Разработка научной аппаратуры для ядерно-физических космических экспериментов

Все результаты диссертации были получены в ответ на практические запросы и требования в ходе разработки современных космических приборов, причем многие предложенные решения не имеют зарубежных аналогов и были предложены впервые. Они имеют большую научную и практическую ценность, так как позволили создать новые космические приборы для проведения важных приоритетных исследований Луны, Марса, Фобоса и Меркурия.

На основе обработки данных измерений аппаратурой БТН-М1 на МКС (рис. 1.1) была построена карта нейтронной компоненты радиационного фона в географических координатах на высотах орбит станции, было подробно измерено возрастание фона в области Южной Магнитной Аномалии (рис. 1.2).

БТН — в полете!

Сегодня, 26-го февраля 2007 г., российский прибор БТН начал работать на борту Международной Космической Станции.

Создан межпланетный экспериментальный комплекс ХЕНД (Марс) — БТН (Земля).

Рис. 1.1. Эксперимент БТН-Нейтрон на российском сегменте Международной космическом станции.

Counts/Sec.

70.45 674.30 1278.15 1882.00 2485.85.

Рис 1.2. Карта нейтронной компоненты радиационного фона в географических координатах на орбите МКС.

Данные измерений нейтронного телескопа ЛЕНД на борту ЛРО (рис. 1.3) позволили проверить предположение о наличии залежей водяного льда в кратераххолодных ловушках на лунных полюсах. Этот прибор также позволит измерить радиационный фон на окололунной орбите. Очевидно, что оба результата прибора ЛЕНД будут иметь важное значение для формирования будущей программы освоения Луны.

Рис. 1.3. Космический аппарат ЛРО с российским прибором ЛЕНД на борту.

Спектрометры нейтронов и гамма-лучей ХЕНД-НС и МГНС позволят исследовать ядерный состав вещества на спутнике Марса Фобосе и на Меркурии. Известно, что основной задачей проекта «Фобос-грунт» (рис. 1.4) является доставка на Землю образцов грунта Фобоса, поэтому измерение прибором ХЕНД НС состава грунта на глубине до 1 метра непосредственно в районе посадки спускаемого аппарата будет иметь важное значение для сравнительного анализа образцов доставленного вещества и вещества непосредственно под поверхностью небесного тела. До прибытия к Меркурию аппарата.

БепиКоломбо" в 2019 году (рис. 1.5) измерения ядерного излучения с поверхности этой планеты будет выполнено исследовательским аппаратом НАСА «Мессерджер», однако свойства орбиты этого аппарата не позволят детально исследовать южное полушарие планеты. Орбита аппарата «Бепиколомбо» позволит выполнить глобальный обзор состава поверхности всего Меркурия на основе обработки данных измерений нейтронов и гамма-лучей прибором МГНС.

Рис. 14. Российский автоматический аппарата «Фобос-грунт».

Рис 1.5, Европейский межпланетный аппарат «Б еп и Коломбо» с российским прибором МГНС на борту.

Прибор ДАН на борту американского марсохода МНЛ (рис. 1.6) позволит впервые в космических исследованиях провести исследование вещества другого небесного тела методом нейтронного каротажа. В состав этой аппаратуры входит импульсный нейтронный генератор, который должен облучать поверхность грунта под колесами марсохода импульсами нейтронов с энергиями 14 МэВ с продолжительностью около 2 мкс. Эти нейтроны будут замедляться в грунте и высвечиваться с поверхности за время порядка 1 мс, причем интенсивность и продолжительность этого высвечивания будут зависеть от содержания в веществе грунта водорода. Поскольку основной интерес в программе исследований МНЛ представляют районы с высоким содержанием в грунте воды, результаты измерений прибора ДАН будут непосредственно использоваться для поиска и локализации наиболее интересных для исследований районов на поверхности Марса.

Рис. 1.6. Исследовательский марсоход НАСА MHJ1 с российским прибором ДАН на борту.

