-803А "Прогноз-2" 1972 то же

РИЭП-2801М "Марс-4" "Марс-5" 1973 Е-модули в пакете с разными <р

РИЭП-2801МВ "Венера-9" "Венера-10" 1975 то же

СКС-03 "Прогноз-5" 1976 фильтр скоростей (отбор виду), Е-модули в пакете разными <р

СКС-04/ДИ "Венера-11" "Венера-12" "Прогноз-7" 1978 то же (с двумя фильтраь скорост«

СКС-04/ДЭ 3 широкоугольных детекто] с вычислением направленш

БД-3 "Вега-1" "Вега-2" 1984 трехсекторный детектор с вычислением направления

СКА-1/ЭУ-1 проект "Интербол" 1993 Е-^-1>-спектрометр с 8-секторным ПЧД

СКА-2/ЭУ-2, СКА-2/ЭУ-3 проект "Интербол" 1993 тороидальный анализатор с 16-секторным ПЧД

Технические решения, рассмотренные в работе, использовались не только в аппаратуре, выполненной в НИЦ "СНИИП", но и в отдельных приборах, выполненных другими организациями. Так комплекс спектрометров ВИФРАМ [41], выполненный для проекта "Интершок" в ОКБ ИКИ в 1984 г., использует модульные узлы детектирования для параллельных во времени измерений энергетических спектров и селектор скоростей для видового отбора.

7. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для достижения поставленной цели - повышения информативности приборов, предназначенных для измерений потоков ионов малых энергий в космическом пространстве, в ходе настоящей работы были:

- проанализированы существующие технические решения по построению энергетических, угловых и видовых спектрометров заряженных частиц малой энергии;

- предложены некоторые новые технические решения по построению таких спектрометров и исследованы их характеристики;

- исследованы характеристики ВЭУ на основе МКП и возможности построения на их основе различных позиционно-чувствительных детекторов и предложены некоторые новые технические решения по выполнению таких детекторов;

- рассчитаны, в том числе с помощью специально подготовленных программ, траектории частиц в детектирующих устройствах разного вида при различных конфигурациях электрических и магнитных полей, а также характеристики некоторых детектирующих устройств.

На основании проведенной работы можно сформулировать следующие выводы и положения диссертации :

1. Максимальная информативность энерговидового спектрометра ионов малых энергий при высоком пространственно - временном разрешении и приемлемых массогабаритных характеристиках достигается при выполнении спектрометра на основе многоканальной анализирующей

системы с параллельной регистрацией видовых составляющих ионног потока. Оптимальной является структура многоканальной анализирующе системы, содержащей помещенные в электрический экран отклоняющи электростатический анализатор и магнитный сепаратор, приче электростатический анализатор имеет постоянную энергию настройки а сканирование по энергии осуществляется изменением потенциала электростатического экрана.

2. Значительное улучшение основных параметров энерговидовог спектрометра достигается при использовании в качестве детектор многоканальной энерговидовой анализирующей системы позиционно чувствительного детектора на основе микроканальных пластин. В част ности, при таком построении спектрометра расширяется видова номенклатура регистрируемых ионов, повышается видовое разрешени энерговидовых спектрометров, осуществляется стабилизация основны измерительных характеристик энерговидового спектрометра за сче стабилизации положения выходных траекторий ионов.

3. В экспериментах с ограниченной видовой номенклатурой исследу емых ионов, повышенными требованиями к минимизации массы и размеро аппаратуры и при отсутствии необходимости в высоком пространственн -временном разрешении целесообразно использовать для энерговидовог анализа ионных потоков анализирующую систему, содержащую фильт скоростей со скрещенными электрическим и магнитным полями и откло няющий электростатический анализатор.

4. Максимальная информативность энергоуглового спектрометра ио нов малых энергий при высоком пространственно - временном разреше нии и приемлемых размерах и массе достигается при выполнении спект рометра на основе многоканальной анализирующей системы с параллель ной регистрацией составляющих ионного потока в одной из плоскосте: пространства, последовательным сканированием энергии отбора ионов : последовательным сканированием по углу прихода ионов.

5. Значительное улучшение основных параметров энергоуглового спектрометра достигается при использовании в качестве детектора многоканальной энергоугловой анализирующей системы позиционно -чувствительного детектора на основе микроканальных пластин с многосекторным анодом.

6. Оптимальной структурой высокоинформативных энерговидовых и энергоугловых спектрометров является структура, базирующаяся на специализированной экономичной микро-ЭВМ.

Проведенная работа позволила существенно повысить информативность аппаратуры для измерения характеристик потоков заряженных частиц малых энергий ( увеличить до 4 число одновременно измеряемых параметров потоков и до 4 - 64 число измерений по каждому из параметров). Практическая реализация положений диссертации подтвердила их правильность, обоснованность расчетных соотношений и методик построения аппаратуры.

