Космический эксперимент «БТН-Нейтрон» на Международной космической станции. Первый этап эксперимента с использованием научной аппаратуры БТН-М1.

Задачи проекта Вверх

Научная аппаратура БТН-М1 предназначена для проведения космического эксперимента (КЭ) «БТН-Нейтрон» по изучению быстрых и тепловых нейтронов на борту Служебного Модуля Российского Сегмента Международной Космической Станции (СМ РС МКС). Для дополнительной информации по МКС см.: http://www.energia.ru/ru/iss/iss.html

Направление КЭ «БТН-Нейтрон» - изучение пространственного и временного распределения потоков и спектров нейтронов в околоземном космическом пространстве, в том числе во время солнечных вспышек. Ожидаемые результаты исследований направлены на изучение физических процессов, приводящих к генерации нейтронов во время солнечных вспышек и оценка вклада дозы нейтронов в полную дозу радиации, получаемую космонавтами при нахождении вне КА.

Нейтроны в околоземном космическом пространстве возникают от взаимодействия галактических и солнечных космических лучей (ГКЛ и СКЛ) с верхней атмосферой Земли, от облучения космическими лучами и частицами радиационных поясов конструкционных элементов МКС и от мощных солнечных вспышек. Регистрация нейтронов на орбите МКС позволит выяснить зависимость потока нейтронов от географических координат и высоты орбиты станции, от состояния магнитоферы и атмосферы Земли и от солнечной активности.

Для достижения поставленных целей прибор должен обеспечивать измерения следующих физических величин на этапе полета на орбите вокруг Земли:

  • Регистрацию потоков нейтронов в широком диапазоне энергий начиная от 0.4 эВ и заканчивая быстрыми нейтронами с энергиями до 10 МэВ.
  • Регистрацию гамма-излучения в диапазоне энергий от 60 кэВ до 10 МэВ.

В рамках эксперимента должны быть получены данные, которые позволят:

  • разработать физическую модель нейтронного альбедо атмосферы Земли с учетом эффектов долготы и широты точки измерения, времени суток и условий освещенности, состояния атмосферы;
  • создать физическую модель фона нейтронов в окрестности МКС в различных условиях полета;
  • построить физическую модель генерации заряженных и нейтральных частиц во время солнечных вспышек;
  • реализовать дополнительные научные задачи:
    • одновременная регистрация солнечных протонов и продуктов их взаимодействия с атмосферой Земли и Марса. Эта возможность может быть реализована при синхронной работе прибора БТН-М1 и ХЕНД работающего на орбите Марса по программе «MARS ODYSSEY». Одновременная регистрация солнечных вспышек на орбитах Марса и Земли позволит увеличить достоверность регистрации солнечных нейтронов и повысит информативность об исследуемом явлении (энергетический спектр и временной профиль вспышки, особенности распространения излучения в межпланетном пространстве и т.д.).
    • одновременная регистрация космических гамма-всплесков идентичными приборами на орбите Земли и Марса позволит производить триангуляцию для определения направления на источник всплеска и, совместно с другими космическими и наземными обсерваториями, наблюдать послесвечение гамма-всплесков в других диапазонах электромагнитных волн.
    • исследования радиационной стойкости образцов перспективных сцинтилляторов, размещаемых внутри блока электроники прибора и возвращаемых на Землю. Такие сцинтилляционные материалы планируется использовать для будущих космических экспериментов, в том числе и для последующих этапов эксперимента «БТН - Нейтрон».

Принцип работы Вверх

В основе инструмента НА БТН-М1 лежит принцип регистрации нейтронов и гамма-квантов рожденных или рассеянных в атмосфере Земли и в веществе материалов и конструкций МКС, а также пришедших от Солнца или других космических источников.

Этот прибор представляет собой спектрометр с четырьмя независимыми детекторами нейтронов. Три детектора эпитепловых нейтронов (на рис. 1 обозначены как SD, MD, LD) представляют собой пропорциональные газовые счетчики на основе 3He и четвертый детектор нейтронов высоких энергий (на рис. 1 обозначен как SC) изготовлен из стильбена C14H12, окруженного активной антисовпадательной защитой из кристалла CsI:Tl3+.

