Слайд 1 - Научно-технический совет ГНЦ РФ

Защита технического проекта
ИЗМЕРИТЕЛЬ МОЩНОСТИ
РАДИАЦИИ
Пояснительная записка
Xm2.805.616ПЗ
Основание для разработки
• Государственный контракт № 351-9990/10 от 20
декабря 2010 г. по теме «ППТС» между
Федеральным космическим агентством (Роскосмос) и
ОАО «РКК «Энергия»;
• Договор на создание научно-технической продукции №
12-10-512 от 03.09.2012 г. между ОАО «РКК «Энергия»
и ГНЦ РФ - ИМБП РАН (шифр – «ИМР-ПТК»)
• Разработка технического проекта на измеритель
мощности радиации. Шифр СЧ ОКР – «ИМР-ПТК».
ТЗ.0008.173-119.
2
Цели и задачи
Целью выполнения СЧ ОКР
является разработка
технического проекта на
измеритель мощности
радиации для системы
контроля радиационной
обстановки пилотируемого
транспортного корабля
(ПТК).
Задачи:
1. Разработка и выпуск
перечня (комплектности)
документации технического
проекта на ИМР:
2. Разработка
дополнительных
материалов технического
проекта на ИМР в
соответствии с техническим
заданием на СЧ ОКР
ТЗ.0008.173-119.
3. определение и
обоснование необходимого
количества ИМР для
экипажа ПТК.
;
3
Технические характеристики эксплуатации
перспективной транспортной системы (ПТК)
1) При выполнении полётов к Луне:
•
численность экипажа составляет до 4
человек;
•
масса доставляемого (возвращаемого) груза –
не менее 100 кг;
•
длительность автономного полёта при полёте
к Луне и возвращению к Земле – до 30 суток;
•
длительность полёта в составе окололунной
орбитальной инфраструктуры определяется
задачами полёта.
2) При выполнении околоземных полётов:
•
штатная численность экипажа – 4 человека
(должна обеспечиваться возможность
размещения для спуска до 6 человек);
•
масса доставляемого (возвращаемого) груза –
не менее 500 кг;
•
длительность автономного полёта ПТК по
околоземной орбите должна определяться
программой полёта и минимизироваться по
времени;
•
длительность полета в составе орбитального
пилотируемого комплекса (ОПС) – не менее 1
года.
4
Схема деления бортовой Системы Контроля
Радиационной Обстановки (СКРО) для ПТК
Источники космической радиации
6
Солнечное протонное событие:
проявление на околоземной орбите
Mir orbit
Before the SPE of
Sep. 29, 1989
After the SPE of
Sep 29, 1989
Flux Max = 250 p/cm2 s
Dose Max = 3000 mGy/h
7
Дозиметрия космической радиации с использованием
полупроводниковых кремниевых детекторов
d

l
l- длина трека внутри ППД
d – толщина ППД
 - угол падения
l=S/cos
• E = l*dE/dx=dE/dx*d/cos
• J = N*cos
• D E * J – не зависит от угла падения
(0< <60)
• D = N·/m
• где: D - доза Гр;
•  - энергия образования одной пары
ионов;
• m - масса чувствительной области
детектора;
• N=Q/e – число образовавшихся пар,
где Q – полный заряд, e – заряд
электрона.