Результаты, представленные в диссертации, прошли достаточно детальную апробацию. Эти результаты 7 раз докладывались на совещаниях с привлечением независимых отечественных и зарубежных экспертов, посвященных защите эскизных проектов аппаратуры для экспериментов БТН-Нейтрон на МКС, ЛЕНД на ЛРО, ДАН на МНЛ и МГНС на БепиКоломбо. Во всех этих совещаниях автор представленной работы самостоятельно обосновывал конструктивные решения разработанных узлов аппаратуры, демонстрировал результаты наземных отработок и испытаний образцов приборов. По итогам этих совещаний были сделаны выводы о высоком качестве разработки космической аппаратуры и о ее готовности к установке на борт космических аппаратов. Результаты исследований околоземного космического пространства прибором БТН-М1 докладывались на конференции по научной программе исследований на МКС (ноябрь 2007 года, г. Королёв). Результаты разработки приборов ЛЕНД ХЕНД-НС, МГНС и ДАН докладывались на международных рабочих совещаниях по проектам «Марс Одиссей», «Лунный разведывательный орбитер», «Марсианская научная лаборатория» в, 2004 — 2009 гг., на конференциях молодых специалистов ИКИ РАН, они были* опубликованы в реферируемых научных журналах. Эти результаты опубликованы в следующих статьях и докладах на научных конференциях:

— Мокроусов М. И., Митрофанов И. Г. и др. «Разработка, создание и летные испытания аппаратуры БТН-М1 для проведения космического эксперимента „БТН-Нейтрон“ на борту МКС». 7-я Международная научно-практическая конференция «Пилотируемые полеты в космос». 14−15 ноября 2007 г., Звездный городок.

— I. G. Mitrofanov, A. Bartels, Y. I. Bobrovnitsky, W. Boynton, G. Chin, H. Enos, L. Evans, S. Floyd, J. Garvin, rD. V. Golovin, A. S. Grebennikov, K. Harshman, L. L. Kazakov, J. Keller, A. A. Konovalov, A. S. Kozyrev, A. R. Krylov, M. L. Litvak, A. V. Malakhov, T. McClanahan, G. M. Milikh, M. I. Mokrousov, S. Ponomareva, R. Z. Sagdeev, A. B. Sanin, V. V. Shevchenko, V. N. Shvetsov, R. Starr, G. N. Timoshenko, T. M. Tomilina, V. I. Tretyakov, J. Trombka, V. S. Troshin, V. N. Uvarov, A. B. Varennikov and A. A. Vostrukhin «Lunar Exploration Neutron Detector for NASA Lunar Reconnaissance Orbiter», Space Science Review, December 2009 0038−6308 (Print) 1572−9672 (Online). doi:10.1007/sl 1214−009−9608−4.

— Третьяков В. И., Митрофанов И. Г., Мокроусов М. И. и др. «Космический эксперимент „БТН-Нейтрон“ на борту служебного модуля „Звезда“ Международной космической станции». 7-я Международная научно-практическая конференция «Пилотируемые полеты в космос». 14−15 ноября 2007 г., Звездный городок.

— M.L. Litvak, I.G. Mitrofanov, Yu.N. Barmakov, A. Behar, A. Bitulev, Yu. Bobrovnitsky, E.P. Bogolubov, W.V. Boynton, S.I. Bragin, S. Churin, A.S. Grebennikov, A. Konovalov, A.S. Kozyrev, I.G. Kurdumov, A. Krylov, Yu.P. Kuznetsov, A.V. Malakhov, M.I. Mokrousov, V.I. Ryzhkov, A.B. Sanin, V.N. Shvetsov, G.A. Smirnov, S. Sholeninov, G.N. Timoshenko, T.M. Tomilina, D.V. Tuvakin, V.I. Tretyakov, V.S. Troshin, V.N. Uvarov, A. Varenikov, A. Vostrukhin «The Dynamic Albedo of Neutrons (DAN) Experiment for NASA’s 2009 Mars Science Laboratory», Astrobiology. June 2008, 8(3): 605−612. doi:10.1089/ast.2007.0157.

— Litvak, M. L.- Kozyrev, A. S.- Malakhov, A. V.- Mitrofanov, I. G.- Mokrousov,.