Конструкция прибора и размещение на борту Вверх

Для проведения эксперимента используются:

  • блок детектирования БТН-МД¬ (изготовитель ИКИ РАН) - второй летный образец прибора ХЕНД (https://np.cosmos.ru/hend.html), доработанный в соответствии с требованиями к аппаратуре для МКС и размещенный внутри специальной фермы БТН-МФ (изготовитель ИКИ РАН),
  • дополнительно разработанный блок электроники БТН-МЭ (изготовитель ИКИ РАН),
  • комплект кабелей для подключения блоков аппаратуры внутри и вне МКС (изготовитель РКК «Энергия»),
  • специальный кронштейн для размещения блока детектирования БТН-МД на внешней поверхности Служебного модуля «Звезда» (изготовитель РКК «Энергия»).

Блок детектирования включает ЛО-2 прибора ХЕНД (рис.1), который помещен в ферму БТН-МФ, обеспечивающую механический виброизолированный монтаж БТН-МД, размещение разъемов для электрической стыковки с кабельной сетью МКС, а также обеспечивающий тепловой режим блока с помощью с тепловых радиаторов и экранно-вакуумной термоизоляции (рис.2).

Рис. 1. Схема прибора ХЕНД используемого в качестве детекторного блока БТН-МД (SD – малый 3He детектор, MD - средний 3He детектор LD – большой 3He детектор, SC - сцинтилляционный детектор)

Рис. 2. Блок БТН-МД в сборе с БТН-МФ с радиаторами закрытыми временными теплоизолирующими чехлами

 

Для выполнения научных задач требовалось, чтобы при штатной установке блок БТН-МД был сориентирован так, чтобы ось сцинтиллятора блока была направлена в зенит. К этому добавлялись требования временного хранения аппаратуры внутри МКС, возможности монтажа и демонтажа оборудования при работе в скафандре. С учетом этих требований конструкторы РКК «Энергия» создали специальное монтажно-установочное устройство (рис.3), включающее кронштейн, переходную платформу и три быстросъемных замка, на которое монтировалась сборка БТН-МД+БТН-МФ.

Рис. 3. Внешний блок БТН-МД в сборе с монтажной фермой (1 – БТН-МД, 2 – ферма, 3 – кронштейн, 4 – быстросъемные замки, 5 – кабели, 6 – временный защитный чехол)

 

Блок электроники БТН-МЭ (рис. 4) предназначенный для согласования электрических интерфейсов прибора ХЕНД и интерфейсов служебных систем СМ РС МКС, в частности:

  • интерфейса питания;
  • командного интерфейса управления;
  • телеметрического интерфейса;
  • интерфейса трансляции временных сигналов.

Рис. 4. Блок БТН-МЭ

 

В блоке БТН-МЭ также размещались специальные платы (рис. 5) - пассивные детекторные сборки (ПДС) с кристаллами перспективных сцинтилляторов ((LaBr3):Ce3+, (LaCl3):Ce3+, (Lu0.5Y0.5)AlO3:Ce3+, (Lu0.7Y0.3)AlO3:Ce3+, (Lu0.7Y0.3)AlO3:Ce3+, (Lu2SiO5):Ce3+, (YAlO3):Ce3+) и пассивными дозиметрами для исследования радиационной стойкости материала сцинтилляторов и оценки их применимости на дальнейших этапах проведения КЭ «БТН-Нейтрон». Сборки ПДС, после экспозиции на орбите в течении срока не менее 6 мес., доставлены на Землю для исследования деградации материалов кристаллов по действием космической радиации.

Рис. 5. Внутреннее устройство блока БТН-МЭ (слева – платы ПДС с тестируемыми кристаллами и дозиметрами, справа – платы электроники)

 

Аппаратура БТН-М1 была доставлена на МКС в октябре 2006 г. на борту ТКК «Прогресс» № 358.

Установка и подключение аппаратуры БТН-М1 на МКС проводились в ноябре 2006 – феврале 2007 г. экипажем 14-й основной экспедиции - космонавтом РФ Михаилом Тюриным и астронавтом США Майклом Лопес-Алегрия.

Блок БТН-МД размещен снаружи станции и с помощью специального кронштейна установлен на поручнях 2331 и 2333 СМ «Звезда» РС МКС (рис. 6, 7).

Рис. 6. Установка детекторного блока снаружи СМ «Звезда»

Рис. 7. Панорама РС МКС и расположение детекторного блока аппаратуры БТН-М1 снаружи СМ «Звезда»

Блок БТН-МЭ находиться внутри станции (рис. 8).

