Презентация СтратоСТАРТ 25_МГУ_ИТОГОВАЯ

1. Регистрация вариаций высотного распределения интенсивности потоков мюонной компоненты Вторичных Космических Лучей

сцинтилляционным методом.
Авторы: Болиев Даниэль Эдуардович, 10 класс; Аккизов Якуб Ахматович, 11 класс.
ГБОУ «Детская академия творчества «Солнечный город» Минпросвещения КБР, г. Нальчик
Научный руководитель: Масаев Мартин Батарбиевич.
Кандидат физ-мат. наук, педагог доп. образования высшей категории ГБОУ «ДАТ «Солнечный
город» Минпросвещения КБР. Доцент, ведущий инженер кафедры «Т и ЭФ» Института
Математики и Естественных наук КБГУ.
Научный руководитель: Заммоев Аслан Узеирович.
Кандидат технических наук, педагог доп. образования ГБОУ «ДАТ «Солнечный город».
Ведущий научный сотрудник КБНЦ РАН.
Консультант проекта: Гангапшев Альберт Мусаевич.
Кандидат физ.-мат. наук, Заместитель по научной работе зав. БНО ИЯИ РАН.
Наставник команды: Науянис Элена Зигмасовна.
Педагог дополнительного образования ГБОУ «ДАТ «Солнечный город» Минпросв. КБР.

2. Цель и задачи.

Цель работы:. разработка и реализация метода определения вариаций высотного
распределения мюонной компоненты ВКЛ с помощью стратосферного спутника CubeSat 3U.
Задачи:
• Выполнить обзор литературы, обосновать актуальность темы работы;
• изучить существующие методы регистраций ВКЛ и обосновать преимущества стратосферного
спутника;
• разработать установку на базе сцинтилляционного детектора и установить его в конструктиве
спутника CubeSat 3U;
• выполнить экспериментальный запуск спутника CubeSat 3U в режиме реального времени с
регистрацией высотного распределения ВКЛ в режиме телеметрии;
• зафиксировать регистрации высотного распределения вторичных космических лучей (ВКЛ)
(вариации интенсивности) в пределах стратосферы;
• зарегистрировать Широкий Атмосферный Ливень (ШАЛ);
• обработать полученные данные и представить график распределения интенсивности ВКЛ в
сравнении с эталонным графиком.

3. Гипотеза темы.

Поток первичных солнечных космических лучей (протонов), попадая в тропосферу Земли (28
км), интенсивно взаимодействует с атомами азота с образованием потока ВКЛ. Регистрация
вариаций мюонной компоненты ВКЛ позволяет отслеживать вариации активностей солнца. Со
стратосферы, с высоты 24 км и ниже, начинается зона распространения ВКЛ, которая
непосредственно влияет на здоровье и различные виды деятельности человека.

4. Гипотеза темы.

Наибольшей проникающей способностью обладает жесткая мюонная компонента ВКЛ. За
эталонный график мы взяли кривую зависимости интенсивности ВКЛ.

5. Основные критерии регистрации.

Диапазон измерения энергии – 6 МэВ.
Известное энерговыделение позволяет
точно
выставлять
диапазон
регистрируемых энергий;
разрешение по энергии (среднее для
пластиковых сцинт. 10 КэВ);
эффективность регистрации (в случае
наблюдения
заряженных
частиц
эффективность регистрации близка к
100%, так как каждая попавшая в
сцинтиллятор частица теряет в нём
хотя бы часть своей энергии ).

6. Преимущества сцинтилляционного детектора.

В
нашем
проекте
мы
используем
высокоэффективный органический пластиковый
сцинтиллятор.
Вследствие
высокой
чувствительности,
сцинтиляционный
детектор
способен
регистрировать высокоэнергетичные частицы
(мюоны).
Время высвечивания не превышает нескольких
наносекунд.
Световыход
полимерных
сцинтилляторов
составляет 50-60 %.
Пластмассовые
сцинтилляторы
обладают
высоким
быстродействием,
высокой
прозрачностью, а также возможностью
изготовления детекторов большого объема.
Энерговыделение мюонов в сцинтиляторе
составляет 2 МэВ * 1 см. При толщине в 3 см
(кристалл
сцинтилятора
12*12*3
см)
энерговыделение составит 6 МэВ. Этого
достаточно,
чтобы
без
усиления
зарегистрировать сигнал.

