Повідомлення про помилку

Warning: ini_set() [function.ini-set]: A session is active. You cannot change the session module's ini settings at this time in drupal_environment_initialize() (line 692 of /home/visnyk-nanu/www/includes/bootstrap.inc).

Вісник НАН України. 2017. № 11. С.53-64
https://doi.org/10.15407/visn2017.11.053

ДУДНИК Олексій Володимирович —
доктор фізико-математичних наук, провідний науковий співробітник відділу космічної радіофізики Радіоастрономічного інституту НАН України
ORCID: 0000-0002-5127-5843

СУПУТНИКОВИЙ ТЕЛЕСКОП ЕЛЕКТРОНІВ І ПРОТОНІВ СТЕП-Ф НАУКОВОГО КОСМІЧНОГО ПРОЕКТУ «КОРОНАС-ФОТОН»

Український супутниковий телескоп електронів і протонів СТЕП-Ф у 2009 р. здійснив науковий експеримент у космосі на борту низькоорбітального супутника «КОРОНАС-Фотон». У статті розглянуто передумови його створення, етапи розроблення, виготовлення і тестування габаритно-вагового, лабораторного, технологічного, льотного та запасного зразків приладу, а також комплектів контрольно-випробувальної апаратури до нього. Наведено принципи роботи, конструкцію, технічні та наукові характеристики приладу; етапи його настройки, градуювання і здійснення автономних, стикувальних, комплексних, передстартових та льотних випробувань. Наукові результати, отримані з приладу СТЕП-Ф у період глибокого мінімуму сонячної активності, дозволили встановити нові особливості в розподілах високоенергетичних заряджених частинок у радіаційних поясах Землі, в зоні Бразильської магнітної аномалії та поза їх межами.
Ключові слова: магнітосфера Землі, супутниковий прилад, сцинтиляційний детектор, кремнієва матриця, заряджені частинки, радіаційний пояс, сонячна активність, Бразильська магнітна аномалія.

У 2005–2009 рр. на замовлення Національного космічного агентства України (нині — Державне космічне агентство України) було розроблено спектрометр-телескоп заряджених частинок високих енергій СТЕП-Ф з метою вивчення поведінки космічної радіації високої енергії на супутникових висотах. Харківський національний університет ім. В.Н. Каразіна разом із Науково-дослідним інститутом радіотехнічних вимірювань (НДІРВ), Інститутом сцинтиляційних матеріалів (ІСМА) і Науково-дослідним інститутом мікроприладів НТК «Інститут монокристалів» НАН України виконали проектування, розроблення робочої конструкторської та експлуатаційної документації, виготовили і провели автономні, стикувальні, комплексні, передстартові та льотні випробування приладу СТЕП-Ф на підприємствах ракетно-космічної галузі і в наукових організаціях України і Росії та на борту низькоорбітального космічного апарата «КОРОНАС-Фотон».

Поштовхом для розроблення космічного приладу зі значними геометричним фактором і чутливістю до реєстрації надслабких потоків частинок було схвалення його концепції та включення до складу наукової апаратури українського супутникового проекту з пошуку провісників сейсмічної активності «Попередження». Виконавши низку робіт з ескізного проектування, наприкінці 1990-х років вдалося побудувати концепцію приладу, сформувати колектив науковців і інженерів, визначити організації — розробники детекторів, механічних вузлів та електронних модулів з максимальним використанням сенсорів, радіокомпонентів та інших складових вітчизняного виробництва.

Ініціаторам створення приладу СТЕП вдалося зацікавити фахівців Національного агентства з розвитку космічних досліджень Японії NASDA (зараз — Японське аерокосмічне агентство JAXA), і вони, за посередництва Українського науково-технологічного центру (УНТЦ), підтримали цей проект, надавши розробникам регулярний грант № 1578, фінансований урядом Японії.

Згодом стало очевидно, що з ряду причин супутниковий проект «Попередження» реалізувати не вдасться. Тоді, з огляду на значний доробок і великий обсяг уже виконаних робіт з розроблення приладу, за ініціативою харківських учених концепцію приладу було представлено керівництву проекту зі створення комплексу наукової апаратури «Фотон» наукового космічного проекту «КОРОНАС-Фотон» і після детального розгляду концепцію було схвалено. Український прилад включили до складу наукової апаратури, яку розробляли спеціалісти Росії, Польщі та Індії для вивчення жорсткого випромінювання Сонця, сонячно-земних взаємозв’язків; для моніторингу потоків електронів, протонів і α-частинок високих енергій у радіаційних поясах Землі та поза ними в періоди сонячної та геомагнітної активності; для вивчення динаміки сонячних космічних променів і просторово-часових розподілів частинок високих енергій на орбітальних висотах.

Наприкінці січня 2009 р. з північного космодрому «Плесецьк» українська ракета-носій «Циклон-3» вивела супутник «КОРОНАС-Фотон» на колову орбіту висотою близько 550 км і нахилом 84°. Прилад СТЕП-Ф працював у моніторинговому режимі впродовж усього періоду активного функціонування космічного апарата — до грудня 2009 р. і зібрав інформацію про динаміку потоків частинок у магнітосфері Землі і поза її межами в рік аномально низької сонячної активності.

Принцип роботи, технічні ідеї і конструкція приладу СТЕП-Ф

Прилад СТЕП-Ф складався з двох блоків: блока детектування СТЕП-ФД, розміщеного ззовні космічного апарата, і блока електроніки СТЕП-ФЕ, встановленого всередині герметичного відсіку з аргонно-повітряною сумішшю під атмосферним тиском. Основу блока детектування становила детекторна головка з сенсорами вітчизняного виробництва — позиційно-чутливими кремнієвими матричними і сцинтиляційними детекторами заряджених частинок (рис. 1). Ледь помітні сигнали від детекторів уловлювали 69 підсилювачів, які формували однакові за формою і тривалістю імпульси для подальшої обробки у цифровому вигляді блоком електроніки СТЕП-ФЕ. Апаратура цифрової обробки виконувала функції з визначення сортів і енергій частинок за класичною в ядерній фізиці ∆ЕЕ-методикою (Е — енергія зарядженої частинки). Як «тонкий» пролітний детектор, що формує імпульс, пропорційний ∆Е, було задіяно верхню кремнієву матрицю. Роль «товстого» детектора повного поглинання, тобто такого, що поглинає решту енергії частинки і формує імпульс, пропорційний енергії частинки Е, виконував шар з 4 однакових сцинтиляційних детекторів з монокристалів CsI(Tl) і кремнієвих фотодіодів з активною площею 100 мм2 (10⨯10 мм) кожний.

Інформаційні масиви з науковими даними формувалися з періодичністю 30 с і містили дані про потоки, сорти і кути надходження частинок з мінімальною часовою роздільною здатністю 2 с. Керування приладом у польоті відбувалося за допомогою функціональних команд, які фахівці харківської лабораторії формували щодня на основі експрес-аналізу працездатності приладу. Команди в узгодженому заздалегідь і перевіреному на надійність форматі через ftp-протокол передавали до головної організації з комплексу наукової апаратури «Фотон» — Інституту астрофізики Московського інженерно-фізичного інституту (ІАФ МІФІ).

Повний текст