Регистрация / Вход
Прислать материал

14.605.21.0001

Аннотация скачать
Постер скачать
Общие сведения
Номер
14.605.21.0001
Тематическое направление
Транспортные и космические системы
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Высшая школа экономики"
Название доклада
Создание модулей контроля параметров потоков космических излучений на базе широкозонных полупроводниковых сенсоров для перспективных транспортных космических систем с длительным сроком функционирования
Докладчик
Кулагин Владимир Петрович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Цель работы - создание и экспериментальная проверка модуля контроля параметров космических излучений, предназначенного для перспективных транспортных космических систем с длительным сроком функционирования. Модуль контроля должен обеспечивать регистрацию электронного, протонного излучения космического пространства и регистрацию тяжёлых заряженных частиц.
Для достижения указанной цели решаются следующие задачи:
- Создание концептуальной и математической моделей модуля контроля и его узлов
- Определение состава технологического оборудования, необходимого для изготовления макетов узлов модуля контроля
- Проведение имитационного моделирования работы модуля контроля и определение его оптимальных характеристик
- Разработка конструкторской документации на макеты модуля контроля и его узлов
- Предварительное определение показателей надёжности модуля контроля
- Изготовление макетов узлов модуля контроля
- Проведение исследовательских испытаний макетов узлов модуля контроля
- Изготовление макета модуля контроля
- Проведение исследовательских испытаний макета модуля контроля
- Оценка технических решений макета модуля контроля
- Корректировка конструкторской документации на макеты модуля контроля и его узлов
- Доработка макетов модуля контроля и его узлов
- Проведение исследовательских испытаний доработанных макетов модуля контроля и его узлов
- Обобщение результатов работы, оценка их эффективности в сравнении с современным научно-техническим уровнем
- Оценка рыночного потенциала полученных результатов
- Разработка проекта ТЗ на ОКР по теме "Разработка аппаратуры контроля параметров полей космических излучений для перспективных транспортных систем с длительным сроком функционирования"
Актуальность и новизна исследования
Актуальность исследования обусловлена необходимостью разработки новых систем мониторинга радиационной обстановки для космических аппаратов с длительными сроками функционирования. Традиционные детекторы на кремнии и германии не обладают необходимой стойкостью к дозовым нагрузкам, а также к одиночным эффектам, вызываемым высокоэнергетичными протонами и ионами космического пространства. Для работы в таких условиях перспективны детекторы на широкозонных полупроводниках, среди которых наилучшими характеристиками обладает алмаз. Алмазные детекторы обладают рекордной стойкость к воздействию радиации, а также высоких температур и электромагнитных полей.
Новизна исследования заключается в первую очередь в разработке нового метода восстановления параметров потоков космического излучения (ПКИ) по выходному сигналу модуля контроля. Из-за широкого диапазона энергий и разнообразия типов космических частиц выходной сигнал детекторов космического излучения зависит от параметров ПКИ сложным образом. Восстановление параметров ПКИ по выходному сигналу модуля контроля является математически некорректной задачей. В настоящей работе впервые разработан и исследован метод восстановления параметров ПКИ по выходному сигналу модуля контроля на основе алмазных детекторов, использующий нейросетевой подход. Для обучения нейронной сети разработана математическая модель модуля контроля. Параметры модуля, используемые при моделировании, определялись по результатам исследовательских испытаний макетов узлов модуля контроля. Впервые проведена верификация модели модуля контроля на основе алмазных детекторов с использованием источников излучения, имитирующих компоненты космических излучений.
Описание исследования

При выполнении работ использованы общие и специальные методы научного исследования, в частности: метод сопоставления и системного анализа, структурно-функциональный метод, метод экспертных оценок, метод математического моделирования.

В процессе выполнения ПНИ был проведён анализ научно-технической литературы, по результатам которого была разработана концептуальная модель модуля контроля. Разработанный модуль контроля параметров ПКИ представляет собой пятиканальный анализатор спектров космического излучения и состоит из следующих основных узлов: узла сенсоров ионизирующих излучений (УС), узла усиления аналогового сигнала (УУ), узла предварительной цифровой обработки (УО) и узла восстановления параметров потоков космического излучения (УВ). В узле УС проводится предварительное разделение космических частиц (КЧ) с использованием селективных фильтров и регистрация КЧ в алмазных детекторах. В узле УУ сигнал алмазных детекторов преобразуется в напряжение, затем в устройствах сравнения проводится амплитудная дискриминация сигналов. Выходной сигнал устройств сравнения подаётся на счётчики частиц узла УО, где фиксируется количество зарегистрированных КЧ. Совокупность показаний 24 счётчиков частиц составляет измерительные данные модуля контроля ПКИ. В узле УВ по измерительным данным модуля контроля проводится восстановление параметров космического излучения. Для восстановления используется искусственная нейронная сеть с одним скрытым слоем. Обучение нейронной сети проводится с использованием результатов математического моделирования измерительных данных модуля контроля ПКИ при воздействии КЧ с различными спектральными характеристиками.

