Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор работ по изучению эффективности экранирования электромагнитных экранов, используемых в различных научных исследованиях 13
1.1 Пассивное экранирование слабых статических магнитных полей цилиндрическими экранами 14
1.2 Экранирование ФЭУ большого размера мю–металлической проволокой 18
1.3 Поведение ФЭУ R9288 под влиянием магнитного поля установки КОБРА 20
1.4 Магнитное экранирование ФЭУ во времяпролетных системах 23
1.5 Исследование влияния магнитного поля на ФЭУ Phillips XP4312B/D1 25
Выводы 31
Глава 2. Электромагнитное экранирование и материалы для изготовления экранов 32
2.1 Электромагнитное экранирование 32
2.1.1 Экраны из материала с высокой электропроводностью 39
2.1.2 Материалы для экранов электромагнитного излучения 39
2.1.3 Металлические материалы 40
2.1.4 Диэлектрики 40
2.1.5 Стекла с токопроводящим покрытием 41
2.1.6 Специальные ткани 41
2.1.7 Токопроводящие краски 41
2.1.8 Электропроводный клей 42
2.1.9 Радиопоглощающие материалы 42
2.2 Магнитное экранирование 43
2.2.1 Типы современных экранов 43
2.1.1 Использование компенсирующих катушек 46
2.2.1 Многослойные экраны 47
2.2.4 Многослойные пленочные экраны 50
2.3 Магнитные свойства аморфных пленок на основе сплавов металлов группы железа 52
2.4. Анализ существующих пакетов программ для моделирования распределения магнитных полей в различных устройствах 56
2.4.1. Зарубежные пакеты программ 56
2.4.2 Отечественная программа ELCUT 58
Выводы 60
Глава 3. Эксперименты по исследованию эффективности экранирования постоянного магнитного поля для многослойных пленочных экранов 61
3.1 Характеристики многослойных плёночных экранов 61
3.2 Описание экспериментальной установки
3.2.1 Описание катушек Гельмгольца 64
3.2.2 Описание датчика магнитного поля 65
3.3 Результаты экспериментов по измерению эффективности
экранирования постоянного магнитного поля для многослойных пленочных
экранов 67
3.3.1 Измерение однородности постоянного магнитного поля создаваемого катушками Гельмгольца, в направлении вдоль радиуса катушки Гельмгольца 67
3.3.2 Эффективность экранирование постоянного магнитного поля, направленного перпендикулярно оси экрана 68
3.3.3 Измерение однородности постоянного магнитного поля создаваемого катушками Гельмгольца, в направлении перпендикулярном радиусу катушки Гельмгольца 74
3.3.4 Эффективность экранирование постоянного магнитного поля направленного вдоль оси экрана 75
3.3.5 Сравнение эффективности экранирования постоянного магнитного поля направленного перпендикулярно и вдоль оси магнитного экрана 80
Выводы 81
Глава 4. Эксперименты по изучению влияния магнитного поля на работу ФЭУ 82
4.1 Экспериментальная установка 82
4.2 Результаты измерений
4.2.1 Проверка стабильности работы экспериментальной установки 83
4.2.2 Результаты экспериментов по определению влияния магнитных полей на работу ФЭУ 85
Выводы 99
Глава 5 . Прототип сцинтилляционного телескопа для работы в космосе с использованием фотоэлектронных умножителей с защитным экраном от магнитных полей 100
5.1. Состав и назначение телескопа НА «Наномаг» 100
5.2 Настройка, испытания и определение технических характеристик прототипа сцинтилляционного телескопа НА «Наномаг» 108
5.3 Исследование экранирующих свойств многослойных пленочных экранов в составе прототипа сцинтилляционного телескопа НА «Наномаг» 113
Выводы 116
Заключение 117
Список Литературы
- Поведение ФЭУ R9288 под влиянием магнитного поля установки КОБРА
- Материалы для экранов электромагнитного излучения
- Описание экспериментальной установки
- Проверка стабильности работы экспериментальной установки
Введение к работе
Актуальность темы диссертации
В научной аппаратуре, используемой как в современных физических
экспериментах, так и установках прикладного назначения применяются
детекторы ионизирующего излучения (блоки детектирования), многие из
которых чувствительны к воздействию постоянных магнитных полей.
