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 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

:::;альность : 05.11.10 - приборы для измерения ионизирующих излучений V. рентгеновски:; ¡:р;:С ; .-

.'.::■.•• .. .¡глин на соискание ученэй степени кандидат.: .•.■:'•■,"•:•• 'кпх нгу в форме научного доклада

Научный руководитель доктор •гелвичесних на>.ч,

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 направленно науки - космические исследования. Значительная часть этих исследований связана с измерениями потоков заряженных частиц малых энергии (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 к 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 энергопитании, устойчивыми к воздействию радиации, глубоко: о вакуума и механичес к им воздействиям. Кроме того в аппаратуре находимо обеспечить избирательность регистрации электронов и ионе? малых энергий на фен*-интенсивных видимого и ультрафиолетового излучений Солнца. Выполнение всех этих требований при достижении высоких измерительных характеристик оказывается достаточно сложным.

Начиная с первых этапов исследований, препму¡.оственно использовалась аппаратура для измерений энергетических распределений электронов и протонов, основанная на селектирующих свойствах цилиндрических электростатических анализаторов. Зто су.:/-!":вс-нно ограничивал-, объем получаемых научных данных. Поэтому чрезвычайно важной задаче;:: этого направления космического приборостроении явилось расширенно 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 информации (измерение многопараметровых распределений) от одного прибора. На решение этой задачи и была направлена настоящая работа.

Работа была выполнена в СНИИПе в период времени с 1971 по 1992г.

Цель работы. Таким образом, целью работы явилось существенное повышение информативности аппаратуры для измерений потоков заряженных частиц малой энергии в космическом пространстве, т.е. увеличение числа параметров измеряемых потоков частиц и детальности представления результатов измерений.

Новизна работы состоит в использовании для построения аппаратуры нового вида детектирующих устройств - открытых электронных умно-\

жителей, создание на их основе позиционно-чувствительных детекторов с оптимизацией выполнения коллекторных устройств и электронных преобразователей координата - код, в создании видового анализатора со скрещенными электрическим и магнитным полями при малой массе магнита, в оптимизации выполнения фильтра скоростей ионов малых энергий, в создании широкоугольного двунаправленного энергоуглового анализатора, а также в построении аппаратно - программных систем обработки получаемых данных на борту космического аппарата.

Научная и практическая ценность работы. Научная ценность работы состоит в разработке методологии построения приборов для измерения потоков заряженных частиц малых энергий в космическом пространстве и выработке рекомендаций по оптимальному построению таких приборов.

Основная часть результатов настоящей работы по повышению информативности аппаратуры для измерения потоков заряженных частиц малой энергии была воплощена при разработке ряда конкретных приборов, которые либо были успешно использованы в исследованиях на ИСЗ и AMC, либо прошли предполетные испытания и подготавливаются к запуску в настоящее время. Результаты работы по системотехнике, схемотехнике, конструкторско-технологическке решения могут быть и далее применены

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 ч> и энергия Е - угол <р - угол л.). 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) у:;:г.ктель-дкскрик;:к&тор. Модули рассчитаны на сборку в па кет так, чтобы оси анализаторов были ориентированы в разных направлениях. Исследование- и стр^Оотка подобных устройств привели к созданию бё-ог.ух модуле;: с у:..ом поен зрения а = ±3° и р - »2°, энергетически!/. разрешение« ~7.5',. (для Е от ЗОэВ до ЮкэВ), чувствительностью ~1.5-10~4ср-см [1]. В качестве детектирующих элементов ис-пользоналксь 01 крытые у кн.- игсди типа ВЭУ-4, дискретность углов направленности анализаторов составляла "7,5°. Энергоугловые спектрометры компановались из нескольких базовых модулей, позволяющих при заданной сносгии Е спре-де.":л п угловые распределения, г 1~<р-спектр получать последовательным сканированием энергии отбора Ь ¡1,2].

Анализа-: не: с ПЧД Су...-.-■: ненно 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 электростатический анализатор, состоящий из нескольких секций с разным центральным углом (127° и менее) и, следовательно, с разной направленностью оси поля зрения.