M. I.- Sarin, А. В.- Tretyakov, V.- Vostrukhin, A. «Monitoring of Abundance and Depth Distribution of Water Along the Path of MSL Rover with DAN Instrument». Seventh, International Conference on Mars, held July 9−13, 2007 in Pasadena, California, LPI Contribution No. 1353, p.3101.

— Третьяков, В.И., Мокроусов М. И. и др. «Перспективные приборы для ядерной планетологии», в Сб. «Космическое приборостроение: Координатно-временные системы с использованием космических технологий и приборы для космических исследований планет и Земли» под редакцией Р. Р. Назирова, стр. 298 — 310, 2007.

— Мокроусов М. И., «Унифицированное процессорное ядро для космических комплексов», ИКИ РАН, 2002.

— Sanin, A.- Boynton, W.- Evans, L.- Harshman, К.- Kozyrev, A.- Litvak, M.- Malakhov, A.- Milikh, G.- Mitrofanov, I.- Mokrousov, M.- Sagdeev, R.- Shevchenko, V.- Schvetsov, V.- Starr, R.- Trombka, J.- Vostrukhin, A. «Lunar Exploration Neutron Detector (LEND)' for NASA Lunar Reconnaissance Orbiter». 38th Lunar and Planetary Science Conference, (Lunar and Planetary Science XXXVIII), held March 12−16, 2007 in League City, Texas. LPI Contribution No. 1338, p.1648.

— I.G. Mitrofanov, A.B. Sanin, D.V. Golovin, M.L. Litvak, A.A. Konovalov, A.S. Kozyrev, A.V. Malakhov, M.I. Mokrousov, V.I. Tretyakov, V.S. Troshin, V.N. Uvarov, A.B. Varenikov, A.A. Vostrukhin, V.V. Shevchenko, V.N. Shvetsov, A.R. Krylov, G.N. Timoshenko, Y.I. Bobrovnitsky, T.M. Tomilina, A.S. Grebennikov, L.L. Kazakov, R.Z. Sagdeev, G.N. Milikh, A. Bartels, G. Chin, S. Floyd, J. Garvin, J. Keller, T. McClanahan, J. Trombka, W. Boynton, K. Harshman, R. Starr, L. Evans. «Experiment L END of NASA Lunnar Reconnaissance Orbiter for high resolution mapping of neutron emission of the Moon», Astrobiology, August 2008, 8(4): 793−804. doi:10.1089/ast.2007.0158.

— I. Mitrofanov, M. Litvak, V. Tretyakov, M. Mokrousov, A. Malakhov and A. Vostrukhin «Neutron components of radiation environment in the near-Earth and near-Mars space», Planetary and Space Science Volume 57, Issues 14−15, December 2009, Pages 19 931 995, doi:10.1016/j.pss.2009.08.005.

— Litvak, M. L.- Kozyrev, A. S.- Malakhov, A. V.- Mitrofanov, I. G.- Mokrousov, M. I.- Sanin, А. В.- Tretyakov, V. I.- Vostrukhin, A. «Dynamic Albedo of Neutrons Instrument Onboard MSL Mission: Selection of Landing Site from HEND/Odyssey Data». 38th.

Lunar and Planetary Science Conference, (Lunar and Planetary Science XXXVIII) — held March 12−16, 2007 in League City, Texas. LPI Contribution No. 1338, p.1554.

— I.G. Mitrofanov, A.S. Kozyrev, A. Konovalov, M.L. Litvak, A.V. Malakhov, M.I. Mokrousov, A.B. Sanin, V.I. Tret’ykov, A.A. Vostrukhin, Yu.I. Bobrovnitskij, T.M. Tomilina, L. Gurvits and A. Owens «The Mercury Gamma and Neutron Spectrometer (MGNS) on board the Planetary Orbiter of the BepiColombo mission», Planetary and Space Science, принято в печать, doi:10.1016/j.pss.2009.01.005.

Диссертационная работа содержит 9 глав, 178 стр. текста, 61 рисунок и 38 таблиц. Список цитируемой литературы содержит 65 наименований.