Например, в ускорительных установках (ATLAS CERN), широко
используются фотоэлектронные умножители (ФЭУ), весьма чувствительные
к воздействию магнитных полей, соседствуют со сверхпроводящими
магнитами, создающими магнитные поля с напряженностью в несколько
Тесла (104 Гаусс). Такая же ситуация наблюдается и в аппаратуре,
устанавливаемой на ряде космических аппаратов. Например, в эксперимент
«ПАМЕЛА», который является магнитным спектрометром, используется
магнитная система на основе сильных постоянных магнитов совместно с
ФЭУ. То же самое имеет место в аппаратуре, применяемой в ядерной
медицине.
Во всех упомянутых случаях весьма актуальной является задача не только добиться большого коэффициента экранирования, но и сделать эти экраны возможно более компактными, легкими и технологичными в изготовлении, чтобы обеспечить возможность экранирования изделий со сложной геометрической конфигурацией или малыми размерами или защиты только определенной части устройства.
Теоретическая и экспериментальная работа по совершенствованию магнитных экранов ведется в течение многих лет. Одним из важнейших результатов этих исследований является вывод о преимуществе многослойных экранов перед монолитными. Однако применяющаяся до последнего времени технология изготовления многослойных экранов с помощью использования тонких листов из магнитомягких металов материалов имеет существенные недостатки, которые ограничивают применение таких экранов.
В Научно-практическом центре по материаловедению Национальной академии наук Беларуси разработана технология изготовления многослойных пленочных экранов (МПЭ) методом электролитического осаждения с требуемыми магнитным и электрическими характеристиками [1]. Метод позволяет эффективно экранировать корпуса и детали сложной геометрической формы, обеспечивая при этом жесткую фиксацию экрана на защищаемом изделии. В результате этого удается значительно снизить массу и габариты научной аппаратуры по сравнению с использованием традиционных магнитных экранов. Эти преимущества МПЭ и определяют актуальность диссертационной работы, в ходе выполнения которой изучены их экранирующие характеристики и продемонстрированы примеры практического применения.
МПЭ, использовавшиеся в данной работе, были изготовлены в Научно-практическом центре по материаловедению в рамках совместно выполняемой научно-технической программы Союзного государства «Разработка нанотехнологий создания материалов, устройств и систем космической техники и их адаптация к другим отраслям техники и массовому производству» (Шифр: «Нанотехнология-СГ»). Целы работы
Целью данной диссертационной работы было разработка и создание многослойных магнитных экранов, обладающих высокой эффективностью экранирования и доступной технологии изготовления, исследование их характеристик, применение для экранирования ФЭУ-85 и использование в сцинтилляционной детекторной системе «Наномаг», предназначенной для работы на борту космического аппарата.
Следующие задачи были решены диссертатом для реализации данной цели:
Разработан и создан многослойный пленочный экран (МПЭ) методом электролитического осаждения для экранирования ФЭУ с количеством двойных чередующихся слоев до 45.
Разработана и создана экспериментальная установка с использованием катушек Гельмгольца и датчиков Холла для исследования эффективности экранирования постоянного магнитного поля МПЭ.
Проведены эксперименты по исследованию эффективности экранирования постоянного магнитного поля, направленного перпендикулярно и вдоль оси различных типов цилиндрических МПЭ.
Разработана и создана экспериментальная установка для изучения влияния магнитного поля на работу ФЭУ.
Проведены измерения с ФЭУ-85 по изучению защитных свойств различных типов магнитных экранов.
Создана сцинтилляционная детекторная система с использованием ФЭУ с защитными экранами от магнитных полей для работы в космосе и проведены её испытания.