Другой вариант проработанного Е-<р-спектрометра содержал тороидальный электростатический анализатор и полярный одномерный ПЧД с многосекторным коллектором. Были использованы электроды с поверхностями, образованными вращением двух концентрических дуг с радиусами R^ и R2 и центальным углом л/2. Такой анализатор в плоскости, перпендикулярной оси вращения образующих, имеет угол поля зрения 2л. Были выполнены расчеты характеристик такой системы (реакция устройства на пучок частиц различной ширины и направления)> и ее экспериментальные исследования, которые позволили получить значения углового разрешения для узкого и широкого пучка частиц [3,4]. Из этих данных было определено размытие пучка частиц, прошедших анализатор, по поверхности коллектора и оценено максимальное число секторов коллектора ПЧД.

Один из способов улучшения углового разрешения, реализованный нами в таких устройствах - введение перед входом анализатора протяженных диафрагм, состоящих из тонких пластин, направленных по оси зрения устройства. При этом, однако, неизбежно сужается область пропускания по углам и снижается геометрический фактор (чувствительность) устройства. Другой предложенный путь - выделение информации об угловом распределении обработкой бортовой микро-ЭВМ данных, полученных с разных секторов коллекторов ПЧД, основываясь на результатах рас~-четов или калибровки. В этом случае удается достичь существенно большего геометрического фактора.

Общий недостаток анализирующих систем с большим геометрическим фактором - высокая чувствительность к фоновому световому излучению - был в значительной мере устранен путем выполнения внутреннего

электрода отклоняющей системы в виде световой ловушки, составленной из набора тонких дисков разного диаметра [5]. Анализатор с ловушкой и диафрагмами был использован в приборах ЗУ-2, ЭУ-3 спектрометрического комплекса СКС-3, подготовленного для экспериментов по программе "Интербол"[6]. При размерах Н^=57мм, Н2=63мм, геометрический фактор составлял "6-10 ср-м, 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 2тг.

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 :•:•£.:•:;:« Обработка данных осуществляется на ЭВК несколько этапов. :/; рвом из них рас-четно или калибровкой опрсд-:>и .си соотношение :г,1ческих сигналов в коллекторах для всег-* возможных

..•:•::: ? :;рихода потоков частиц р и в и эти у. :• виде таблицы

:•••:::.'сятся в память ЭВМ. На втором этапе по :;'г;у:с ; ...тьм измерений ?>;ч;:сляются соотношения сигналов и по таблице : иг.' ся угль: на-

пр?плс>нности потока с коррекцией на абсолютную ориентацию космичес-' .: чпнарата Для разных конфигураций детектс; ;: -;;онены зоны

углов, при которых возможны подобные измерения, и проведена оценка точности определения углов прихода потока частиц ( ±0,5-1° и ±5-10° : в разных плоское: ях ) [7].

компактный прибор, реализующий этот с. ::;>?;;назна--

■■ •:;.;...: для исследования потоков частиц вбли:-;: :•-• ■ . л.и~оя, был выполнен в виде единого детектора с тремя коллекторами (81.

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

ниях габаритов и массы. Из всех рассмотренных различных вариантов построения такого устройства были выбраны структуры, основанные на комбинации тороидальной отклоняющей системы и полярного одномерного ПЧД. В базовом варианте предложенного и реализованного устройства перед входом электростатического анализатора была установлена дополнительная отклоняющая система, которая в зависимости от приложенного напряжения ид направляет на вход тора частицы, летящие относительно оси симметрии под некоторым углом [9]. Наиболее простой и в то же время эффективной оказалась дополнительная отклоняющая электростатическая система, электроды которой выполнены в виде коаксиальных поверхностей вращения, соосных с тором. Внутренний электрод представляет сплошную полусферу, а внешний - полусферу, изготовленную из металлической сетки, имеющей высокую позрачность для частиц.

Проведенные на ЭВМ расчеты траекторий движения частиц в поле дополнительных электродов позволили выбрать предпочтительную геометрию электродов и создать экспериментальный образец устройства =54мм, ИД2 =45мм, =21мм, =19мм). Его исследования показали, что удовлетворительная работа анализатора происходит в диапазоне углов от 0 до 67°. Для последнего значения угла эффективность регистрации падает почти в 40 раз, что связано с неидентичностью структуры сетчатого электрода и уменьшением его прозрачности с увеличением угла прихода частиц (для т5 > 67° электрод непрозрачен).

