Salazár Alarcón, Diego H. (2013) Diseño y caracterización de un monitor de radiación para aplicaciones espaciales. / Design and characterization of a radiation monitor for space applications. Maestría en Ciencias Físicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
El Monitor Argentino de Radiación Espacial (MARE) tiene como objetivo medir partículas cargadas (electrones, protones y alfas) cubriendo el amplio espectro de flujos y de energías en condiciones de baja y alta actividad solar; con la posibilidad de seguir midiendo durante las erupciones solares. El mismo está formado principalmente por tres componentes: i) los detectores de radiación, ii) la electrónica analógica de conformación y amplificación de los pulsos generados en los detectores al arribar una partícula, y iii) la electrónica digital que analiza los pulsos, discrimina qué tipo de partícula interactuó con el detector, y los traduce en un espectro de energía que transmite a la computadora de a bordo. En esta tesis se trabajó sobre la implementación y los ensayos del monitor, en cada uno de sus componentes: En relación con la electrónica analógica se implementó el diseño propuesto para la placa de vuelo y se la montó en una caja de pruebas. Luego de modificar ciertas componentes para reducir el ruido en la electrónica, se verificó que la conformación de pulsos sea la correcta, y que la respuesta de toda la cadena de amplificación fuera lineal. También se estudió el efecto de apilamiento de pulsos para alta frecuencia de contaje. Se pudo determinar que para el contaje nominal máximo del MARE (50 kHz), la contribución al apilamiento de dos pulsos es menor al 6% y el de tres picos es prácticamente despreciable, que el porcentaje de pérdidas de eventos puede llegar hasta el 10%, y que el corrimiento en energía es tan solo de 4 keV. Las pruebas de ciclado térmico entre 25 a 68 ºC, mostraron una disminución lineal en la ganancia total de la cadena analógica con una variación del 3% para 68 ºC. Respecto de los ensayos en los detectores, los mismos se hicieron midiendo con la electrónica analógica de vuelo los espectros de energías provenientes de fuentes radioactivas emisoras de alfas y betas, que se los comparó con espectros calculados. Se estudiaron los efectos de las láminas delgadas de entrada viendo que el espectro de electrones no se afecta para las energías estudiadas (0,14 – 2,3 MeV), y que para partículas alfas la perdida de energía está de acuerdo con el previsto para esas láminas. Se comprobó que el filtro magnético desarrollado para el detector telescópico elimina todo el espectro de electrones con energías de al menos 2,3 MeV, y deja pasar partículas alfas de 5 MeV. Por otro lado, se estudió el efecto de la dispersión múltiple en electrones energéticos observándose que los espectros medidos detectan energías mayores a las esperadas si se consideran solo trayectorias lineales. Este efecto es tanto mayor cuanto más grueso es el detector. Por último, se estudió cómo la temperatura incrementa el ruido y reduce la resolución en energía, mostrando que la performance de los detectores propuestos es adecuada para temperaturas menores a los 40 ºC; y si se requiere trabajar a mayores temperaturas, los implantados son más adecuados que los de barrera de superficie. Finalmente, para la electrónica digital se comprobó que el estado actual del prototipo del proyecto solo permitía realizar contajes de pulsos reales para frecuencias menores a 1 kHz, para frecuencias mayores la pérdida de contaje era muy grande. Las últimas modificaciones realizadas (12 de Diciembre) por la empresa Emtech S.A. en los programas de la FPGA y en el software de adquisición, mostraron que el proyecto MARE no pierde cuentas para frecuencias en el rango de operación previsto (0 - 50000 Hz), funcionando como multicanal en el Modo Calibración, y elaborando el histograma del espectro en 9 bins para pulsos de entrada provenientes de fuentes reales.
Resumen en inglés
The Argentine Space Radiation Monitor (MARE) was designed to measure charged particles (electrons, protons and alphas) covering the wide range of integrated fluxes and energies at low and high solar activity, with the possibility of performing measurements during solar flares. MARE has three main components: i) the radiation detectors, ii) the analog electronic that shapes and amplifies the pulses generated by the detectors when they are hit by an incoming charged particle, and iii) the digital electronic that analyzes the pulses, discriminates types of particles, and builds an energy spectrum that is transmitted to the onboard computer. This thesis is about the implementation and testing of the monitor, in each of its components: The analog board designed for flight was implemented and mounted on a test box. After modifying certain components to minimize noise in the electronics, it was verified that the pulse shaping was correct, and the entire amplification chain had a linear response. The effect of pulse pile-up for high counting frequencies was also studied. It was determined that for the maximum nominal count of MARE (50 kHz), a) the contribution of two pulses pile-up is less than 6% and negligible for three pulses, b) the percentage of loss events can reach up to 10%, and c) the energy shift is only 4 keV. Thermal cycling tests between 25 - 68 ºC showed a linear decrease in the overall gain of the analog chain with a variation of 3% at 68 ºC. The tests in the detectors were performed by using the analog flight electronics, and by comparing the measured alpha and beta energy spectra (emitted from radioactive sources) with the calculated ones. The addition of very thin foils to the entrance of the detectors showed that the input energy spectrum is not affected for incoming electrons with energies between 0.14 to 2.3 MeV, and for alpha particles their energy loss agrees with that calculated for these foils. The measurements performed with the magnetic filter developed for the PT detector showed that it precludes electrons (with energies of at least 2.3 MeV) to hit the detector, and allows the passage of 5 MeV alpha particles. On the other hand, experiments performed with energetic electrons showed that the effect of multiple scattering caused the detection of electrons at energies higher than those expected for linear trajectories. This effect increases with the thickness of the detector. Finally, we studied how the rise of the temperature increases the noise and reduces the energy resolution, showing that the performance of the proposed detectors is suitable for temperatures below 40 ºC. If higher operation temperatures are required, the implanted detectors are more suitable than the surface barrier ones. The tests performed to the digital electronics showed that the software developed for the actual prototype board only allowed counting of real pulses for frequencies below 1 kHz. For higher frequencies the loss of detected events increased significantly. The last modifications (December 12) performed by Emtech S.A. in the FPGA and acquisition softwares showed that the MARE project does not lose counts for frequencies in the required operating range (0 - 50000 Hz), functioning as a multichannel analyzer in the calibration mode, and developing the spectrum histogram in 9 bins for pulses coming from real sources.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Ciencias Físicas) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Radiation detectors; Detectores de radiaciones; Satellities; Satélites; [ Space radiation; Radiación espacial; Argentine space radiation monitor; Monitor argentino de radiación espacial ] |
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| Materias: | Física > Astrofísica Física > Radioactividad Física > Física atmosférica |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Interacción de la radiación con la materia > Colisiones atómicas y físicas de superficies |
| Código ID: | 430 |
| Depositado Por: | Marisa G. Velazco Aldao |
| Depositado En: | 26 Mar 2014 10:22 |
| Última Modificación: | 26 Mar 2014 10:41 |
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