Известия РАН. Серия физическая, 2021, T. 85, № 8, стр. 1165-1168

ВВЕДЕНИЕ

Телескоп ТУС (Трековая УСтановка) является орбитальным детектором космических лучей предельно высоких энергий, регистрирующим флуоресцентные треки широкого атмосферного ливня в диапазоне длин волн 300–400 нм. Детектирование с околоземной орбиты позволяет достичь большой, по сравнению с наземными флуоресцентными детекторами, экспозиции и равномерного обзора всего неба [1]. ТУС состоит из зеркала-концентратора площадью 2 м² и фотоприемника на 256 каналов регистрации. В качестве светочувствительных сенсоров в каналах фотоприемника использованы фотоэлектронные умножители (ФЭУ) Hamamatsu R1463 [2]. В составе фотоприемника 256 каналов сгруппированы в 16 одинаковых модулей, имеющих общую систему высоковольтного питания, систему сбора и первичной обработки данных (см. также [3]).

Важной особенностью электроники ТУС является наличие системы автоматической регулировки усиления (АРУ): в процессе работы происходит постоянная подстройка усиления ФЭУ за счет регулировки высокого напряжения. В условиях минимальной интенсивности свечения напряжение на ФЭУ и их чувствительность максимальны, при увеличении интенсивности фона напряжение понижается, а чувствительность падает. Это позволяет функционировать детектору в условиях сильно переменного излучения атмосферы на ночной стороне орбиты.

28 апреля 2016 г. детектор в составе научной аппаратуры спутника Ломоносов был запущен на солнечно-синхронную орбиту с наклонением 97.3° и периодом обращения 94 мин на высоте около 500 км. Срок активного существования аппарата на орбите составил около полутора лет (первые результаты измерений приведены в [4–6]). Во время первых включений прибора на орбите произошел сбой в работе системы АРУ – не происходило понижения напряжения при частичной мощной засветке модуля фотоприемника. До исправления алгоритма работы АРУ прибор провел некоторое время на дневной стороне орбиты с максимальным усилением. В результате этого часть ФЭУ вышла из строя, а все остальные каналы изменили свою чувствительность. В работе [7] рассмотрен вариант относительной калибровки фотоприемника ТУС на основе данных, полученных самим прибором. В настоящей работе предложена методика абсолютной калибровки, т.е. определение коэффициентов усиления ФЭУ, которая проверена на лабораторном макете и применена фотоприемнику детектора ТУС.

МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ КАНАЛОВ

Стационарный поток фотонов на входе фотоприемника в канале преобразуется в цифровой сигнал (код АЦП), флуктуирующий вокруг определенного среднего значения – базового уровня. Базовый уровень определяется интенсивностью входного потока, а величина флуктуаций – случайным процессом образования фотоэлектронов на фотокатоде ФЭУ.

Традиционным способом калибровки ФЭУ в режиме постоянного тока является расчет коэффициента усиления G по базовому уровню A стационарного потока света: G ~ A/(pI), где I – интенсивность потока фотонов на фотокатоде ФЭУ, p – его квантовая эффективность.

Существенным для реализации данного метода является наличие калибровочного сигнала с известной интенсивностью. В отсутствии калибровочного сигнала можно воспользоваться тем, что в простейшем случае “нешумящего” усилителя дисперсия кода АЦП $\sigma _{A}^{2}$ линейным образом связана с базовым уровнем. Точнее, $\sigma _{A}^{2}$ ~ pIG², и в этом приближении зависимость $\sigma _{A}^{2}$(A) является прямой пропорциональностью, а ее угловой коэффициент p₀ позволяет определить усиление ФЭУ:

(здесь C – емкость анодной цепи, α – коэффициент трансформации аналогового сигнала в цифровой, q_e – фундаментальный заряд). Пример зависимости $\sigma _{A}^{2}$(A) для одного из каналов детектора приведен на рис. 1 слева.

Рис. 1.