7. Тестовые испытания.

Для тестирования ПН был измерен поток мюонов на широте города Нальчик 43.3 северной
широты и 43.2 восточной долготы (450 м над уровнем моря).
Полученная плотность потока мюонов соответствует табличным данным о среднем потоке мюонов на
уровне моря - 1 мюон в 1 минуту на квадратный сантиметр.
Погрешность в 30% можно отнести к реальной высоте измерений - 450 метров на данной высоте.
Ожидаемый и регистрируемый поток мюонов оказывается выше за счёт меньшего поглощения атмосферы.
Проведена проверка работоспособности сцинтилляционного детектора СДМ ВКЛ.
Зафиксирован прием данных с микроконтроллера модуля.

8. Принцип работы полезной нагрузки (ПН).

При помощи стратосферного спутника CubeSat 3U измерительная установка будет подниматься до высоты выше 20 км.
Измерения будут проводиться каждые 5 сек (настраиваемый параметр). Скорость подъёма платформы 5-6 м/с.
Следовательно, шаг выборки данных по высоте примерно через каждые 50 м (в среднем на подъеме) и 87 м (в среднем
на спуске).. Платформа с Кубсатами поднялась на высоту 23 408 м. 23 408/50 = 470 измерений КАЖДОГО
ПАРАМЕТРА (основные параметры для рассчетов: высота, время, давление, температура, количество событий,
показания акселерометра и гироскопа) было проведено на подьеме платформы.
Частицы космических лучей попадают в оптически прозрачный кристалл сцинтиллятора. Они возбуждают оптические
уровни атомов рабочего вещества сцинтилляционных детекторов. В точке взаимодействия с детектором возникает
световая вспышка. Вспышки регистрируются постоянно, благодаря отдельному контроллеру ESP 32. Они сохраняются
в даталогер и выводятся в радио - эфир.
Вспышки регистрируются с помощью фото – электронного умножителя (ФЭУ), который находится в оптическом
контакте с кристаллом сцинтиллятора. Свет, излученный при сцинтилляции, собирается на фотокатоде ФЭУ. ФЭУ
преобразует световой импульс тока в микроамперном диапазоне.
С выхода ФЭУ импульс тока преобразуется в импульс напряжения с помощью трансимпедансного усилителя.
Затем импульсы регистрируются микроконтроллером СДМ ВКЛ, который подсчитывает количество импульсов за
заданный промежуток времени (в минуту).
Микроконтроллер СДМ ВКЛ непрерывно передаёт данные измерений в основной микроконтроллер CubeSat.
Микроконтроллер CubeSat (основной контроллер) наряду с полученными данными ПН сохраняет на карту флешпамяти полученные данные со всех остальных датчиков, и с помощью модуля радиопередатчика передает данные
телеметрии на Землю.
Радиосвязь будет осуществляться с использованием широкополосного радиосканера для компьютера - USB
радиоприемника RTL-SDR, при помощи радиолюбительской антенны из 15 элементов на частоте 430-440 MHz,
используется программа SDRSharp;
Основной контроллер также обеспечивает управление питанием нагревателей аккумуляторной батареи и отсека с
полезной нагрузкой по данным установленных в них датчиков температуры. Это необходимо для поддержания ее выше
нижней планки рабочего диапазона в условиях стратосферного полёта.

9. Алгоритм работы ПН.

Состав ПН.

10. Код работы ПН.

11. 3D модель.

Сконструирована 3D модель спутника со сцинтиллятором. Т.к. сцинтиллятор выступает за пределы граней кубсата,
разработаны защитные колпаки (печатные крышки). Произведен предварительный расчет веса ПН. Учтен центр масс.
Размеры сцинтилляционного детектора 130*130*30 мм (размер с учетом светозащиты). Детектор размещен в центре
тяжести, две боковые грани CubeSat с вырезами и выпирающие части прикрыты печатными крышками.
Сконструировано крепление детектора и учтено, что внутренняя стенка с теплоизолятором и внутри еще лента
нагревателя. Установлена дополнительная АКБ (аккумуляторная батарея) для ПН для обогрева. Также она используется
для центрирования кубсата.
Печатные крышки (3D).
Общая
схема
(рендеринг 3D - модели).
аппарата

12. Этап сборки.