Эти недостатки были устранены в варианте анализатора с внешним электродом в виде усеченного конуса, образующая поверхность которого выполнена непрозрачной, а широкое основание, являясь входным окном системы, выполнено из плоской высокопрозрачной металлической сетки [10]. Исследования показали, что такая система позволяет регистрировать потоки с углами прихода в диапазоне углов я от 0 до 80° при снижении эффективности с увеличением угла в 100 раз. Этот

вариант анализатора использован в приборе ЭУ-1 спектрометрического комплекса СКА-1, используемого для экспериментов по программе "Интербол" [111. При размерах тора =19мм, =21мм и внутреннего

электрода Ид =46мм энергетическое разрешение "5%, угловое в плоскости сканирования 1,8-13° и перпендикулярной ей "3°, геометричес-— 7 ?

кий 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 0) п работе [12] был выполнен обзор методов анализа истоков исков по энергии и виду, оценены возможности этих методов, рассмотрены структуры и основные характеристики детектирующих устройств энерговидовых спектрометров. Значительные трудности выполнения аппаратуры длн ончунновидового анализа связаны с ограничением их габаритных размерен и, особенно, массы, поскольку большинство методов связано с использованием постоянных магнитов и необходимостью значительно ослабить действие видимого и. УФ-излучения Солнца ка детектирующий элемент.

Спектрометр с фильтром скоростей. Минимальными массой и размерами при хороших оелект',!рук;днх свойствах н- '/-иду обладает детектиру? • щее устройство, состоящее из цилиндрического электростатического отклоняющего анализатора, фильтра скоростей сс скрещенными машинным и электрическим полями и детектора (ВЭУ канального типа). Расчеты характеристик фильтра показали возможность селекции ионов НТ, Не^, Ге^, Ге^? Ге^"1 и группы Не^Т 0^ (составляющих потока

"солнечного ветра") по скорости с разрешением 0,52-0,055 в диапазоне скоростей 100-900км/с, а экспериментальная проверка, проведенная на фильтре длиной 40мм с ионами Не^, и (Ы^)^ подтвердила возможность создания детектирующего устройства указанной структуры [13]. Были проработаны технические решения, позволившие выполнить подобное устройство в виде компактного узла с детектором типа ВЭУ-4 [14].Конструкция устройства дала возможность выполнить спектрометр по модульному принципу, рассмотренному в гл.2, и при использовании нескольких узлов получать информацию об угле прихода ионов.

Подобное детектирующее устройство входило в -состав спектрометра СКС-03 [14]. В спектрометре СКС-04 два таких детектирующих устройства с селекцией вида ионов использовались наряду с тремя детектирующими модулями, проводившими угловые измерения [1,15]. Спектрометр был рассчитан на раздельную регистрацию ионов и Не^+ в диапазоне энергий 0,25 - 5кэВ; углы поля зрения во взаимно перпендикулярных плоскостях составляли ±3/4° и ±1° чувствительность ~19-10~"^ср-м^. Селективные измерения видовых составляющих выполнялись при одновременном сканировании 24-мя градациями напряжений на электродах анализатора и фильтра с помощью экономичных и точных программно-управляемых источников напряжения [2,16].

Спектрометр с отклоняющим магнитом. Использование детектирующих устройств с фильтром скоростей целесообразно при ограниченной видовой номенклатуре исследуемых ионов, повышенных требованиях к минимизации массы и размеров аппаратуры и при отсутствии необходимости в высоком пространственно-временном разрешении. В остальных случаях наиболее подходящими представляются спектрометры, основанные на комбинации цилиндрического электростатического отклоняющего анализатора (ЭА) и магнитного анализатора (МА) с использованием ПЧД илу нескольких отдельных детекторов [3]. При разности напряжений межд^ электродами ЭА иэд, анализатор проходят частицы с Е/0 = кэд-и3д и с

разбросом значений ±дЕ/2, опреде^емым геометрией ЭА. Далее ионы попадают в поле постоянного магнита, двигаясь в нем по траекториям с радиусом Нм пропорциональным величине (2т) •(Е/0) и попадают на