В Главе 2 диссертационной работы представлен обзор современных исследований небесных тел и планет Солнечной системы с использованием методов ядерной физики. В.-разделе 2.1 изложены основные результаты изучения гамма-излучения и нейтронного потока от поверхности Луны с борта лунного орбитального аппарата «Лунар Проспектор». Показано, что полученные в рамках этого проекта данные измерений позволили построить глобальные карты распространенности в лунной реголите таких, основных породообразующих элементов как Fe и Ti, и также радиоактивных изотопов К и Th [3]. Оказалось, что средняя концентрация водорода в лунном реголите значительно повышается в районах лунных полюсов [42]. С учетом этого обстоятельства и также данных радиолокации [43] было сделано предположение, что на дне постоянно затененных лунных полярных кратеров могут находиться залежи водяного льда, вследствие чего, в окрестности лунных полюсов наблюдается значительное уменьшение среднего потока с поверхности над-тепловых и быстрых нейтронов [44]. В разделе 2.2 представлены результаты изучения нейтронного и гамма-излучения с поверхности Марса комплексом научной аппаратуры ГРС на борту межпланетного аппарата НАСА «Марс Одиссей» [5]. Этот комплекс аппаратуры включает полупроводниковый гаммаспектрометр из высокочистого германия ГРС, нейтронный спектрометр НС и российский детектор нейтронов высоких энергий ХЕНД, который был разработан и изготовлен в лаборатории космической гамма-спектроскопии при непосредственном участии автора данной диссертационной работы. Измерения потока ядерного излучения от Марса с борта космического аппарата «Марс Одиссей» были начаты в октябре 2001 года и успешно продолжаются в настоящее время. За это время было установлено, что в районах Марса на севере и юге выше 60° широты вещество поверхности представляет собой вечную мерзлоту, содержание водяного льда в которой составляет 20 — 50% по массе. Этот результат существенно изменил представления о Марсе, как о сухой планете и определил задачи последующих проектов по ее изучению. В разделе 2.3 представлены основные задачи будущих исследований Луны, Марса и других тел солнечной системы с использованием методов ядерной физики, которые были сформулированы на основе полученных ранее научных результатов. Эти задачи определили требования к разрабатываемой в настоящее время научной аппаратуре (см. Раздел 2.4), научная основа разработки которой представлена в данной диссертационной работе. Наконец, вразделе 2.5 обсуждаются дальнейшие перспективы" развития научного космического приборостроения для ядерно-физических исследований Луны и других небесных тел в солнечной системе.

В Главе 3 обсуждаются основные принципы создания современной ядерно-физической аппаратуры для планетных исследований. В разделах 3.1 и 3.2 приведены описание и критерии выбора детекторов" нейтронного и гамма-излучения, которые в наибольшей степени подходят для использования в космических ядерных приборах. В разделе 3.3 обсуждаются приборы, реализующие метод нейтрон-активационного анализа состава поверхности небесного тела, когда происходит облучение вещества мощным импульсным потоком нейтронов высоких энергий, и измеряется эффект послесвечения во вторичных гамма-лучах и нейтронах. В разделе 3.4 представлена типовая блок схема и перечислены основные узлы современного космического ядерно-физического прибора. Показано соответствие между устройством прибора и основными научными и функциональными требованиями к его разработке. В заключительном разделе 3.5 сформулированы основные задачи представленного диссертационного исследования, решение которых позволило создать научно-техническую основу для разработки новых космических приборов.

В Главе 4 представлена научная основа разработки комплекса ядерной научной аппаратуры БТН-М1 для Российского сегмента Международной космической станции. В разделе 4.1 приведены основные научные задачи первого этапа космического эксперимента «БТН-Нейтрон» с аппаратурой БТН-М1, а в разделе 4.2 сформулированы основные требования для создания этой аппаратуры. В разделе 4.3 обосновано использование микроконтроллера для электронного интерфейсного блока БТН-МЭ и рассмотрены варианты его реализации. В разделе 4.4 представлено описание и структура бортового программного обеспечения для этого интерфейсного блока. В разделе 4.5 обсуждаются возможности дальнейшего использования аппаратуры БТН-МЭ для обеспечения следующих этапов космического эксперимента «БТН-Нейтрон» на борту МКС. В разделе 4.6 представлены основные выводы по материалу, изложенному в Главе 4.