Научная новизна
Впервые разработаны и созданы многослойные пленочные экраны методом электролитического осаждения для защиты ФЭУ от воздействия постоянных магнитных полей. Экраны имели до 45 чередующихся слоев с высокой магнитной проницаемостью (Ni-Fe) и слоев с высокой электропроводимостью (Cu). Общая толщина магнитомягкого материала составляла 450 мкм в каждом экране.
Впервые получена зависимость коэффициента экранирования от
количества слоев и напряженности магнитного поля. Показано, что
коэффициент экранирования МПЭ в 3-5 раз превосходит экранирующую
способность обычно используемого многослойного пермаллоевого экрана с
эквивалентной толщиной магнитомягкого материала.
Достоверность
Достоверность результатов, приведенных в диссертации, обеспечивается использованием сертифицированной измерительной аппаратуры, а так же тем, что характер зависимостей экранирующих свойств МПЭ от напряженности магнитного поля, конфигурации экрана, количества
и толщины слоев полностью объясняющимся в рамках фундаментальных законов электричества (электротехники). Практическая значимость
Проведенные испытания продемонстрировали высокую эффективность экранирования магнитных полей МПЭ. Они могут найти применение в аппаратуре, использующей элементы чувствительные к воздействию постоянных магнитных полей и находящиеся в зоне влияния источников магнитного поля (ускорительные установки, аппаратура для космических исследований, приборы ядерной медицины и т.п.). Разработанный метод подавления влияния постоянных магнитных полей может быть рекомендован для внедрения в ОИЯИ, ИФВЭ, ИТЭФ, ИЯИ РАН, ФИАН, НИИЯФ МГУ, ИКИ РАН, ЛФТИ РАН, СНИИП, НПП «Доза», НПП «Аспект», ИПГ и других научных учреждениях. Личный вклад автора
Автор, практически, самостоятельно собрал установку для исследования экранирующих свойств магнитных экранов и провел на ней исследование различных типов экранов.
Автор принял активное участие в создании установки для изучения влияния магнитного поля на рабочие характеристики ФЭУ-85 и эффективности экранирования этого ФЭУ различными типами магнитных экранов.
Автор участвовал в создании лабораторного телескопа сцинтилляционной детекторной системы «Наномаг» для работы в космосе, в которой используются МПЭ для защиты ФЭУ от магнитных полей, и проведении её испытаний.
Автор внес значительный вклад в подготовку трёх научных статьи по теме диссертации, опубликованных в журналах, включенных в списки «Web of Science» и «SCOPUS».
Автор выносит на защиту
Экспериментальную установку с использованием катушек Гельмгольца и датчиков Холла для исследования эффективности экранирования постоянного магнитного поля различными типами экранов.
Результаты экспериментов по изучению защитных свойств различных типов магнитных экранов на основе многослойных пленочных структур.
Экспериментальную установку для изучения влияния магнитного поля на работу ФЭУ.
Результаты измерений эффективности экранирования ФЭУ-85 различными типами магнитных экранов.
Сцинтилляционную детекторную систему «Наномаг» с использованием ФЭУ с защитными экранами от магнитных полей для работы в космосе.
Результаты исследования работоспособности научной аппаратуры «Наномаг» при воздействии постоянного магнитного поля. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Международной сессии-конференции Секции ядерной физики ОФН РАН «Физика фундаментальных взаимодействий», в 2012 году.
Научных сессиях НИЯУ МИФИ, секция «Актуальные проблемы физики ядра, частиц, астрофизики и космологии» в 2014 и 2015 годах.
III международной молодежной научной школе-конференции НИЯУ МИФИ «Современные проблемы физики и технологий» в 2014 году.
48-ой Школе ПИЯФ по физике конденсированного состояния (ФКС-2014), Санкт-Петербург в 2014 году.
Соискатель имеет 9 опубликованных работ по теме диссертации, из них 3 работы, опубликованы в рецензируемых научных изданиях, входящит в ведущие международные базы цитирования «Web of Science» или «Scopus»,
и 6 публикаций в материалах Всероссийских и Международных
конференций.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации: 121 страниц, 70 рисунков, 7 таблицы, 43 наименований цитируемой литературы.