Диаграмма Базовый уровень–Дисперсия, слева – прямая пропорциональность в канале 211, справа – линейная зависимость, полученная для ФЭУ VE0689 в ходе лабораторного эксперимента.

Для проверки методики был проведен лабораторный эксперимент на макете фотоприемника, представляющем собой один модуль и материнскую плату обработки сигнала, идентичные используемым в детекторе ТУС. В измерениях при фиксированной мощности определялся базовый уровень и дисперсия. Варьируя интенсивность излучения источника, были получены наборы точек на диаграмме Базовый уровень-Дисперсия, позволяющие оценить угловой коэффициент p₀ и коэффициент усиления G_f из (1). На рис. 1 справа приведен пример применения данной процедуры для одного из ФЭУ макета. Основным отличием от теоретической модели является замена пропорциональности линейной зависимостью (ненулевой свободный член связан с наличием в канале аддитивного шума АЦП).

Одновременно с этим на специально собранном стенде производились измерения интенсивности излучения непосредственно на входе ФЭУ. Это позволяло провести прямое измерение коэффициента усиления G. В рамках лабораторного эксперимента для каждого канала макета были получены обе оценки коэффициента усиления. Оказалось, что оценка усиления по флуктуациям кода АЦП почти в три раза превышает значение, полученное в ходе прямого измерения: K = G_f/G = = 2.7 ± 0.9.

Отличие K от единицы вызвано наличием в электронике шумов, существенно увеличивающих флуктуации сигнала, не изменяя его среднего значения (в частности, шум вносит импульсный источник высокого напряжения). Большой разброс значений K связан с тем, что коэффициент усиления зависит как от самого ФЭУ, так и от его положения в модуле (т.е. от распределения напряжения питания по динодной системе). Как следствие, данная методика обладает достаточно большой погрешностью, более 30%.

КАЛИБРОВКА ФОТОПРИЕМНИКА ДЕТЕКОТОРА ТУС

Для калибровки фотоприемника ТУС предварительно из базы данных были отобраны события со стационарным сигналом, зарегистрированные при максимально возможной чувствительности каналов с базовым уровнем, превышающим значение 10, – в этом случае можно пренебречь ошибкой, связанной с дискретностью оцифровки слабых сигналов. Для каждого из 196 каналов (для остальных калибровку провести не удалось) по отобранным стационарным сигналам строилась линейная аппроксимация зависимости $\sigma _{A}^{2}$(A), что позволяло рассчитать G_f и G = G_f/2.7. Медианное значение полученных коэффициентов усиления G составило 0.51 × 10⁶. По сравнению с результатами предполетной калибровки распределение G стало заметно шире: стандартное отклонение увеличилось от 0.21 × 10⁶ до 0.38 × 10⁶.

Действие мощного излучения на солнечной стороне орбиты может вызывать постепенное уменьшение чувствительности. Для анализа такого “эффекта старения” было проведено отдельное исследование зависимости G от времени функционирования на орбите. В качестве примера на рис. 2 изображены вариации чувствительности одного из каналов, построенные по ежемесячным данным в течение года. Видно, что в 2016 г. происходило постепенное снижение чувствительности канала, а в 2017 г. – ее стабилизация.

Рис. 2.

Вариации коэффициента усиления G_f канала 24 с сентября 2016 по октябрь 2017 г.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложена полетная калибровка фотоприемника орбитального детектора, основанная на линейной зависимости дисперсии стационарного сигнала от его базового уровня. Получаемый таким образом коэффициент усиления с точностью до поправочного множителя (оценка которого получена в рамках лабораторного эксперимента с макетом) совпадает коэффициентом усиления, измеряемом по калиброванному источнику. На основании этого была осуществлена полетная калибровка фотоприемника ТУС по отобранным из базы зарегистрированных данных стационарным сигналам и проведен анализ произошедшие изменений чувствительности каналов.

Работа выполнена при финансовой поддержке ГК Роскосмос и МГУ им. М.В. Ломоносова в рамках программы “Перспективные направления развития”.