ИАФ НИЯУ МИФИ
Новости Института
Об Институте
Проекты
Коллектив института
 "КОРОНАС-Ф" 
Приборы комплекса научной аппаратуры
Амплитудно-временной спектрометр АВС-Ф
Национальный исследовательский ядерный университет "МИФИ" (НИЯУ МИФИ)
Научный руководитель: Ю.Д. Котов.
Разработчики: А.С. Гляненко, А.И. Архангельский, А.В. Павлов, И.В. Рубцов, В.Н. Юров.
Аппаратура АВС-Ф предназначена для изучения характеристик нестационарных потоков электромагнитного излучения в широком диапазоне энергий 3 кэВ-80 МэВ, источниками которого, в указанном диапазоне, являются, в основном, гамма-всплески и солнечные вспышки. Это дает возможность изучать процессы ускорения частиц, генерации наблюдаемого излучения, взаимодействия ускоренных частиц с окружающим веществом. Кроме того, задачей является изучение фоновых условий и имитационных явлений в магнитосфере Земли (например, высыпания частиц, имитирующие всплесковые события).
Аппаратура АВС-Ф обеспечивает решение следующих задач:
- определение минимального времени переменности гамма-излучения солнечных вспышек;
- исследование динамики ускорения заряженных частиц во время вспышки путем измерения последовательности энергетических спектров;
- исследование механизма ускорения и распространения ускоренных во вспышках частиц на основании регистрации линейчатого гамма-излучения (линии возбужденных ядер, захвата нейтронов, аннигиляции позитронов);
- исследование направленности гамма-излучения солнечных вспышек статистическим методом;
- исследование временных корреляций гамма-излучения солнечных вспышек с излучением в других диапазонах с высоким временным разрешением;
- определение направленности гамма-излучения по сопоставлению с данными других экспериментов;
- проведение прямой регистрации потоков нейтронов от Солнца на основании анализа формы сигнала в CsI(Tl) при энерговыделениях 4-80 МэВ;
- исследование потоков высокоэнергичного гамма-излучения (2-80 МэВ).
Основные характеристики и состав прибора
Аппаратура АВС-Ф обрабатывает сигналы, поступающие со сцинтилляционного детектора СОНГ и полупроводникового CdTe-детектора РПС-1, производящих регистрацию излучения в интересующем диапазоне. Кроме того, в АВС-Ф непосредственно присутствуют связи со многими другими устройствами, входящими в состав аппаратуры спутника "КОРОНАС-Ф".
Для регистрации космического гамма-излучения в АВС-Ф используется сцинтилляционный детектор СОНГ-Д комплекса научной аппаратуры СКЛ (разработчик НИИЯФ МГУ). Он представляет собой большой неорганический кристалл CsI(Tl) размерами D200х90 мм, просматриваемый ФЭУ. В блоке детектирования, вблизи ФЭУ также располагается предварительный усилитель. Для эффективной защиты от регистрации заряженных частиц используется антисовпадательный счётчик на основе органического сцинтиллятора, полностью окружающий кристалл CsI(Tl) и ФЭУ. Сигналы с неорганического сцинтиллятора СОНГ-Д непосредственно поступают на научную аппаратуру АВС-Ф. Сигналы с антисовпадательного защитного детектора поступают на блок электроники СОНГ-Э и оттуда, в уже сформированном виде, приходят на АВС-Ф.
Для более достоверной идентификации событий типа "Всплеск-Вспышка" используются также сигналы о выделении подобных событий на других приборах комплекса научной аппаратуры аппарата "КОРОНАС-Ф":
- собственно, в комплексе СКЛ (диапазон 20 кэВ-7 МэВ);
- на аппаратуре "Ирис" (диапазон 2-200 кэВ);
- на аппаратуре "Геликон" (от солнечного и антисолнечного детекторов; диапазон 10 кэВ-10 МэВ).
Логика работы АВС-Ф позволяет на основании различных комбинаций данных сигналов, а также реализации собственного критерия отбора событий получать запускающий ("мастер") сигнал о вспышечном событии.