один из детекторов. При радиусе поворота протонов К^р, радиус ново-

1 /7

рота частиц с массой М и зарядом 0 составит И^р-Ш/О) . Чтобы каждый детектор регистрировал ионы определенного вида с характерным МЛ} независимо от энергии ионов, необходимо ионы перед входом в магнитное поле МА ускорять или замедлять до значения Е^, для чего

магнит располагается в электро-статическом экране, на который подается потенциал и^=С Е - Е^)/(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 Ем= 1кэВ регистрировать ионы, различающиеся по отношению МД> в ~9,3 раз ( н| и Го^ ) с Е/р до 2кэВ/отн.заряд. В качестве детектора использовался ВЭУ-6 с узкой ¡целевой диафрагмой; детектор был установлен на подвижную платформу с электроприводом, что позволило экспериментально исследовать устройство. Измерения выявили существенный статск - устройство очень критично к стабильности соотношения и и,, длч конкретной энергии ионов и непостоянству этого отношения для разных энергии. отклонение значений 1Ца и и,, от требуемых приводит к отклонен;:-, траекторий от расчетных и потере работ оепсе'ЛДДч:':,: '- ]

Для устранения этого недостатка было предложено выполнить анализатор, содержащий модуль Е-М-£2-отбора, настроенный на определенную фиксированную энергию (ЕА})у и ускорять или замедлять иоь> д их входом к '-тот модуль потенциалом 11^, [17] При такой структуре устройства онанирование по энергии требует изменения только на и^; напряжение на ЭА и^д^ кдД-(Е/0)у фиксировано. 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 ПЧД от регистрации протонов, было предложено регистрировать протонную составляющую отдельным канальным ВЭУ.

Характерным недостатком МА является уменьшение магнитной индукции в рабочем зазоре со временем ("старение магнита"), что существенно при длительных экспериментах в космосе. Для анализирующей системы с модулем Е-М-£}-отбора была предложена система стабилизации положения траекторий на выходе модуля путем корректировки напряжения иэд по результатам определения положения центра области прихода пучка ионов одного из видов, принятого за опорный ( или Не^+). Был предложен способ стабилизации, основанный на простом дискретном ПЧД на основе МКП, в котором ионы опорного вида регистрируются двумя коллекторными элементами в двух счетных каналах раздельно (п^ и п2), формируется величина (п1-п2)/(п1+П2), которая непосредственно воздействует на управляемый источник напряжения иЭд.

4. ПОСТРОЕНИЕ СПЕКТРОМЕТРОВ С ПОЗИЦИОННО-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМИ ДЕТЕКТОРАМИ НА ОСНОВЕ МКП Возможности практической реализации высокоинформативных детектирующих устройств, рассмотреных в гл.З и 4, в значительной мере связаны с созданием ПЧД. Кроме факта прохода частицы через анализатор, ПЧД позволяют получать информацию о положении траектории частицы на выходе анализатора (координаты их прихода на чувствительную поверхность детектора) и, таким образом, выполнять раздельную регистрацию потоков, сформированных анализатором. Значительная часть работы была связана с созданием ПЧД и устройств обработки его сигналов для использования в составе многомерных спектрометров.

МКП как базовый элемент ПЧД. В работе были выполнены исследования, позволившие создать новый вид детекторов - ВЭУ на основе МКП, пригодный для регистрации заряженных частиц малой энергии в аппаратуре для космических исследований, и использовать такой ВЭУ для со-

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 сортировка1 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 [И]. 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 устройства определялись коллекторные полосы, регистрирующие частицы с требуемым параметром отбора, которые затем объединялись в группы и образовывали коллекторные элементы. При отработке методики коллектор был выполнен из фольгированного стеклотекстолита и использовалась 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 зон регистрации частиц на входе ПЧД достаточно определенны ( зависят лишь от точности изготовления и сборки ) [ 3 ].

