Fakulta jaderná a fyzikálně inženýrská ČVUT vysílá své detektory na oběžnou dráhu

Unikátní detektory vyvinuté na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze se v pátek 5. července 2019 v 7.41 SEČ vydají na cestu na oběžnou dráhu Země. Vynese je tam ruská raketa Sojuz 2.1b/Fregat jako součást družice Socrat-R, kterou připravila Lomonosova univerzita v Moskvě. Detektory jsou umístěné v modulu, který společně připravila FJFI, společnost esc Aerospace a Ústav jaderné fyziky AV ČR (ÚJF). Konstrukci a výrobu celého přístroje zajistila česká firma esc Aerospace za přispění FJFI a ÚJF.

„Primárním zadáním mise je monitorování kosmického počasí a radiačního pole v okolí Země. K plnění tohoto úkolu bude využito unikátních monolitických pixelových detektorů vyvinutých na FJFI doplněných PIN diodovým open-source dozimetrem vyvinutým na Ústavu jaderné fyziky AV ČR,“ vysvětluje Václav Vrba z katedry fyziky FJFI, který současně vede Centrum aplikované fyziky a pokročilých detekčních systémů. V českých podmínkách jde o jediné pracoviště zabývající se vývojem polovodičových detekčních systémů ionizujícího záření s využitím špičkových mikroelektronických technologií. I ve světovém měřítku není takových laboratoří mnoho a pracoviště na FJFI se v tomto ohledu řadí ke světové špičce.

„Radiace je jednou ze zásadních překážek expanze člověka do vesmíru a náš detektor umožní přesné sledování radiačního pole a identifikaci jednotlivých částic, což nám umožní lépe studovat jeho vlastnosti,“ vysvětluje Michal Marčišovský, vedoucí fyzik řešitelského týmu FJFI. Zařízení by mělo denně odesílat až megabyte dat, přičemž limitem je dostupná přenosová kapacita komunikační linky ze satelitu. Získaná data budou následně vědci na FJFI analyzovat. „Vedle fyzikální analýzy údajů o kosmickém záření na orbitě budeme vyhodnocovat fungování našich detektorů v kosmickém prostředí s cílem vyvinout řádově lehčí detektory a výkonnější systémy pro široké nasazení v dalších satelitech pro pokrytí co největší části magnetosféry,“ upřesňuje Michal Marčišovský.

Nanosatelit Socrat-R o velikosti 30 × 10 × 10 cm je postaven na standardizované platformě 3U CubeSat a byl sestaven ve spolupráci s Výzkumným institutem jaderné fyziky D. V. Skobelcyna při Moskevské státní univerzitě M. V. Lomonosova. Česká část mise je technologická a má na palubě čtyři experimenty vyvinuté v České republice.

Mise Socrat-R má dva hlavní cíle: technologický a vědecký. Technologický cíl spočívá v testování nové generace mikroprocesorů v kosmických podmínkách a ověření detekčních parametrů unikátních detektorů radiačního pole vyvinutých v ČR.  Vědecká část mise má za úkol stanovení parametrů radiačního pole elektronů, protonů a těžkých iontů v podmínkách heliosynchronní orbity, kde bude družice prolétávat oblastí van Allenových radiačních pásů Země a polem galaktického kosmického záření. Informace získané při této misi budou využity pro ověření modelů kosmického záření používaných pro výpočet radiační zátěže družic a posádek kosmických plavidel a další zdokonalení vyvíjené kosmické instrumentace.

Česká část mise byla vyvinuta za spolupráce akademických institucí a soukromých firem a tvoří ji: Protonový teleskop na bázi detekčních čipů X-CHIP-03 pro detekci elektronů a protonů, Detekční čip SpacePix určený k detekci protonů a těžkých iontů, Unikátní PC104 platforma escOBC(tm) pro zpracování a redukci dat na bázi 32bitového ARM mikroprocesoru a radiačně odolných pamětí, Dozimetr SpaceDos, open-source detektor kosmického záření.

Detekční čipy X-CHIP-03 a SpacePix představují novou generaci radiačně-odolných monolitických pixelových detektorů ionizujícího záření, které umožní nejenom detekovat integrální dozimetrické veličiny, ale také identifikovat, klasifikovat a změřit vlastnosti jednotlivých dopadajících částic. Tyto detektory byly navrženy a vyvinuty na FJFI v pokročilé 180 nm SoI (Silicon-on-Insulator) technologii.

Detektor na bázi X-CHIPů vyslaný do vesmíru má dvě detekční vrstvy, nicméně vědci na FJFI už mají připravený koncept pětivrstvého detektoru, který dokáže získat přesnější data a měřit vlastnosti částic v širším rozsahu energií. V jeho vývoji sehrají důležitou roli právě i data a ověření současných modulů na oběžné dráze.

Dozimetr SpaceDos byl zkonstruován pracovníky ÚJF. Vývoj výpočetní platformy escOBC(tm), konstrukci, integraci instrumentace a vývoj přidruženého software zajistila česká firma esc Aerospace. Tento řídicí počítač escOBC(tm) je postavený na výkonném 32bitovém mikropočítači s výrobní technologií 45 nm. Je to první experimentální nasazení testované v kosmickém prostředí dle standardu IMA-SP (Integrované modulární avioniky pro vesmírné aplikace). Cílem experimentu je ověřit odolnost jednotlivých bloků v prostředí kosmické radiace a cyklického střídání teplot, samoopravnými schopnostmi se s těmito vlivy vypořádat za běhu, a ověřit možnosti škálování výpočetního výkonu a spotřeby.

Pixelové detektory nové generace, které jsou součástí družice Socrat-R, byly vyvinuty v České republice na FJFI v rámci grantů TA ČR a s podporou Evropské unie v rámci OP VVV projektu Centrum pokročilých aplikovaných přírodních věd – CAAS. Vypuštění nosné rakety Sojuz 2.1b/Fregat bude možné sledovat on-line v pátek 5. července 2019 v 7.41 hod. SEČ zde.