РАБОТЫ, В КОТОРЫХ ИЗЛОЖЕНЫ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

1. Вайсберг О.Л., Горн Л.С., .. Климашов A.A. и др. Спектрометр заряженных частиц малой энергии СКС-04. Вопросы атомной науки и техники. Сер.Ядерное приборостроение. Вып.2(47). М.:СНИИП,1981,с.51-57.

2. Захаров Д.С., Климашов A.A. Генератор постоянного двухполярного напряжения с программным управлением. Вопросы атомной науки и техники .Сер.Ядерное приборостроение.Вып.24.М.:Атомиздат,1974,с.99-106.

3. Создание базовых устройств спектроскопии корпускулярного излучения. Отчет по НИР "Орлан-Н". Per. N У50076. М. : СНИИП, 1981.

4. Антоненок В.С.,Захаров Д.С.,.. Климашов A.A. и др. Энергоугловой анализатор заряженных частиц малой энергии. Вопросы атомной науки и техники. Сер.Ядерное приборостроение.Вып.2. М. :ЦНИИатоминформ,1985, с.17-21.

5. Климашов A.A..Хазанов Б.И.,Шифрин A.B. Электростатический анализатор заряженных частиц малых энергий. А. с. 1202449. 1985.

6. Комплекс спектрометрической аппаратуры СКА-3 ("Сойка"). Поясш тельная записка к эскизному проекту. Per. N Ф19569. М.: СНИИП, 19f

7. Застенкер Г.Н., Денин А.Б., .. Климатов A.A. и др. Интегральш детектор заряженных частиц малой энергии. Вопросы атомной науки техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.2(47). М.:СНИИП,1981 с.64-69.

8. Захаров Д.С., Вайсберг O.JI., .. Климатов A.A. и др. Прибор дг определения концентрации и конвекции кометной плазмы. Вопросы аток ной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.З. М.:ЦШ№ атоминформ, 1987, с.119-123.

9. Антоненок B.C., Вайсберг 0.JI., .. Климатов A.A. и др. Многопарг метровый спектрометр заряженных частиц малой энергии. Вопросы аток ной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.2. М.:ЦНИИ атоминформ, 1985, с.12-16.

10. Захаров Д.С., Климатов A.A., Хазанов Б.И. Угловой спектромет заряженных частиц. А. с. 1336847. 1987.

11. Комплекс спектрометрической аппаратуры СКА-1 ("Бекас"). Поясни тельная записка к эскизному проекту. Per.N Ф16929. 1983. М.: СНИИП

12. Климатов A.A. Аппаратура для энерговидового анализа потоков ио нов малых энергий ( Обзор ). Вопросы атомной науки и техники. Сер Ядерное приборостроение. Вып.З. М.:ЦНИИатоминформ, 1985, с.90-99.

13. Климатов A.A., Коваленко В.Г. Узел детектирования ионов с ис пользованием селектора скоростей. Вопросы атомной науки и техники Сер. Ядерное приборостроение. Вып.24. М.:Атомиздат, 1974, с.47-52.

14. Шурина Л.С., Захаров Д.С., Климатов A.A. и др. Приборы для пла зменных измерений в космических исследованиях. Вопросы атомной нау ки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.34-35. Том 1 М.:Атомиздат, 1976, с.168-179.

15. Вайсберг 0.J1., Горн J1.C. , .. Климатов A.A. и др. Эксперимент п диагностике межпланетной и магнитосферной плазмы на AMC "Венера-11

12" и ИСЗ "Прогноз-7". Космические исследования. 1979. Т. XVII, вып.5, с.780-792.

16. Захаров Д.С..Климатов A.A. Экономичные источники высоких напряжений для спектрометров заряженных частиц малой энергии. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.2 (57). М.:ЦНИИатоминформ, 1984, с.14-17.

17. Вайсберг О.Л., Горн Л.С., .. Климатов A.A., и др. Спектрометр ионов малой энергии. А. с. 860599. 1981.

18. Горн JI.C., Грунтман М.А., .. Климашов A.A. и др. Координатно -чувствительный детектор - возможности применения и реализации. III Международный семинар социалистических стран "Научное космическое приборостроение".Тезисы докладов.Одесса:ИКИ АН СССР, 1982, с.57-58.

19. Айбунд М.Р.,Горн JI.C., .. Климашов A.A. и др. Двумерный координатно - чувствительный детектор на основе микроканальных пластин. Препринт ИКИ АН СССР Пр-787. 1983.

20. Айбунд М.Р., Горн JI.С., .. Климашов A.A. и др. Координатно -чувствительный детектор на основе микроканальных пластин. ПТЭ, N 1, 1984, с.70-72.