Одномерные полярные ПЧД были использованы в спектрометрах ЭУ-1, ЭУ-2 и ЭУ-3. В трехмерном спектрометре ЭУ-1 коллектор выполнен в 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 8 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, использованного 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 Вксокоинформативные детектирующие устройства выдают информацию о многомерном распределении потока частиц по Е, М, С, угловой направленности, временных вариациях потока. Значительный объем первичных данных от детекторов не может быть передан на Землю из-за ограниченней пропускной способности телеметрического канала связи Основной путь сокращения передаваемой информации - первичная обработка данных на борг/ космического аппарата (сжатие, определение параметров распределений, обобщенных характеристик потока ;:р ) Эта задача мо-ьот быть решена введением в состав спектрометр..» средств вычислительной техники - микропроцессоров и микро-ЭВМ Поскольку детектирующие устройства спектрометров заряженных частиц мал;;: энергии гуправления для изменения параметров отбор", ро"-;"":в 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 п- позволяет использовать универсальные микро-ЭВМ, выпускаемые промыссленнс-стью. К бортовей микро-ЭВМ в составе спектрометрического к'мплексс 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 глу бокого вакуума, отсутствием конвективного теплообмена ), механичес кой прочности, ограничений по массе и габаритам. Кроме того невоз можность использования устройств внешней памяти (дисковых и ленточ ных накопителей) и хранение всех программ в ПЗУ, принуждает миними зировать объем программного обеспечения.

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

Работа, проведенная в 1991-1992г. по совершенствованию характе ристик микро-ЭВМ и прогресс в элементной базе • позволили уменьшит потребление, массу и габариты микро-ЭВМ.

Таблица 1.

Характеристика Базовая Комплекс Комплекс Спектрометры

модель СКА-1 СКА-3 ССРГ,СЭМН,СЭМВ

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, мкс 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), выделен!!.-) 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 [ЗВ.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 аппаратов. В табл.2 перечислены эти спектрометры, указаны принципы построения детектирующих устройств, а также наименование космического аппарате на котором использовался тот или иной прибор.

Таблица 2.

Наименование прибора Наименование КА Год проведения эксперимента Принцип построения детектирующего 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

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

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

СКС-04/ДИ "Венера-11" "Венера-12" "Прогноз-7" 1978 то же (с двумя фильтрами скоростей

СКС-04/ДЭ 3 широкоугольных детектора с вычислением направления

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

СКА-1/ЭУ-1 проект "Интербол" 1993 Е-^-й-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 БИФРАМ [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 ВЗУ на основе МКП и возможности построения на их основе различных позиционно-чузствительных детекторов и предложены некоторые новые технические решения по выполнению таких детекторов;

- рассчитаны, в том числе с помощью специально подготовленных программ, траектории частиц в детектирующих ус тройствах 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 - временно:.; разрешении и приемлемых массогабаритных характеристиках достигается при выполнении спектрометра на основе многоканальной анализирующей

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

2. Значительное улучшение основных параметров энерговидового спектрометра достигается при использовании в качестве детектора многоканальной энерговидовой анализирующей системы позиционно -чувствительного детектора на основе микроканальных пластин. В частности, при таком построении спектрометра расширяется видовая номенклатура регистрируемых ионов, повышается видовое разрешение энерговидовых спектрометров, осуществляется стабилизация основных измерительных характеристик энерговидового спектрометра за счет стабилизации положения выходных траекторий ионов.

3. В экспериментах с ограниченной видовой номенклатурой исследуемых ионов, повышенными требованиями к минимизации массы и размеров аппаратуры и при отсутствии необходимости в высоком пространственно -временном разрешении целесообразно использовать для энерговидового анализа ионных потоков анализирующую систему, содержащую фильтр скоростей со скрещенными электрическим и магнитным полями и отклоняющий электростатический анализатор.

4. Максимальная информативность энергоуглового спектрометра ионов малых энергий при высоком пространственно - временном разрешении и приемлемых размерах и массе достигается при выполнении спектрометра на основе многоканальной анализирующей системы с параллельной регистрацией составляющих ионного потока в одной из плоскостей пространства, последовательным сканированием энергии отбора ионов и 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 КЗЛ'.тьШ ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ

1. Заисберг О.Л., Горн JI С . Климатов A.A. и др Спектрометр заряженных частиц малой энергии СКС-04. Вопросы атомной науки и техники. Сер.Ядерное приборостроение Вып.2(47). М. :СНШ1П, 1981,с.51-57

2. Захаров Д.С., Климатов А А Генератор постоянного двухполярного напряжения с программным управлением. Вопросы атомной науки и техники Сер.Ядерное приборостроение. Выл . 24 . M. : Атомиздат, 1974 ,с . 99-106

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

4 Антонекок В.С.,Захаров ^ С . Климашов A.A. и др. Энергоугловой анализатор заряженных частиц малой энергии. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приб-р о-рзение . Вып . 2. M :ЦНКИатомикформ,1985. с.17-21.