Также АВС-Ф получает информацию от полупроводникового детектора РПС-1, выполненного на основе CdTe, площадью 0,5 см2. Данный прибор исследует излучения солнечных вспышек и их предвестников в диапазоне 3-30 кэВ. РПС-1 предназнчен для регистрации во вспышках линии железа 5,9 кэВ, уточнения нижней границы нетеплового излучения, исследования спектров предвестников событий во временном интервале "минуты-сутки". Рентгеновское излучение через входное окно поступает на теллурид-кадмиевый детектор, где преобразуется в электрический импульс, поступающий на вход зарядочувствительного усилителя (ЗЧУ). С выхода ЗЧУ сигнал экспоненциальной формы, пропорциональный энергии излучения, поступает в блок усилителя-формирователя импульсов. Здесь сигналы с ЗЧУ преобразуются в импульсы квазигауссовой формы. Усиленный и оптимизированный по отношению "сигнал/шум", выходной сигнал РПС передается на АВС-Ф.
Структурная организация АВС-Ф позволяет обеспечить различные режимы наблюдений:
Режим Фоновый Регистрация вспышки
Спектральные измерения
Детектор СОНГ-Д РПС-1 СОНГ-Д РПС-1
Энергетический диапазон 100 кэВ-8 МэВ 3-30 кэВ 100 кэВ-8 МэВ 3-30 кэВ
Число каналов (несжатых) 80 (512) 32 (512) 80 (512) 32 (512)
Число спектров непрерывно непрерывно 32 на вспышку 32 на вспышку
Временной анализ
Число энергетических каналов 4 4 1 (Eg>0,2 МэВ) 4
Число временных каналов - - 4096 -
Ширина канала, с 16 15 10-3 1

Аппаратура АВС-Ф обеспечивает:
- получение энергетических спектров фоновых потоков гамма-излучения (частота вывода спектра 1 раз в 16 секунд, число каналов амплитудного анализа после сжатия - 114; в т.ч. 32 канала - спектры с РПС; 82 канала - спектры с прибора СОНГ);
- выделение факта резкого роста интенсивности потока гамма-излучения с характерным временем 8-16 мс;
- регистрация профилей события типа "Вспышка" с временным разрешением порядка 1 мс по 4096 каналам;
- получение набора последовательных энергетических спектров (время набора не более 1 с, число каналов амплитудного анализа после сжатия - 114; в т.ч. 32 канала - спектры с РПС; 82 канала - спектры с СОНГ; 32 спектра на событие типа "Вспышка");
- получение набора последовательных двухмерных спектров энерговыделений с размером матрицы 64x64 элемента для регистрации потоков гамма-квантов и нейтронов высоких энергий (время набора 128 с);
- генерация сигнала "Вспышка" на основе анализа всех даных о "кандидатах в события" от приборов КНА "КОРОНАС-Ф";
- накопление и выдача на служебную телеметрическую систему (РТС) данных о загрузках детекторов в различных энергетических диапазонах в соответствии с таблицей:
Параметр Назначение параметра
ЕА1 Скорость счета гамма-квантов в диапазоне 0,1-8 МэВ
ЕА2 Скорость счета гамма-квантов в диапазоне 3-30 кэВ
NG1 Скорость счета гамма-квантов в диапазоне 4-80 МэВ
NG2 Скорость счета нейтронного канала
NF1 Скорость счета гамма-квантов с энергией более 50 кэВ
NF2 Скорость счета гамма-квантов с энергией более 100 кэВ
NF3 Скорость счета гамма-квантов с энергией более 200 кэВ
AS Скорость счета заряженных частиц
Научная аппаратура АВС-Ф выполнена на базе модульной системы электроники и включает в себя крейт электроники с источниками питания и набор функциональных модулей.
АВС-Ф
Блок-схема прибора АВС-Ф

Модуль КС-МП
Модуль является контоллером системы и предназначен для управления, сбора и обработки информации, а также приёма от ССНИ оцифрованной метки времени и передачи данных на ССНИ.