В Главе 5 представлена научная основа разработки нейтронного телескопа ЛЕНД для лунного исследовательского аппарата НАСА ЛРО. В разделе 5.1 изложены основные задачи и исходные требования к разработке нейтронного телескопа ЛЕНД для картографирования распространенности водорода в веществе лунной поверхности. В разделе 5.2 описана концепция устройства прибора ЛЕНД, представлено описание его блок-схемы и основных узлов. В разделе 5.3 обоснована программа наземной отработки и испытаний прибора ЛЕНД, показано его соответствие основным требованиям и задачам. В разделе 5.4 изложены основные выводы по материалу Главы 5.

В Главе 6 представлена научная основа разработки двух новых аналогичных приборов для спектроскопии нейтронного и гамма-излучения поверхности спутника Марса Фобос (нейтронный и гамма-спектрометр ХЕНД-НС) и поверхности Меркурия (Меркурианский гамма и нейтронный спектрометр МГНС). В разделах 6.1 и.

6.2 представлены научная концепция и основные задачи космических экспериментов с этими приборами. В разделе 6.3 изложена о сновная схема и описаны основные узлы приборов с учетом обеспечения выполнения основных требований к научным экспериментам ХЕНД НС и МГНС. В разделе 6.4 приведены результаты испытаний и наземных отработок прибора ХЕНД НС, которые подтверждают правильность выбранных конструктивных решений. В разделе 6.5 представлены основные выводы по материалу Главы 6.

Глава 7 посвящена описанию научных основ разработки" нового научного прибора ДАН для нейтрон-активационного анализа содержания водорода в веществе поверхности Марса с борта марсохода НАСА Марсианская научная лаборатория. В разделе 7.1 описано устройство аппаратуры ДАН, ее основных блоков и узлов. В разделе 7.2 изложена концепция разработки блока детектирования и электроники ДАН, и в разделе.

7.3 представлены результаты наземных испытаний и отработок изготовленной аппаратуры. Раздел 7.4 содержит основные выводы по материалу Главы 7.

В Главе 8 рассмотрены основные проблемы радиационной стойкости космических приборов созданных в рамках диссертационного исследования, а так же методы их решения. Так в разделе 8.1 приводятся классификация радиационных воздействий на электронные компоненты, а так же разновидности отказов космической аппаратуры, вызванных радиационным воздействием. Раздел 8.2 посвящен методам обеспечения необходимой радиационной стойкости разрабатываемой аппаратуры.

В заключении (Глава 9) диссертационной работы приведены основные выводы выполненного исследования и представлены результаты, выносимые на защиту:

1) Разработана концепция научного эксперимента «БТН-Нейтрон» на борту МКС в условиях доставки и размещения на борту станции новой аппаратуры БТН-М1, включающей в свой состав готовый летный образец прибора ХЕНДобоснована целесообразность создания интерфейсного электронного блока этой аппаратуры на базе микроконтроллера со специализированным программным обеспечением и с возможностью последующего расширения состава научной аппаратуры на последующих этапах экспериментана этой основе создан комплект летной аппаратуры БТН-М1, который успешно прошел летные испытания в условиях космического полета на борту МКС.

2) Разработана концепция нейтронного телескопа с многомодульным узлом детектирования и использованием технологии ПЛИС для логически-цифрового узла приборана этой основе создан, испытан и установлен на борт космического аппарата летный образец телескопа ЛЕНД для лунного исследовательского аппарата НАСА «Лунный разведывательный орбитер», который успешно работает в настоящее время на окололунной орбите.

3) Разработана концепция моноблочного нейтронного и гамма-спектрометра с единым логически-цифровым узлом на основе ПЛИС для межпланетных автоматических аппаратовна этой основе создан и успешно испытан летный образец прибора ХЕНД НС для российского межпланетного аппарата «Фобос-грунт».