Рис. 8. Размещение блока БТН-МЭ

С 26 февраля 2007 г. аппаратура БТН-М1 штатно работает на МКС и передает научную и телеметрическую информацию.

Основные параметры Вверх

Масса : 6.4 кг - БТН-МД
3.4 кг - БТН-МЭ
Потребление : 8.7 Вт - БТН-МД
3.4 Вт - БТН-МЭ
Размеры : 245 х 280 х 330 мм - БТН-МД
255 х 265 х 115 мм - БТН-МЭ
Диапазон энергий : от 0.4эВ до 15 МэВ (нейтроны)
от 60кэВ до 10 МэВ (гамма)
Разрешение по времени : 0.25 - 256 сек
Рабочий диапазон температур : от -40 до +50 Со
Объем телеметрии : 3 Мб в день
Гарантийный срок : 5 лет

Разработчики и соисполнители Вверх

Заказчик - ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева.

Головной исполнитель, постановщик эксперимента и разработчик аппаратуры – Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН).

Руководитель проекта «БТН-Нейтрон» – д.ф.-м.н. И.Г. Митрофанов

Работы по теме «БТН-Нейтрон» в период с 2002 по 2006 гг. в части создания научной аппаратуры БТН-М1 (разработка, изготовление, испытания, калибровки, поставка аппаратуры Заказчику, комплексные испытания, поставка и испытания на «Байконуре») велись на основании договора с РКК «Энергия» им. С.П. Королева № 828 от 15.03.2002 г.

Работы по теме «БТН-Нейтрон» в 2006 – 2010 гг. в части управления аппаратурой, накопления и обработки научных и телеметрических данных ведутся на основании договора № 1173 от 15.10.2007 г.

 
РКК Энергия им. С.П. Королева
(г. Королев, Московская обл.)
Заказчик прибора. Отработки в гидролаборатории. Испытания инструмента в составе комплексного стенда МКС, Управление работой. Получение телеметрии и научных данных с борта. Контроль телеметрии и обработка данных.
Объединенный Институт Ядерных Исследований
(г. Дубна, Московская обл.)
Участие в разработке физической схемы прибора БТН, Математическое моделирование счетных характеристик прибора БТН. Подготовка и проведение калибровок образцов прибора на естественных и искусственных источниках нейтронов.
Институт Машиноведения РАН им. А.А. Благонравова
(г. Москва)
Создание математической модели механической конструкции прибора. Участие в создании испытательной базы для прибора БТН, в соответствии с требованиями Заказчика и в подготовке методик проведения механических испытаний образцов. Сопровождение испытаний образцов прибора.
ФГУП Научно-инженерный центр "Специализированный научно-исследовательский институт приборостроения"
(г. Москва)
Разработка схемных решений по электронике в части сцинтилляционного тракта регистрации быстрых нейтронов.
Всероссийский институт минеральных ресурсов Министерства природных ресурсов РФ
(г. Москва)
Разработка сцинтилляционного блока для регистрации быстрых нейтронов.

Первые результаты работ Вверх

На основе обработки данных измерений аппаратуры БТН-М1 за период с февраля 2007 г. по настоящее время построены карты потоков нейтронов в окрестности МКС и карта скорости накопления дозы, которая позволяет оценить радиационную обстановку на станции и исследовать зависимость нейтронного альбедо верхней атмосферы от потока заряженных частиц в магнитосфере.

В рамках выполнения дополнительной задачи эксперимента по регистрации космических гамма-всплесков проводится анализ данных гамма профилей с детектора CsI:Tl3+ c временным разрешением 1 сек и 0.25 сек и сопоставление их с данными полученными приборами на других космических аппаратах.

Так как основное производство нейтронов происходит из-за взаимодействия ГКЛ с атмосферой Земли (для БТН-М1 на МКС) и поверхностью Марса (для ХЕНД на Mars Odyssey), то по изменению потоков альбедных нейтронов в приэкваториальной области Solis Planum на Марсе и для БТН-М1 в экваториальной и приполярных областях Земли проведена оценка тренда потока ГКЛ связанного с изменением активности Солнца в течение 2008 - 2009 годов.

Яндекс.Метрика

Redmine