21. Антропов А.И., Горн JI.C., Климашов A.A. и др. Математическое моделирование коллекторных систем позиционно- чувствительных детекторов на основе микроканальных пластин. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение.Вып.1(53). М.:СНИИП,1983,с.83-91.

22. Захаров Д.С., Климашов A.A. Преобразователь сигналов двумерного ПЧД на основе микроканальных пластин. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.2. М.:ЦНИИатоминформ, 1985, с.28-33.

23. Захаров Д.С., Горн Л.С., Климашов A.A., Хазанов Б.И. Двухкоор-динатный позиционно-чувствительный детектор. А. с. 1094457. 1984.

24. Вайсберг 0.JI., Балебанов В.М., .. Климашов A.A. и др. Логика работы плазменного комплекса на хвостовом зонде. IV Международный

симпозиум по физике ионосферы и магнитосферы Земли и солнечнс ветра. Львов, 1983 г. (тезисы докладов). М. : Изд. ИКИ АН СС( 1983, с.71.

25. Захаров Д.С., Климатов A.A., Хазанов Б.И., Черкашин И.И. Opi низация работы микропроцессорной системы в режиме реальнс времени. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостг ение. Вып.3 (41). М.:Атомиздат, 1979, с.64-70.

26. Хазанов Б.И., Захаров Д.С., Климатов A.A. и др. Построение бс товых измерительных комплексов на базе специализированной экономь ной микро-ЭВМ. III Международный семинар социалистических ст; "Научное космическое приборостроение". Тезисы докладов. Одесса: V АН СССР, 1982, с.57-58.

27. Горн Л.С., Захаров Д.С., Климатов A.A. и др. Экономичная'спеи ализированная микро-ЭВМ и построение на ее основе измерители комплексов. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное прибор строение. Вып.З (51). М.:СНИИП, 1982, с.3-10.

28. Хазанов Б.И., Захаров Д.С., Климатов A.A. и др. Построение бс товых измерительных комплексов на базе специализированной экономи ной микро-ЭВМ. Научное космическое приборостроение. Вып. М.:Металлургия, 1984, с.11-18.

29. Захаров Д.С., Климатов A.A., Хазанов Б.И. Счетное устройств А. с. 410423. БИ, 1974, N 1.

30. Захаров Д.С., Климатов A.A. Счетчик импульсов со сжатием данн в процессе счета. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерн приборостроение. Вып.33. М.:Атомиздат, 1976, с.9-15.

31. Захаров Д.С., Климатов A.A., Хазанов Б.И. Многоканальный нак питель чисел импульсов с преобразованием данных при их выводе. Е просы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроени Вып.2 (54) .М.:СНИИП, 1983, с.27-30.

32. Горн Л.С., Захаров Д.С., Климатов A.A., Хазанов Б.И. Счетч

импульсов со сжатием данных. А. с. 997259. БИ, 1983, N 6.

33. Горн JI.C., Журина Л.С., .. Климашов A.A. и др. Двоичный счетчик импульсов с выводом данных в формате с плавающей запятой. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.2 (54). М.:СНИИП, 1983, с.16-19.

34. Захаров Д.С., Климашов A.A. Быстродействующее устройство обработки данных в формате с плавающей запятой. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.З (51). М.:СНИИП, 1982, с.19-25.

35. Климашов A.A., Поленов Б.В., Хазанов Б.И. Спектрометр заряженных частиц. А. с. 304534. 1971. . ^

36. Климашов A.A., Поленов Б.В. Спектрометр заряженных частиц. А. с. 307695. 1971.

37. Горн Л.С., Захаров Д.С., Климашов A.A., Хазанов Б.И. Спектрометр заряженных частиц. А. с. 723901. 1979.

38. Горн Л.С.,Дружинин B.C..Захаров Д.С.,Климашов A.A..Хазанов Б.И. Диагностирование приборов для радиационных измерений. М.: Энерго-атомиздат, 1991. 200 с.

39. Захаров Д.С., Климашов A.A., Хазанов Б.И., Черкашин И.И. Отладочная система для микропроцессорной измерительной аппаратуры. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.З. М.:ЦНИИатоминформ, 1985, с.105-111.

40. Захаров Д.С., Климашов A.A., Хазанов Д.В., Черкашин И.И. Имитация на микро-ЭВМ работы детектирующего и счетного устройств. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.2.

М.:ЦНИИатоминформ, 1986, с.39-46.

41. Bedrikov.A., Belikova.A., Fedorov.A., Fuks,V. et al. Complex of plasma spectrometers BIFRAM. In: Intershock Project.Edited by S.Fischer. Ondrejov, Czechoslovakia. 1985, p.113-142.