Математическое моделирование взаимодействия КЧ с алмазными детекторами проводилось в среде Geant4. Работа узла УУ моделировалась с использованием следующих параметров: коэффициентов преобразования зарядочувствительных усилителей и порогов дискриминации устройств сравнения. 

Обучение нейронной сети узла УВ проводилось с использованием имитационной модели потоков космического излучения, разработанной на основе ОСТ 134-1044. Имитационная модель позволяла рассчитать спектры КЧ в различных фазах цикла солнечной активности для различных орбит космических аппаратов.  Было проведено обучение нейронной сети с использованием совокупности из более чем 1000 спектральных характеристик КЧ и соответствующих измерительных данных модуля контроля. После обучения было проведено имитационное моделирование работы модуля контроля, по результатам которого были оптимизированы параметры узлов модуля контроля.

С учётом результатов моделирования была разработана эскизная конструкторская документация (ЭКД) на узлы модуля контроля ПКИ и на модуль контроля в целом. С использованием пакета программ "АСРН" была проведена оценка надёжности модуля контроля. 

В соответствии с ЭКД были изготовлены макеты узлов модуля контроля: узла сенсоров ионизирующих излучений, узла усиления аналогового сигнала, узла предварительной цифровой обработки и узла восстановления параметров ПКИ. 

В соответствии с утвержденными Программами и методиками были проведены исследовательские испытания макетов узлов модуля контроля. Применялись методики измерения, приведённые в ГОСТ 26222, ГОСТ 26874, ГОСТ 18229, ГОСТ 8.308. В процессе испытаний проводилась проверка соответствия макетов узлов модуля контроля требованиям ТЗ и определялись характеристики узлов, используемые при моделировании работы модуля контроля.

На основе макетов узлов, прошедших исследовательские испытания, в соответствии с ЭКД был изготовлен макет модуля контроля ПКИ. 

Были проведены исследовательские испытания макета модуля контроля ПКИ. В процессе испытаний проводилась проверка соответствия макета модуля контроля требованиям ТЗ, а также верификация математической модели.

По замечаниям, сформулированным в процессе испытаний, была проведена корректировка ЭКД на макеты модуля контроля и его узлов. В соответствии с изменениями ЭКД была проведена доработка макетов узлов модуля контроля и макета модуля контроля в целом.

Были проведены исследовательские испытания доработанных макетов модуля контроля и его узлов. Было показано соответствие макетов узлов модуля контроля и макета модуля контроля требованиям ТЗ.

 Было проведено обобщение результатов работы, оценка их эффективности в сравнении с современным научно-техническим уровнем и рыночного потенциала. 

Был разработан проект ТЗ на ОКР по теме "Разработка аппаратуры контроля параметров полей космических излучений для перспективных транспортных систем с длительным сроком функционирования".

Результаты исследования

Основным результатом проекта является изготовление макета модуля контроля параметров ПКИ. Макет модуля обеспечивает регистрацию электронного, протонного и ионного излучения с энергиями от 0,2 МэВ до 10 ГэВ. Использование алмазных детекторов обеспечивает радиационную стойкость узла сенсоров ионизирующих излучений на уровне 2,5 Мрад. Восстановление параметров космических частиц по измерительным данным модуля контроля обеспечивается с точностью не хуже 10%. Предварительная оценка показателей надёжности модуля контроля ПКИ дала следующие результаты: среднее время наработки до отказа 800000 ч, средний ресурс 72000 ч. 

Полученные характеристики находятся на уровне лучших мировых аналогов, используемых в космических аппаратах (RAD, NGRM). По радиационной стойкости макет модуля контроля ПКИ превосходит зарубежные аналоги, использующие чувствительные элементы на кремнии, что особенно важно с точки зрения комплектации космических аппаратов с длительными сроками функционирования. 