Поведение ФЭУ R9288 под влиянием магнитного поля установки КОБРА
Теоретическая и экспериментальная работа над многослойными магнитными экранами и их совершенствованием ведется в течения многих лет. В 1895 году Rucker [2] получил решение для коэффициента экранирования бесконечно длинных многослойных концентрических экранов в постоянном поперечном магнитном поле.В 1912 году Esmarch [3,4] экспериментально исследовал коэффициент экранирования вдоль оси открыто-закрытых многослойных цилиндрических экранов при направлении магнитного поля перпендикулярно продольной оси цилиндра. Он также изучил степень экранирования от числа слоев, вплоть до 63 слоев. В 1979 году Gubser и др. [5] предложили обобщенную формулу для многослойного осевого экранирования для случая близко расположенных друг к другу тонких слоев из материала с высокой магнитной проницаемостью в однородном поперечном магнитном поле.
Дальнейшее развитие эти исследования получили в работах Mager [6] и Summner [7], которые предложили методику расчета эффективности экранирования многослойными магнитными экранами. Позже эта методика была усовершенствована Paperno [8, 9]. Экспериментальная реализация многослойных магнитных экранов описана в работах Sasada [10, 11].
В настоящее время, когда с одной стороны в различной аппаратуре широко используются элементы чувствительные к воздействию постоянных магнитных полей, а с другой расширяется использование постоянных магнитов, актуальность создания эффективных экранов от постоянных магнитных полей все возрастает. И хотя, как было указано выше, несмотря на то многослойные магнитные экраны гораздо более эффективны, чем экраны монолитной конструкции (при одинаковой общей толщине магнитомягкого материала), технологические трудности ограничивали их использование, особенно при сложной конфигурации экранируемого объекта [12].
Ниже рассмотрены несколько примеров экранирования различных устройств от постоянных магнитных полей.
Исследование было выполнено, чтобы найти оптимальное решение для магнитного экранирования 10 ФЭУ, используемых нейтринном эксперименте Double Chooz [13], находящихся под влиянием слабого магнитного поля (меньше 2 Гс). Расчетные результаты сравниваются с измерениями, сделанными с использованием опытных образцов нескольких магнитных материалов, полученных от различных изготовителей. Исчерпывающий анализ магнитных материалов был необходим, чтобы понять наблюдаемое разногласие между вычислениями и экспериментальными результатами, полученными для полей малой величины.
Катушки Гельмгольца использовались для создания однородного магнитного поля. Для компенсации магнитного поля Земли и создания однородной области магнитного поля в любом направлении использовались три катушки Гельмгольца (шесть соленоидов) диаметром 1,2 метра сориентированные вдоль трех взаимно перпендикулярных осей (Рис. 1.1).Система обеспечивает однородность магнитного поля в большом объеме вокруг магнитного экрана.
Отношения между током в катушке и полем внутри составляло 1/2 А/Гс. Катушки питались от трех источников постоянного тока (максимальные значения 2A, 30V) и переменного автотрансформатора, использующегося для размагничивания экрана. Рис.1.1. Схема экспериментальной установки.
Магнитный датчик (Honeywell HMR2300) использовался для измерения магнитного поля от в диапазоне от-2 до+2 Гаусс внутри экрана, с разрешением лучше 70 мкГс. Датчик был заключен в капсулу из алюминия, чтобы стабилизировать температуру и установить закрепить его в системе расположенной внутри экрана.
