В Лаборатории геокосмических исследований НИЯУ МИФИ был успешно создан прототип аппаратуры, предназначенной для регистрации высокоэнергетических электронов, которые высыпаются из внешнего радиационного пояса Земли и становятся причиной появления полярных сияний. Данный прибор будет интегрирован в космическую платформу CubeSat 3U, разработанную компанией ООО Геоскан. Подробности о проекте можно найти на сайте НИЯУ МИФИ.

Мониторинг околоземного пространства, отслеживание динамики радиационных поясов Земли и прогнозирование космической погоды — эти задачи сегодня решаются с помощью различных приборов, работающих на орбите, которые разрабатываются в разных странах. Однако команда специалистов Лаборатории геокосмических исследований НИЯУ МИФИ, состоящая из сотрудников, студентов и школьников, представила свою уникальную версию такого прибора. Учитывая, что устройство предназначено для компактного космического аппарата — кубсата, оно должно функционировать в условиях строгих ограничений по габаритам и энергопотреблению. Тем не менее, по ключевому параметру — энергетическому разрешению — уже сейчас достигнуты впечатляющие результаты.

В основе детектора лежит сцинтилляционный кристалл иодида цезия, активированный таллием (CsI(Tl)). Принцип его работы заключается в преобразовании энергии ионизирующего излучения в видимый свет. Когда гамма-квант или заряженная частица взаимодействует с кристаллом, она передает свою энергию электронам решетки. Атомы кристалла возбуждаются и, возвращаясь в основное состояние, испускают фотоны, создавая вспышку сцинтилляционного света. Интенсивность этой вспышки пропорциональна поглощенной энергии, что позволяет восстановить энергию падающего излучения.

Кристалл на основе иодида цезия считается одним из наиболее эффективных сцинтилляторов для регистрации гамма-излучения и заряженных частиц. Он обладает низкой чувствительностью к влажности и временем высвечивания в пределах 700–900 наносекунд. Это важно для приборов, работающих в условиях высокой нагрузки, так как слишком длительная вспышка могла бы ограничить скорость счёта и увеличить мёртвое время, что негативно сказалось бы на статистике.

Свет, излучаемый кристаллом, собирается кремниевыми фотоумножителями (SiPM), которые преобразуют фотоны в электрический сигнал. Ключевой задачей электроники является регистрация этого сигнала с минимальными потерями и шумами, так как количество собранных фотонов напрямую влияет на точность измерения энергии. Однако у CsI(Tl) имеется особенность, затрудняющая конструкцию: свет в кристалле распространяется так, что значительная часть фотонов отражается от боковых граней и выходит через ту грань, которая оптически связана с фотодетектором. Это означает, что если SiPM размещены неудачно, часть света теряется, что приводит к снижению энергетического разрешения.

В связи с этим команда проекта тщательно перебрала множество вариантов расположения SiPM. Необходимо было собрать максимум света от кристалла при минимальном количестве фотодетекторов, ведь каждый канал требует отдельной электроники, а место и потребление энергии в кубсате строго ограничены. Каждая конфигурация представляет собой компромисс между эффективностью светосбора, равномерностью отклика по объему кристалла и сложностью электроники. Например, варианты с SiPM по краям или в форме креста могут обеспечивать лучший светосбор при меньшем числе каналов, но требуют более сложной обработки сигналов. В то же время конфигурация 2×2 проще, но собирает меньше света.

После утверждения геометрии возникла новая трудность — SiPM требуют точного управления, так как вспышка света от поглощённого электрона в кристалле длится всего несколько наносекунд, и снять этот сигнал без потерь крайне сложно. В этой связи была разработана собственная аналоговая плата для считывания информации, которая обеспечила стабилизацию напряжения питания SiPM. Это очень важно, поскольку колебания температуры на орбите могут сдвигать напряжение пробоя и искажать измерения энергии. Кроме того, разработанная плата обеспечивает малошумящее усиление и сложение сигнала, чтобы полезный сигнал не терялся в шуме электроники.

Не менее актуальной задачей было быстрое получение сигналов от фронт-энд электроники и их обработка. Для этой цели была выбрана программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), которая выполняет функции вычислительного ядра платы считывания. Она преобразует слабые и быстрые сигналы с SiPM в научные данные. ПЛИС производит оцифровку и отбор сигналов, что критически важно для кубсата: объем памяти и канал передачи данных на Землю ограничены, и именно этот отбор определяет, какие данные будут переданы исследователям.

Проектирование платы осуществлялось с нуля, а её тестирование и доработка проводились сотрудниками лаборатории при активном участии молодых ребят, студентов и школьников, которые впервые познакомились с такими сложными электронными устройствами. Собранный прототип детектора с новой электроникой и оптимизированной геометрией был направлен на калибровочные испытания, результаты которых оказались многообещающими. Прибор способен не только фиксировать наличие электронов, но и определять их энергию, что имеет большое значение для различных научных задач, которые будут решаться в рамках реализации данной миссии.

Данный проект реализуется в рамках научно-образовательного проекта Space-Pi, который организован Фондом содействия инновациям при поддержке федерального проекта «Кадры для космоса».