4) Разработана концепция построения научной космической аппаратуры ДАН для нейтрон-активационного анализа вещества другой планеты с борта спускаемого аппаратана этой основе создан блок детектирования и электроники аппаратуры ДАН-ДЭ, который совместно с блоком нейтронного генератора ДАН-ИНГ прошел полный цикл автономных и комплексных испытаний в составе марсохода «Марсианская научная лаборатория».

ГЛАВА 2. Современные космические исследования планет и небесных тел на основе методов ядерной физики.

8.4 Выводы.

Все схемотехнические решения, разработанные автором данной диссертационной работы, были основаны на применении только радиационно-стойких электронных компонентов. Применением только радиационно-стойких компонентов было обеспечено полное соответствие приборов исходным требованиям по всем пунктам радиационной стойкости. Так же был проведен анализ по выявлению критических точек однократных радиационных эффектов и было доказано, что никакой из радиационных эффектов за все время эксплуатации не приведет к критическому отказу аппаратуры, а может привести только к незначительным потерям научной информации.

ГЛАВА 9. Выводы и заключение.

В данной диссертационной работе представлены результаты, полученные в. ходе реализации конкретных научных космических проектов по исследованиям околоземного космического пространства, Луны и Марса методами ядерной физики. Все результаты диссертации были получены в ответ на практические запросы и требования в ходе разработки современных космических приборов, причем многие найденные решения не имеют зарубежных аналогов и были предложены впервые. Они имеют большую научную и практическую ценность, так как позволили создать новые космические приборы для проведения важных приоритетных исследований Луны, Марса, Фобоса и Меркурия. Полученные в ходе диссертационной работы результаты и выполненная на их основе разработка научной’аппаратуры определяют современный уровень развития космической науки в области ядерной планетологии.

На основе выполненных в ходе подготовки’диссертации исследований был создан космический научный прибор БТН-М1 для проведения первого этапа эксперимента «БТН-Нейтрон» на Российском сегменте Международной космической станциина основе этих исследований успешно завершена разработка нейтронного телескопа ЛЕНД, который в" настоящее время успешно4 работает на борту лунной автоматической станции НАСА «Лунный разведывательный орбитер» (ЛРО), нейтронного и гамма спектрометра ХЕНД-НС для российской автоматической станции «Фобос-грунт» и нейтрон-активационного прибора ДАН для автоматического марсохода НАСА «Марсианская научная лаборатория» (МНЛ). Кроме этого, на основе полученных в диссертации результатов была начата разработка нейтронного и гамма-спектрометра МГНС для европейского межпланетного космического аппарата «БепиКоломбо» для исследования планеты Меркурий.

В целом на основе содержания выполненных исследований, представленных выше в главах 4 — 8, можно сформулировать основные результаты, выносимые на защиту:

1) Разработана концепция первого этапа научного эксперимента «БТН-Нейтрон» на борту МКС в условиях доставки и размещения на борту Российского сегмента действующей станции новой аппаратуры БТН-М1- на этой основе создан комплект летной аппаратуры БТН-М1, который успешно прошел летные испытания и в настоящее время успешно функционирует на борт}' МКС.

2) Разработана концепция нейтронного телескопа с многомодульным узлом детектированияна этой основе создан, испытан и установлен на борту исследовательского аппарата НАСА «Лунный разведывательный орбитер» летный образец прибора ЛЕНД.

3) Разработана концепция моноблочного нейтронного и гамма-спектрометра с многомодульным узлом детектирования нейтронов и гамма-лучей для межпланетных автоматических аппаратов. На этой основе создан, испытан и подготовлен к постановке на борт летный образец прибора ХЕНД НС для российского межпланетного аппарата «Фобос-грунт».

4) Разработана концепция построения научной космической аппаратуры для нейтронно-активационного анализа вещества другой планеты с борта спускаемого аппаратана этой основе создан комплекс аппаратуры ДАН, включающий блок детектирования и электроники ДАН-ДЭ и блок импульсного нейтронного генератора ДАН-ИНГвыполнены автономные и комплексные испытания аппаратуры ДАН в составе марсохода НАСА «Марсианская научная лаборатория».