Первый опытный образец магнитного экрана был сделан из листового мю-металла (тип CO-NETICAA), закладываясь перекрытием на несколько сантиметров, и скрепляясь небольшими алюминиевыми заклепками. Материал был ранее отожжен изготовителем (при температуре 1121C в течение 4 часов в чистой, сухой водородной атмосфере), чтобы получить оптимальные магнитные свойства. Охлаждение продолжалось по норме 222C/ч, пока не была достигнута температура 600C, после которой темп охлаждения мог быть ускорен. Экран был помещен в центр катушек и, после компенсации по магнитному полю Земли, было приложено поперечное поле, используя одну из катушек. Интенсивность внешнего поля увеличивалась от 0 до 2 Гс, при этом измерялось поле внутри экрана. Результаты показаны на рис.1.2, где так же приведены результаты аналитического расчета.
Материалы для экранов электромагнитного излучения
Металлические материалы применяются для экранирования, изготавливаются в виде листов, сеток и фольги (сталь, медь, алюминий, цинк, латунь). Все эти материалы удовлетворяют требованию устойчивости против коррозии при использовании соответствующих защитных покрытий. Наиболее технологичными являются конструкции экранов из стали, так как при их изготовлении и монтаже можно широко использовать сварку. Толщина стали выбирается исходя из назначения конструкции экрана и условий его сборки, а также из возможности обеспечения сплошных сварных швов при изготовлении.
Сетчатые экраны проще в изготовлении, удобны для сборки и эксплуатации, обеспечивают облегченный тепловой режим радиоэлектронной температуры. Для защиты от коррозии сетки целесообразно покрывать антикоррозийным лаком. К недостаткам сетчатых экранов следует отнести невысокую механическую прочность и меньшую эффективность экранирования по сравнению с листовыми экранами. Монтаж экранов из фольги достаточно прост, крепление фольги к основе экрана проводится чаще всего с помощью клея.
Сами по себе диэлектрики не могут экранировать электромагнитные поля. Поэтому они чаще всего встречаются в сочетании либо с проводящими включениями, либо с дополнительными металлическими элементами и конструкциями.
Экраны из композиционных материалов представляют собой сложные образования, содержащие в своей основе проводящие или полупроводящие включения, в которых связующим звеном выступают аморфные диэлектрики полимеры, в совокупности образующие упорядоченные цепочечные плоские или объемные структуры. На практике для улучшения экранирующих свойств диэлектрических экранов без существенного изменения их массы и конструкционных характеристик применяют проводящее покрытие экранов напылением металлов в виде тонких пленок или оклеивание проводящей фольгой.
Для улучшения защитных свойств диэлектрических экранов наряду с применением проводящих покрытий используют армирование диэлектрических экранов тонкой металлической сеткой.
Если у сетки размер ячейки , то сетчатый экран по своим защитным свойствам близок к однородному металлическому экрану, но с несколько меньшим значением удельной проводимости материала экрана.
Создается на основе эпоксидной смолы, заполняемой металлическими порошками (железо, кобальт, никель и др.). Электропроводный клей обладает высокой прочностью на отрыв, высокой удельной электропроводностью, химической стойкостью к влаге и различным агрессивным средам, обеспечивает незначительную усадку после отвердения. Электропроводный клей применяется наряду с пайкой, сваркой и болтовым соединением, а также в целях электромагнитного экранирования.
Могут применяться в качестве покрытий различных поверхностей с целью уменьшения отражения от этих поверхностей электромагнитных волн. Принцип действия таких материалов заключается в том, что падающая на них электромагнитная волна преобразуется внутри их структуры в другие виды энергии. При этом имеют место явления рассеяния, поглощения, интерференции, а в ряде покрытий и дифракции электромагнитных волн. В зависимости от свойств радиопоглощающие материалы — покрытия могут быть широкодиапазонными и узко диапазонными.
Структуру широкодиапазонных радиопоглощающих материалов образуют частицы ферромагнетика, введенные в слой изоляционного материала из немагнитного диэлектрика. Узко диапазонные покрытия изготавливают из различных пластмасс и каучука. Чтобы такие покрытия обладали поглощающими свойствами, в их состав вводят ферромагнетики с примесями сажи или порошка графита в качестве поглотителя. Радиопоглощающие материалы, используемые в качестве покрытий, могут быть однослойными, многослойными с переменными от слоя к слою параметрами, а также структурно неоднородными, т.е. с включением в состав материала различного рода структур, например дифракционных решеток.