Вывод информации осуществляется на специализированную телеметрическую систему ССНИ, производящую обслуживание научных приборов по запросам от электронных систем экспериментов. Обмен данными осуществляется массивами по 960 бит по синхронному последовательному каналу. Кроме того, приборы принимают от ССНИ 32-разрядную оцифрованную метку времени со значением младшего разряда 1/1024 с. Микропроцессорный контроллер КС-МП386 обеспечивает сбор, накопление, первичную обработку информации, формирование выходных массивов данных, привязку информации к бортовому времени и вывод данных на систему ССНИ.
В КС-МП используются напряжения питания: +5 В, +12 В, -12 В; суммарная мощность не превышает 4,5 Вт.
Модуль АЦП-О
Модуль предназначен для работы в составе МСЭ совместно с детектором CsI(Tl). АЦП-О служит для разделения сигналов с детектора с целью получения данных о нейтронных потоках и потоках гамма-излучения путем сравнения количества света, соответствующего высветке в сцинтилляторе с более медленной постоянной высвечивания Tвысв и количества света, соответствующего полной высветке с начала события. Это связано с тем, что существует выраженная зависимость отношения интенсивности медленной компоненты высвечивания сцинтилляционой вспышки Lsl к интенсивности быстрой компоненты Lf от типа частиц: Lsl/Lf ~ ln(dE/dx),
где dE/dx - средняя удельная ионизация.
Отношение Lsl/Lf меняется от 1 (для релятивистских частиц) до 2,5 (для альфа-частиц с энергиями порядка 10 МэВ).
В задачу АЦП-О входят:
- выдача счётных импульсов, соответствующих полному количеству событий (n+g) и количеству событий, удовлетворяющих критериям отбора по соотношению Lsl/Lf (нейтроны);
выдача на шину данных МСЭ информации (8 бит) о состоянии интеграторов полного заряда и медленной компоненты, входящих в состав АЦП-О, которая соответствует количеству света, выделенному в интересующие промежутки времени;
- выявление наложений сигналов и организация сброса в этом случае;
- обмен служебными сигналами с МСЭ для общей организации работы АЦП-О;
- организация сброса рабочего цикла по сигналу о прохождении заряженной частицы.
В блоке используются напряжения питания: +5 В, +12 В, -12 В; суммарная мощность не превышает 1 Вт.
Модуль АЦП-2М
Модуль предназначен для работы в составе МСЭ совместно с CsI(Tl)-детектором и детектором на основе CdTe. Времена интегрирования заряда для двух различных каналов подбираются индивидуально и составляют 8-10 мкс для обеспечения максимального собирания зарядов с детекторов. (Кристалл CsI(Tl) высвечивает основную часть как быстрой, так и первой медленной компонент за время порядка 10 мкс; время интегрирования предусилителя детектора РПС-1 составляет 7-8 мкс).
В задачу АЦП-2М входят:
- выдача счётных импульсов, соответствующих полному количеству событий по каждому из двух каналов АЦП в случае, если нет запрета, с минимальным временем (для использования в последующих цифровых схемах выделения событий и вывода данных на телеметрию);
- выдача на шину данных МСЭ информации (8 бит) о состоянии интеграторов полного заряда и медленной компоненты, входящих в состав АЦП-2М, которая соответствует количеству света, выделенному в интересующие промежутки времени;
- выявление наложений сигналов и организация сброса в этом случае;
- обмен служебными сигналами с МСЭ для общей организации работы АЦП-2М;
- организация сброса рабочего цикла по сигналу о прохождении заряженной частицы.
В АЦП-2М используются напряжения питания: +5 В, +12 В, -12 В; суммарная мощность не превышает 1 Вт.
