Научный спектрометрический аппаратурный комплекс для мониторинга радиационной обстановки и космической погоды с борта космического аппарата

Мониторинг и изучение всплесков и вариаций потоков заряженных и нейтральных частиц представляет интерес не только с фундаментальной точки зрения, но и с прикладной, поскольку изменение физических условий в космическом пространстве оказывает непосредственное воздействие на технологические системы и людей, находящихся как в космосе, так и на Земле.
В докладе обсуждаются принципы построения, состав и структура научного спектрометрического аппаратурного комплекса (НСАК) «ЗИНА-НТ», предназначенного для регистрации в околоземном космическом пространстве высокоэнергичных заряженных и нейтральных частиц.
НСАК «ЗИНА-НТ» разрабатывается совместно Национальным исследовательским ядерным университетом «МИФИ» и Институтом физики им. Б. И. Степанова НАН Беларуси в рамках российско-белорусского сотрудничества по космической программе Союзного государства «Космос-НТ».
НСАК представляет собой комплекс, в состав которого входит детекторная система (ДС) и система сбора и обработки информации (ССОИ). Детекторная система состоит из многослойного сцинтилляционного детектора (МСД) и детектора нейтральных частиц (ДНЧ).
МСД состоит из пары верхних детекторов и сцинтилляционного калориметра (СК), собранного из восьми пластин на основе полистирола. В состав МСД также входят модули ФЭУ, блоки усилителей–формирователей, источники питания, автономные средства электрообогрева. Верхние детекторы состоят из четырех одинаковых параллельных полос. Каждая из полос верхних детекторов просматривается отдельным ФЭУ, а каждая пластина СК - двумя. Верхние детекторы используются в качестве пролетных (тонких) детекторов; при прохождении через них частица теряет энергию ∆E; СК используется в качестве детектора полного поглощения, где частица теряет всю свою оставшуюся энергию Е; энергия частиц определяется по суммарному энерговыделению в верхних детекторах и СК. Энергии регистрируемых МСД частиц находятся в диапазонах: 3-30 МэВ для электронов и позитронов и гамма-квантов; 30-100 МэВ для нейтронов; 40-110 МэВ/нуклон для протонов и ядер гелия. Апертура МСД - 80°. Величина геометрического фактора для МСД составляет величину G ~ 45 см2 ср. Угловая чувствительность МСД порядка 10°. Возможен режим работы в интенсивных потоках частиц с отключением части полос в верхних детекторах.
ДНЧ состоит из отдельного спектрометрического детектора на основе кристалла СsJ (Tl) диаметром 70 мм и толщиной 70 мм, помещенного в антисовпадательный пластиковый контейнер, просматриваемый тремя группами ФЭУ. Блок электроники ДНЧ включает в себя как тракт усиления и формирования логического управляющего сигнала, так и спектрометрический тракт для разделения нейтральных частиц друг от друга по форме импульса тока. Энергии регистрируемых гамма-квантов лежат в диапазоне 3-100 МэВ, нейтронов – в диапазоне 30-500 МэВ. В рабочем диапазоне энергий ДНЧ обеспечивает эффективность регистрации гамма-излучения не хуже 90%. Энергетическое разрешение для гамма-излучения 137Cs (0,662 МэВ) ~7-9%.
МСД и ДНЧ являются автономными и малогабаритными приборами (МСД обладает массой ~15 кг и энергопотреблением ~35 Вт, ДНЧ обладает массой 8 кг и энергопотреблением 15 Вт), что позволяет их устанавливать на борт космических аппаратов (КА) широкого класса (включая малые КА).
Относительное энергетическое разрешение НСАК составляет величину порядка 6–12% для нейтронов и гамма-квантов, 1,5–3,4% для протонов и ядер гелия, 6-7,8% для электронов.
ССОИ представляет собой моноблок и служит для приема, обработки, накопления и передачи в бортовой компьютер (КА) научной информации, получаемой с детекторной системы НСАК. Спектрометрический комплекс имеет собственные средства обеспечения терморегулирования, поддерживающие температуру на корпусах приборов в пределах от 0 ºС до 40 ºС при эксплуатации в условиях космического вакуума.