Варианты обработки сигналов,
поступающих с детектора под воздействием
ионизирующего излучения
• Измерение ионизационного тока с детектора
(не применяется в космической дозиметрии,
IтемнIГКЛ)
• Измерение скорости счета или общего числа
импульсов с детектора ( потоку)
• Измерение суммарного заряда ионизационных
импульсов, образовавшихся в детекторе (
поглощенной дозе)
• Измерение и последующая обработка спектра
амплитуд импульсов с детектора (поток, доза,
оценка ЛПЭ-спектра)
9
Относительные преимущества
(достоинства) ППД дозиметрии
• высокая дозовая чувствительность (10-9 Гр/имп,
измерение дозы каждые 10 с на трассе полета
орбитального КА);
• возможность одновременно измерять мощность дозы и
плотность потока в одной и той же точке;
• линейность показаний детектора в широком диапазоне
ЛПЭ регистрируемых частиц; широкий диапазон
измеряемых мощностей доз;
• механическая прочность и диапазон рабочих
температур, приемлемых для аппаратуры,
используемой на КА;
• малый вес и габариты детектора;
• возможность использовать сравнительно низкое
напряжение питания детектора, а также отсутствие
жестких требований к стабильности этого напряжения
10
Прототип переносного показывающего
дозиметра – «Люлин-МКС»
Переносные дозиметры
Блок инициализации, зарядки с
сброса данных
11
Измеритель мощности радиации: схема
деления структурная
12
Внешний вид дозиметра показывающего
индивидуального
Конструктивно ДПИ реализован в
прямоугольном алюминиевом корпусе и
имеет максимальные габаритные размеры
до 130х57,7х26,5 мм.
(в ТЗ не более 110х70х20 мм!)
Применение корпуса данного типа
обусловлено:
- соответствием требованиям технического
задания в части условий эксплуатации;
- обеспечением оптимальных
метрологических характеристик;
- реализацией удобства и простоты работы
с прибором и технического обслуживания;
- минимизация объема компоновочных
решений и массо-габаритных параметров;
-конструктивно-технологическими и
экономическими преимуществами при
изготовлении опытного образца.
Литий-ионный аккумулятор (3.7 В), обеспечивает непрерывную работу дозиметра
в
13
течение 7 суток (в ТЗ 14 суток!)
Структурная схема дозиметра
показывающего индивидуального (ДПИ)
USB(on)
A(charging)
Схема управления
UA
зарядом
аккумулятора
A
DC-DC (3,3-54v)
Узел детектирования
ПДПГ-06П
DC-DC (UA/5v)
Детектор (Si)
2,5см*2, 0,3мм
5v
Матричный индикатор 8(5х7)
ЗЧУ
DC-DC (UA/3,3v)
Усилительформирователь
3,3v
Устройство
логической
обработки сигнала
Эл. ключ
5v
3,3v(off)
D-
Порт USB
D+
АЦП (8 bit)
5v(off)
Детектор - кремниевый ионноимплантированный площадью 2.5 см2 и
толщиной 300 мкм
ЗЧУ, АИ -256 каналов
Микроконтроллер (MSP430 F5529)
Reset
54v
Порт
программирования
Элементы ручного
управления(кнопки)
ДПИ должен непрерывно измерять:
-поток
заряженных
частиц
с
ионизирующей способностью выше 1
МэВ/мм в кремнии с чувствительной
площадью
не
менее
1
см2,
энергетическим разрешением не хуже
100 кэВ,
-поток частиц в пределах от 0,1 до 1,25
104 1/с см2,
-регистрировать поглощенную дозу от
потока заряженных частиц СКЛ, ГКЛ,
ЕРПЗ в диапазоне от 110-6 до 10 Гр с
погрешностью измерений не выше
20%;
-определять
мощность
дозы
в
пределах от 510-7 Гр/час до 0,2 Гр/час
Память (Flash)
Требования к блоку обработки
информации
БОИ (среди прочих) должен удовлетворять следующим требованиям:
• в блоке должны быть в полном объеме реализованы аппаратнопрограммные средства USB host контроллера;
• блок должен полностью поддерживать подключение к нему USBустройств класса CDC (Communication Device Class);
• блок должен обеспечивать прием из ДПИ накопленных данных,
передачу этих данных в бортовую систему, а так же синхронизацию
ДПИ с бортовой системой;
• блок должен обеспечивать возможность заряда от него до четырех
ДПИ единовременно на шине +5В токами не менее 100 мА на каждый
ДПИ (очень желательно 500 мА).
Количество ДПИ на борту ПТК:
– минимум 2 (дублирование)
– максимум 4 (по одному на каждого члена экипажа).