Модуль АЦП-2М
Модуль предназначен для работы в составе МСЭ совместно с детектором РПС-1. Модуль МД-М служит для формирования сигнала о попадании в объём детектора гамма-квантов с энергией, находящейся в определенном диапазоне (одном из трех: 5, 10 и 20 кэВ). Данные поступают на блоки интенсиметров БПН-4 для вывода на служебную телеметрическую систему (РТС). Структурно модуль МД-М построен как два самостоятельных устройства, каждое из которых состоит из входного усилителя, трёх дискриминаторов и формирователей по длительности, причем цепи запрета для каждого из устройств раздельны.
В блоке используются напряжения питания: +5 В, +12 В, -12 В; суммарная мощность не превышает 0,8 Вт.
Модуль БУА-Ф
Модуль предназначен для работы в составе МСЭ. В задачу блока входит организация различных режимов работы для ведомых устройств по командам задания режима с использованием дополнительной информации с других приборов. По результатам анализа набора запускающих и запрещающих сигналов, поступающих в БУА-Ф с других приборов, входящих в состав комплекса "КОРОНАС-Ф" и работающих совместно с АВС-Ф (ГЕЛИКОН, ИРИС, СОНГ, датчик "Свет/Тень"), вырабатывается собственный сигнал "Всплеск", необходимый для организации соответствующих режимов регистрации в приборе АВС-Ф.
Также через БУА-Ф передаются (без непосредственного использования) сигналы управления вторичными источниками питания АВС-Ф, а также контрольные аналоговые сигналы от блока вторичных источников питания на РТС. На основании состояний "сухих" контактов блока вторичных источников питания формируется набор контрольных цифровых признаков для передачи на РТС.
В БУА-Ф используются напряжения питания: +5 В и +5 В*; суммарная мощность не превышает 1 Вт.
Модуль БПН-4
Блок предназначен для получения информации о потоках входных сигналов в диапазоне частот до 2 МГц, преобразования результатов измерений в цифровой код и выдачи их на телеметрическую систему через гальваническую развязку. БПН-4 содержит 4 идентичных измерительных канала, каждый из которых позволяет измерять частоту следования входных сигналов с уровнями 0-15 В в диапазоне измеряемых частот.
Блок имеет гальваническую развязку по питанию; напряжения питания, используемые в блоке: +5 В (относительно приборного нуля) и +5 В* (относительно нуля телеметрии); суммарная мощность не превышает 0,55 Вт.
Модуль БРВ-3
Блок предназначен для измерения временных профилей гамма-всплесков с высоким временным разрешением. Основу БРВ-3 составляет ОЗУ емкостью 4096*8 разрядов на КМДП статических микросхем серии 537. Интервал накопления данных определяется внешней опорной частотой.
В блоке используется напряжение питания +5 В; суммарная мощность не превышает 0,075 Вт.
Модуль БВВ-3
Блок предназначен для выделения нестационарных событий. Принцип действия блока основан на усреднении значения фона за 128 интервалов накопления, составляющих цикл набора фона и использование в следующем цикле набора предыдущего среднего значения фона в качестве опорного. Признаком события является превышение в течение одного из интервалов накопления текущим значением опорного значения на некоторую величину (в данном случае - на 6 стандартных отклонений). Для задания интервала накопления используется внешняя опорная частота.
В блоке используется напряжение питания +5 В; суммарная мощность не превышает 0,6 Вт.
Технические характеристики
Габаритные размеры аппаратуры не превышают 275х400х190 мм
(без учета зон подключения разъёмов и выступающих реле).
Масса аппаратуры не превышает 12 кг.
Аппаратура нормально функционирует при подаче питания от сети постоянного тока 27+7-3 В.
Потребляемая мощность не превышает 22 Вт.
Ресурсы служебной телеметрической системы:
- аналоговых датчиков 4;
- цифровых каналов 9;
- квота ССНИ 32 Мбайт.
Управление осуществляется с помощью 10 команд.


Результаты экспериментов с аппаратурой АВС-Ф представлены в в сборнике статей "Солнечно-земная физика. Результаты экспериментов на спутнике “КОРОНАС-Ф”" под. ред. В.Д. Кузнецова / М.: Физматлит, 2009.
© ИАФ НИЯУ МИФИ
2002-2011 г.
© Оформление - de Vladi