Для восстановления параметров космических частиц разработана искусственная нейронная сеть. Обучение нейронной сети проводится с использованием математического моделирования измерительных данных модуля контроля ПКИ. Математическая модель позволяет рассчитать измерительные данные модуля контроля по заданным спектрам космических частиц с точностью не хуже 6%. Модель верифицирована по результатам исследовательских испытаний макета модуля контроля ПКИ. 

По результатам исследований сделаны доклады на конференциях, в т.ч.:

Международная научно-практическая конференция "Инновации на основе информационных и коммуникационных технологий", Сочи, 2014

Первый международный симпозиум «Компьютерные измерительные технологии». Москва, 2015

Ежегодная межвузовская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов НИУ ВШЭ им. Е.В. Арменского, Москва, 2015, 2016

XII Международная IEEE Сибирская конференция по управлению и связи (SIBCON-2016). Москва, 12-14 мая 2016 г. 

The Seventh Moscow Solar System Simposium, Moscow, 2016

Опубликованы печатные работы:

Захарченко К.В. и др. Спектрометрический алмазный детектор потоков ионизирующего излучения для транспортных космических систем // Измерительная техника. 2015, 6, 63-67.

K.V. Zakharchenko et al. Spectrometric Diamond Detector of Fluxes of Ionizing Radiation for Space Transportation Systems // Measurement Techniques. 2015, 58, 6, 713-718.

А.Ю. Истратов и др. Применение нейросетевого подхода к измерениям потоков космического излучения // Измерительная техника. 2016, 3, 49-54.

Istratov A. et al. Application of a Neural Network Approach to Measurements of Cosmic Ray Fluxes // Measurement Techniques. 2016, 59, 3, 293-302.

Захарченко К.В. и др. Моделирование работы узла сенсоров модуля контроля параметров потоков космического излучения // Измерительная техника. 2016, 8, 63-68.

Е.В. Гладченков и др. Экспериментальные исследования и математическое моделирование работы алмазных детекторов ионизирующих излучений // Приборы и техника эксперимента. 2016

Получены патенты РФ:

 Алмазный детектор ионизирующих излучений - патент № 162960 от 10.06.2016

Блок детектирования ионизирующих излучений на основе алмазного детектора - патент № 162961 от 10.06.2016.

Получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ "Обработка измерительных параметров спектрометра космического излучения на алмазных детекторах № 2016618168 от 22.07.2016.

 

Практическая значимость исследования
Практическая значимость результатов исследования обусловлена в первую очередь высокой радиационной стойкостью алмазных сенсоров, что обеспечивает работоспособность модуля контроля ПКИ в течение длительного времени в условиях повышенных дозовых нагрузок. Использование модуля контроля ПКИ на основе алмазных сенсоров позволяет создавать системы контроля радиационной обстановки для космических аппаратов с длительным сроком функционирования, не требующие многократного резервирования или специальных мер по предотвращению сбоев, вызванных космическими частицами.
Помимо удешевления аппаратуры контроля радиационной обстановки, использование разработанного модуля контроля ПКИ обеспечит повышение надёжности систем оповещения о радиационной опасности, что уменьшит частоту возникновения радиационно обусловленных сбоев в работе космических аппаратов и, тем самым, увеличит их реальные сроки активного существования. Таким образом, перспективным направлением внедрения результатов исследования является создание бортовой аппаратуры контроля радиационной обстановки повышенной надёжности. Согласно данным ОАО "ЭНПО СПЭЛС", воздействие ионизирующих излучений космического пространства ответственно за 45% сбоев и отказов радиоэлектронных компонентов космических аппаратов. Среди радиационно обусловленных сбоев и отказов около 80% связано с воздействием высокоэнергетических протонов и тяжёлых заряженных частиц. Таким образом, мониторинг параметров потоков космического излучения позволяет в перспективе снизить частоту сбоев и отказов космических аппаратов на 30 - 40 %.
Использование нейросетевого подхода в сочетании с математическим моделированием работы модуля контроля ПКИ обеспечивает точность восстановления параметров потоков космического излучения по измерительным данным модуля контроля не хуже 10%. Повышение точности восстановления параметров радиационной обстановки позволяет уменьшить длительность набора информации, необходимую для получения достоверных данных потоках космических частиц. Это крайне важно для своевременного принятия мер защиты от воздействия космических частиц, в особенности в случае больших солнечных протонных событий, когда поток высокоэнергетических протонов возрастает на порядки в течение нескольких десятков минут.