Магнитное экранирование (магнитная защита) [20]- защита объекта от воздействия магнитных полей (постоянных и переменных) становиться все более актуальным, так как, с одной стороны, появляются новые датчики, электронные устройства и т.п. весьма чувствительные к воздействию магнитного поля (иногда даже земного), а с другой расширяется использование, как постоянных магнитов, так и сверхпроводящих, в первую очередь, в ускорительных и космических экспериментах, ядерной медицине, биологии и др. В ряде направлений науки и техники (геология, палеонтология, биомагнетизм) существует необходимость измерять очень слабые магнитные поля ( 10-14-10-9 Тл) и уменьшение влияния магнитных полей в сильной степени определяет возможности проведения эффективных научных исследований.
Описание экспериментальной установки
Измерение однородности постоянного магнитного поля создаваемого катушками Гельмгольца, в направлении перпендикулярном радиусу катушки Гельмгольца
Перед проведением экспериментов было измерено магнитное поле, создаваемое катушками Гельмгольца на их оси от одной катушки до другой. На рис. 3.16 показаны результаты измерений магнитного поля для тока 3,45 А в катушках Гельмгольца. Измерения индукции магнитного поля В1 и В2 проводились двумя продольными датчиками Холла, находящимися на расстоянии 2,5 см друг от друга. Рис. 3.12. Зависимость индукции постоянного магнитного поля на оси катушек Гельмгольца от расстояния от плоскости одной катушки до другой.
Из рис. 3.12 видно что, магнитное поле внутри катушек Гельмгольца, имеющих диаметр 40 см и находящихся на расстоянии 20 см друг от друга, является однородным в интервале от 3 см до 17 см. или на расстоянии 7 см в обе стороны от центра между катушками Гельмгольца, находящегося на графике в точке 10 см.
Измерения экранирования постоянного магнитного поля проведено для интервала напряженностей магнитного поля от 0 до 2,4 мТл с шагом 0,1 мТл.
На рис. 3.13 - 3.15 показаны зависимости индукции магнитного поля от расстояния от центра магнитного экрана вдоль его оси для различных типов экранов для тока 3,45 А в катушках Гельмгольца. Магнитное поле направлено вдоль оси цилиндрического экрана. Вертикальной линией показано место, где заканчивается магнитный экран, центр экрана соответствует точке 0 см на графике. Рис.3.13 Зависимость индукции постоянного магнитного поля от расстояния от центра магнитного экрана № 1.
Из рис. 3.13 – 3.15 видно, что экраны №1-№5 показали хорошую эффективность экранирования магнитного поля направленного вдоль оси цилиндрического экрана при величине индукции 2,35 мТл, на расстоянии до 4 см от центра экрана. Экранирование ослабевает начиная с расстояния 4-5 см от центра экрана и у края экрана эффект экранирования исчезает.
Экран, сделанный из алюминиевой основы МПЭ не экранирует внешнее магнитное поле. Эффективность экранирования магнитного поля экраном, сделанного из пяти слоев 100 мкм пермаллоевой фольги общей толщиной 0,5 мм, примерно в 4-5 раза хуже, чем эффективность экранирования магнитных экранов №1-№5 на основе многослойных пленочных структур.