15
Работа ДПИ
• После включения ДПИ начинает выполнять свои функции.
• Рабочие программы МК позволяют вычислить потоки частиц,
поглощенную дозу от потока заряженных частиц и определить ее
мощность.
• Вычисленные значения параметров излучения, а также другая
информация (уровень заряда аккумулятора, состояние подключения к
БОИ, состояние процесса заряда аккумулятора) представляется по
запросу оператора на восьмиразрядном светодиодном матричном
индикаторе.
• В режиме регистрации излучения индикатор обесточен для
уменьшения разряда батареи. Выбор режима индикации производится
оператором кнопками на торцевой части корпуса ДПИ.
• На дисплее показывающего дозиметра (периодически) отображается:
 текущее время,
 текущая мощность дозы,
 доза, накопленная от момента включения (инициализации) с
указанием времени (час, мин, с) от момента включения
(инициализации).
16
Технико-экономическое обоснование разработки ИМР
Стоимость работ организаций-соисполнителей, тыс. руб.
Организа-циясоиспол-нитель
ИМБП
Наименование составной части
комплекса
(изделия
СЧК (КПТК), в том числе по
этапам:
Аванпроект (техническое
предложение)
Эскизный проект
Технический проект
Наименование систем,
приборов, агрегатов
Дозиметр показывающий
индивидуальный
(ДПИ-ППТС)
СКРО
-
Разработка КД,
экспериментальная
отработка,
участие в КИ и
ЛИ
Поставка
матчасти для
комплексной
отработки
Поставка
матчасти для
летного
изделия
10000
8000
8000
-
-
-
Поставка КИА, КПА, НИО
Постав-ка
ЗИП
Для
КИС
Для ТК
4000
Для СК
8000
-
-
-
Разработка рабочей документации
на опытные изделия комплекса и
макеты
1500
3500
1000
-
Изготовление макетов и опытных
изделий комплекса, автономные
испытания и корректировка
рабочей документации
5000
2000
-
Изготовление опытных изделий
комплекса, комплексные и
межведомственные испытания и
корректировка рабочей
документации
8000
3000
2000
-
-
-
Летные испытания
-
8000
4000
-
Система i, в т.ч. по приборам,
агрегатам:
17
Заключительные замечания
• В настоящем техническом проекте для экипажа ПТК в качестве
средства индивидуального дозиметрического контроля
предложено использовать измеритель мощности радиации –
автономный, показывающий, полупроводниковый дозиметр,
позволяющий измерять динамику мощности дозы.
• Выполнение СЧ ОКР предусматривает на последующих этапах:
–
–
–
–
–
–
–
разработку РКД;
изготовление образцов для автономных испытаний;
разработка и изготовление КИА, разработка ПМО
проведение автономных испытаний;
проведение калибровки на источниках излучений;
изготовление летных образцов и проведение испытаний в составе КС
обучение космонавтов работе с дозиметром в соответствии с задачами
Службы радиационной безопасности космических полетов
18
Авторский коллектив по проекту
ИМБП РАН
• В.А. Шуршаков
• А.Г. Никоноров
• О.А. Иванова
и др.
ОАО «РКК «Энергия»
• И.В. Николаев
• А.Н. Волков
• С.В. Хулапко
и др.
«НИЦ «СНИИП-Плюс»
• В.Г. Гулый
• М.В. Васильев
• И.С. Карцев
и др.
19
Для справки.
Космическая радиация: дозы и дозовые пределы
Период экспонирования
Фоновая доза на поверхности Земли за сутки
Доза, мЗв
0.003
Доза на борту космической станции за сутки
0.5
Доза за год в космическом полете = 0.5x365
180
500
20
Основной дозовый предел за 1 год полета
Дозовый предел за 1 год для персонала группы А
на Земле (в среднем за 5 лет)
Эффективная доза за рентгеновский снимок
грудной клетки
Профессиональный предел дозы,
космонавта/персонала группы А
0.1
1000
20