5. Климашов А.А.Дазанов 3.','. ,1дифрин A.B. Электростатический анализатор заряженных частиц малых энергий. А. с. 1202449. 1985.

6. Комплекс спектрометрической аппаратуры СКА-3 ("Сойка"). Поясни тельная записка к эскизному проекту. Per. N Ф19569. М.: СНИИП, 198

7. Застенкер Г.Н., Денин А.Б., .. Климатов A.A. и др. Интегральны 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 О.Л., .. Климашов A.A. и др. Прибор дл определения концентрации и конвекции кометной плазмы. Вопросы атом ной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.З. М.:ЦНИИ атоминформ, 1987, с.119-123.

9. Антоненок B.C., Вайсберг О.Л., .. Климашов A.A. и др. Многопара метровый спектрометр заряженных частиц малой энергии. Вопросы атом ной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение. Вып.2. М.-.ЦНИИ атоминформ, 1985, с.12-16.

10. Захаров Д.С., Климашов 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. Климашов A.A. Аппаратура для энерговидового анализа потоков ионов малых энергий ( Обзор ). Вопросы атомной науки и техники. Сер Ядерное приборостроение. Вып.З. М.:ЦНИИатоминформ, 1985, с.90-99.

13. Климашов 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. , Климашов 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 О.Л., Горн Л.С., .. Климашов A.A. и др. Эксперимент N 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 С57). 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 Л.С., Грунтман U.A., .. Климатов А А 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 Л.С., .. Климатов A.A. и др. Двумерный координатно - чувствительный детектор на основе микроканальных пластин. Препринт ИКИ АН СССР Пр-787. 1983.

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

21. Антропов А.И., Горн Л.С., Климатов A.A. и. др Математическое моделирование коллекторных систем позиционко- чувствительных детекторов на основе микроканальных пластин. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостроение . Вып .1 (53} " СНИИП,1983,с.83-91.

22. Захаров Д.С., Климатов-А.А. Преобразователь сигналов двумерного ПЧД на основе микроканальных пластин. Вопросы атомной науки и техники. Сер Ядерное приборостроение. Был 2 V • ННИИатоминформ, 1985, с.28-33.

23. Захаров Д С., Горн Л С. , Климатов А Л , ".-•■•ипоп В.И Двухкоор-динатный позиционно-чувствительный детектор. «. о. 1094457. 1984.

24. Вайсберг О.Л., Балебанов В.М. , .. Климатов A.A. и др. Логика работы плазменного комплекса на хвостовом зонде. IV Международный

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

25. Захаров Д.С., Климатов A.A., Хазанов Б.И., Черкашин И.И. Орг; низация работы микропроцессорной системы в режиме реально] времени. Вопросы атомной науки и техники. Сер. Ядерное приборостр< ение. Вып.З (41). М.: Атомиздат, 1979, с.64-70.

26. Хазанов Б.И., Захаров Д.С. , Климатов A.A. и др. Построение 6oj товых измерительных комплексов на базе специализированной экономи» ной микро-ЭВМ. III Международный семинар социалистических стрг "Научное космическое приборостроение". Тезисы докладов. Одесса: И! АН СССР, 1982, с.57-58.

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

28. Хазанов В.И., Захаров Д.С. , Климатов A.A. и др. Построение 6of товых измерительных комплексов на базе специализированной экономь ной микро-ЭВМ. Научное космическое приборостроение. Вып.с М.:Металлургия, 1984, с.11-18.

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

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

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

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

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

33. Горн Л.С., 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 В.С.,Захаров Д С ., Климашов А А ,Хазанов Б.И. Диагностирование приборов для радиационных измерений. М.: Энерго-атомиздат, 1991. 200 с.

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

40. Захаров Д.С., Климашов A.A., Хазанов Д.Б., 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 , Fu4s,V он al Complex of plasma spectrometers BIFRAM. In: Intershock Project.Edited by S.Fischer. Ondrejov, Czechoslovakia. 1985, p. 113-142.