На рис. 3.17 представлены зависимости эффективности экранирования магнитного поля для пяти различных многослойных пленочных экранов, экрана из пяти слоев 100 мкм пермаллоевой фольги общей толщиной 0,5 мм и алюминиевой основы МПЭ, в точке, находящейся в центре магнитного экрана на его оси. Из приведенных зависимостей видно, что наилучшей эффективностью экранирования обладает многослойный экран № 5. При этом эффективность экранирования для экрана №5 сначала растет при увеличении индукции внешнего магнитного поля до величины 0,8 мТл, а потом начинает линейно падать по закону 44,12-9,22В (мТл). Экраны №2-№4 ведут себя подобным образом. Такое поведение данной зависимости связано с тем, что магнитная проницаемость в слоях МПЭ, достигнув максимума при напряженностях в районе 0,8 – 1,0 мТл, начинает уменьшаться с ростом напряженности магнитного поля. Рис.3.15. Зависимости индукции постоянного магнитного поля внутри различных типов экранов на их оси от расстояния от центра магнитного экрана. Рис. 3.16. Эффективности экранирования индукции постоянного магнитного поля в центре экрана на их оси для семи различных многослойных пленочных экранов. В -индукция внешнего магнитного поля, В2-индукция магнитного поля внутри в центре экрана. 3.3.5 Сравнение эффективности экранирования постоянного магнитного поля направленного перпендикулярно и вдоль оси магнитного экрана
На рис. 3.17-3.16 представлено сравнение эффективности экранирования постоянного магнитного поля направленного поперек и вдоль оси магнитного экрана №5, обладающего наилучшей эффективностью экранирования из всех рассматриваемых экранов. Из приведенных зависимостей видно, что магнитный экран №5 в несколько раз лучше экранирует постоянное магнитное поле, направленное перпендикулярно, чем направленное вдоль оси магнитного экрана. Кроме того, эффективность экранирования магнитного поля направленного вдоль оси экрана падает при превышении величины индукции магнитного поля равной 0,8 мТл. И уменьшается в 2 раза при напряженности магнитного поля около 2,5 мТл.
Эффективности экранирования постоянного магнитного поля направленного перпендикулярно и вдоль оси магнитного экрана №5 от расстояния от центра магнитного экрана. В - индукция внешнего магнитного поля. Рис. 3.18. Эффективности экранирования постоянного магнитного поля направленного перпендикулярно и вдоль оси магнитного экрана №5 от индукции внешнего магнитного поля В в центре экрана на его оси. Выводы
Таким образом, экраны на основе многослойных пленочных структур обладают высокой эффективностью экранирования постоянного магнитного поля и в 3-5 раза превосходят по степени защиты экраны из пермаллоевой фольги. Коэффициент экранирования МПЭ растет с увеличением числа слоев и достигает 102 при числе слоев 45. Учитывая, что метод электролитического осаждения позволяет делать экраны сложной геометрической формы и с различным количеством слоев, они будут востребованы как при проведении фундаментальных научных исследований в экспериментальной ядерной физике, ядерной медицине, космических экспериментах, так и в устройствах прикладного назначения.
Проверка стабильности работы экспериментальной установки
Сцинтилляционная детекторная система СДС крепится к основанию металлического корпуса лабораторного макета сцинтилляционной детекторной системы. Система регистрации событий СРС расположена над детекторной системой СДС. По бокам детекторный системы СДС лабораторного макета расположены блок команд БК и система измерения магнитного поля СИМП. Над фотоэлектронными умножителями детекторной системы СДС расположена система электропитания СЭП. На лицевой стороне прототипа телескопа находится блок разъемов Х1-Х9 и клемма заземления.
Отличие лабораторного макета сцинтилляционной детекторной системы от летного образца НА «Наномаг» заключается в отсутствии резервных систем СДС, СРС, СЭП и блока сбора и обработки информации (БСОИ). В лабораторном макете функции блока БСОИ выполняет ПЛИС входящая в состав блока СРС. Кроме того, лабораторный макет НА «Наномаг» поставляется без системы АСОТР, в состав которой входит АСЭО, обеспечивающие температуру на корпусе НА при ее эксплуатации в условиях космического вакуума в пределах от 0С до +40С.
Настройка, испытания и определение технических характеристик прототипа сцинтилляционного телескопа НА «Наномаг»
Целью проведения настройки является регулировка отдельных систем и всего прототипа сцинтилляционного телескопа в целом для подбора оптимальных режимов работы и обеспечения правильности его функционирования.