Сборка экспериментальной установки, размещаемой
в объёме CubeSat, осуществлялась поэтапно.
В 1 очередь производился монтаж сцинтилляционного
детектора.
Пластину
сцинтиллятора
со
встроенным
выходом
оптоволокна было необходимо изолировать от света.
Для этого сцинтиблок поместили в кожух из светонепроцаемого материала - конверт от рентгеновской плёнки.
При этом полупроводниковый ФЭУ был жёстко зафиксирован
внутри конверта в оптическом контакте с выходом
оптоволокна.
Для подачи питания и съёма полезной информации от ФЭУ
через манжет конвертер выводиться кабель питания и
полезного сигнала.
Питание и съём сигнала осуществляется дистанционно.
Контакт проводов и ФЭУ оказался слабым местом, особое
внимание потребовалось для фиксации контакта проводов и
ФЭУ. В отсутствии монтажной платы и требовалось
повторное подключение.
Проведено отдельное тестирование термодатчиков.

13. Расчет.

Для вычисления свободного пробега мюона в веществе используют такую величину, как средние потери
энергии за пролёт одного сантиметра пути в веществе плотностью 1 г/см3. При энергии до 1012 МэВ
мюон теряет около 2 МэВ на г/см2 пролёта. В диапазоне от 1012 до 1013 МэВ эти потери являются
бОльшими и могут быть приближённо вычислены по формуле:
- = (2,6 + 3,5 10 -6 E0)
Таким образом, в воде высокоэнергетический мюон может пролететь километры, и даже в железе —
сотни метров. Так, при начальной энергии 1012 эВ (1000 ГэВ) пробег составляет 2,6·105 г/см2,
при 1013 эВ пробег равен 7,6·105 г/см2 (эквивалентно 2,6 и 7,6 км воды, соответственно).
Принимая во внимание размеры нашего сцинтиллятора 12 х 12 х 3 см3, площадь регистрирующей
поверхности составляет 144 см2.
Среднее значения темпа счёта мюонной компоненты ВКЛ на уровне моря составляет 1 мюон на
квадратный сантиметр в минуту, или 0.0167 Бк/см2. С учётом принятой эффективности для
полупроводникового ФЭУ, ожидаемый темп счёта мюонов должен составить порядка 144 событий в
минуту или 2.4 Бк (Беккерель - 1 событие в секунду). Так как измерения проводятся на широте 43.3
градуса северной широты, и 43.2 градуса восточной долготы, на высоте около 400 метров над уровнем
моря ожидаемая погрешность может составить 5%. Ожидаемая погрешность соответствует увеличению
темпа счёта, т.к. по сравнению с уровнем моря, поглощающая способность атмосферы уменьшается на
400 метров.

14. Актуальность.

Область распределения максимума интенсивности мюонной компоненты ВКЛ теоретически
соответствует высотам от 17 до 8-10 км, т.е. это высота магистральных авиалиний. Активность ВКЛ
достигает максимума в период ШАЛ (широкий атмосферный ливень). Регистрация ШАЛ – одна из
главных задач проекта.
Вариации интенсивности ВКЛ соответствуют вариациям солнечной активности с запаздыванием по
времени. Изменение интенсивности потоков ВКЛ позволяет предсказывать магнитные бури, вызывающие
сбои в работе навигационного оборудования, приводит к ухудшению самочувствия у метеозависимых
людей. Определение природы первичной частицы, родившей ШАЛ, направления, откуда она пришла, и ее
энергии по наблюдаемым свойствам ливня — очень сложная задача. В нашем случае, мы планируем
определить свойства частиц по данным сцинтиляционного детектора.

15. Результаты измерений .

Рис. Эталонный график
по Регенеру-Пфотцеру.
Рис. Исходный и итоговый графики зависимости темпа счета мюонной компоненты от
величины атмосферного давления после обработки.

16. Расчет высоты.

Гипсометрическая формула учитывает изменение температуры с высотой. Более точной моделью является
гипсометрическая формула, которая учитывает среднюю температуру между двумя уровнями давления. Она часто
используется в метеорологии и авиации.