Настройка сцинтилляционной детекторной системы СДС заключалась в выборе рабочих напряжений питания 4-х ФЭУ-85 и проверки качества обеспечения оптического контакта между всеми ФЭУ-85 и пластическим сцинтиллятором. Рабочее напряжение питания каждого ФЭУ выбиралось таким, чтобы темп счета шумов ФЭУ не превышал 100 Гц при пороге регистрации импульсов с ФЭУ равным 100 мВ. Качество обеспечения оптического контакта проверялось измерением амплитуды импульсов от светодиода для каждого ФЭУ при заданном рабочем напряжении ФЭУ, которая должна попадать в интервал от 0,2 до 1 В, необходимый для правильной работы системы СРС. Если амплитуда импульсов от светодиода не попадала в заданный диапазон, то изменялось рабочее напряжение ФЭУ путем его уменьшения или увеличения. Рабочие напряжения питания для 3-х ФЭУ составили 1100 В и 1150 В для четвертого ФЭУ.
Настройка системы электропитания заключалась в проверке наличия всех необходимых низковольтных напряжений питания лабораторно макета НА +3,3 В, +5 В, +6 В, +12 В, оценке уровня шумов и наводок низковольтного питания, и проверке стабильности работы питания под нагрузкой. Для высоковольтного источника питания была произведена регулировка его выходного высокого напряжения, которое составило -1150 В. Рабочие напряжения питания 4-х ФЭУ-85 обеспечивались с помощью подбора соответствующих балластных резисторов.
Настройка системы регистрации событий СРС заключалась в подборе коэффициентов усиления сигналов поступающих с СДС и порогов срабатывания компараторов системы СРС. Коэффициенты усиления сигналов от светодиода поступающих с выходов СДС на входы АЦП системы СРС подбирались таким образом, чтобы амплитуда этих сигналов лежала в диапазоне срабатывания АЦП от 0,75 В до 1,75 В и составила порядка 1,5-1,7 В. Пороги срабатывания компараторов системы СРС были установлены таким образом, чтобы лабораторный макет НА регистрировал максимальное количество совпадений при регистрации космических мюонов при минимальном возможном значении шумов электроники. Значение порогов срабатывания компараторов системы СРС составило 100 мВ.
Кроме того, в процессе настройки системы регистрации событий проверялась и отлаживалась работа программы ПЛИС, обеспечивающей обработку и вывод показаний темпа счета и энергетических спектров для 2-х информационных каналов телескопа НА, защищенных и не защищенных магнитными экранами.
Настройка блока команд БК заключалась в проверке выполнения команд включения и выключения основного источника питания телескоп НА и подачи (или отключения) первичного бортового напряжения питания 28 В от КА на телескоп НА.
Настройка системы измерения магнитного поля СИМП заключалась в калибровке датчика магнитного поля и установке необходимого диапазона измерения магнитного поля. Для калибровки система СИМП помещалась в магнитное поле, создаваемое катушками Гельмгольца, индукция которого менялась с шагом 0,03-0,04 мТл. В результате была получена зависимость показаний датчика магнитного поля (ДМ) в мВ от значений индукции магнитного поля В (мТл):
В (мТл) = -2,84726+0,00148хДМ (мВ) (5.1) Коэффициент усиления выходных сигналов с датчика магнитного поля был подобран таким образом, чтобы система измерения магнитного поля регистрировала магнитные поля в диапазоне от -3 мТл до +3 мТл. После проведения настройки телескопа НА были проведены его наземные испытания в соответствии с программой и методикой испытаний 7КБ 260.00.00.000 ПМ. Схема соединений аппаратуры при проведении испытаний телескопа НА «Наномаг» представлена на рис. 5.10. Во время наземных испытаний контролировались показания темпа счета и энергетических спектров для 2-х информационных каналов телескопа НА, защищенных и не защищенных магнитными экранами, а также величина индукции магнитного поля, которые выводились на экран монитора с помощью программы «Nanomag.exe», входящей в состав КИА (см. рис. 5.11).