Проникая сквозь лед:
высоконадежные соединители Harwin серии Datamate выбраны для использования в престижном проекте нейтринного телескопа AMANDA II
Введение
С развитием науки и технологий появляются все новые способы изучения космического пространства и процессов, происходящих в нем. Оказалось, что исследованием космоса можно заниматься не только непосредственно в самом космическом пространстве или наблюдая за ним с поверхности Земли. На самой нашей планете можно обнаруживать следы космической деятельности, исследуя которые можно судить о процессах, происходивших за миллиарды световых лет от Земли.
Об одном из таких способов, а именно о создании нейтринного телескопа AMANDA II в Антарктике, а также об одной из технических задач, с которой пришлось столкнуться при реализации данного проекта, и пойдет речь в статье.
Картография небесного пространства
Глубоко проникая в антарктический лед, телескоп AMANDA II (антарктическая детекторная матрица мюонов и нейтрино) предназначен для мониторинга по направлению не вверх, а вниз, сквозь земную поверхность, для картографирования небесного пространства в Северном полушарии, детектируя активность высоких энергий космических нейтрино (рис. 1). При выборе системы электрических соединений, которые будут использоваться в этом престижном проекте, разработчикам из научной лаборатории Физического университета штата Висконсин понадобились очень надежные миниатюрные соединители, которые также способны обеспечивать высокие скорости передачи данных (рис. 2).
Разработанный ими телескоп IceCube, принадлежащий к следующему поколению нейтринных телескопов, состоит из 677 стеклянных оптических модулей, каждый размером с шар для боулинга (рис. 3). Между собой они связаны в систему 19 кабельными жгутами и проникают глубоко сквозь лед с помощью сверл горячей воды высокого давления (рис. 4). Система преобразует толщу льда цилиндрической формы глубиной 500 и диаметром 120 м в детектор частиц. Стеклянные модули работают как лампочки, только в обратном направлении. Они обнаруживают и захватывают слабые и кратковременные лучи света, возникающие в том случае, когда нейтрино сталкиваются с атомами льда внутри или вблизи детектора (рис. 5).
Субатомные обломки создают мюоны, еще один вид субатомных частиц, которые оставляют мимолетные лучи синего света в толще антарктического льда. Полоса света соответствует пути нейтрино и указывает на его исходную точку. Регулярное обнаружение нейтрино дает астрономам возможность изучать такие необычные явления, как столкновения черных дыр, не только с помощью обычных телескопов. Описанным способом возможно получать прямой доступ к информации, дошедшей до нас в неизменном виде, о событиях, которые произошли миллионы лет назад на расстоянии сотен миллионов или миллиардов световых лет от Земли.
Требования по высокой надежности
Для завершения проекта Университету штата Висконсин была необходима система коммутации для выполнения силовых и коммуникационных сигналов к материнской печатной плате внутри каждого цифрового оптического модуля (ЦОМ). Команда разработчиков рассмотрела целый ряд соединителей для этого проекта, но ни один из них не соответствовал требованиям высокой надежности и высокой скорости передачи данных.
Хотя надежность и находилась на первом месте среди необходимых требований, не менее важным было подобрать разъемы наименьших размеров, поскольку существовали значительные пространственные ограничения. Кроме того, разъем должен был иметь обжимные контакты и систему фиксации ответных частей.
Решение задачи с помощью соединителей Harwin серии Datamate
После оценки нескольких вариантов соединителей были выбраны соединители серии Datamate от Harwin (рис. 6) — британского производителя высоконадежных и высокопроизводительных соединителей, которые удовлетворяют всем описанным требованиям.
Розетки Harwin серии Datamate с обжимными контактами и вилки с контактами для пайки на печатную плату были использованы в качестве коммутирующих устройств в проекте IceCube (рис. 7).
Обе ответные части были изготовлены с толщиной золотого покрытия контактов 1,27 мкм вместо стандартной толщины 0,75 мкм, чтобы обеспечить высокоскоростную передачу данных в соответствии с требованиями разработчиков. Эти соединители расположены в датчиках, имеющих размер и форму шара для боулинга.
Полностью все характеристики соединителей Harwin серии Datamate разбиты по типам и сведены в таблицы 1–4.
Изолятор |
Стеклонаполненный термопластик UL94V-0 |
Гнездовой контакт |
Латунный корпус, берилиево-медный сплав — внутренний механизм |
Штыревой контакт |
Фосфористая бронза |
Покрытие контактов |
Несколько вариантов (см. каталог) |
Токовая нагрузка (на один контакт) |
3,3 А max при +25 °C 2,6 А max при +85 °C |
Токовая нагрузка (при нагружении всех контактов) |
3 А max при +25 °C 2,2 А max при +85 °C |
Рабочее напряжение (на уровне моря 1013 мбар) |
800 В DC или AC(rms) |
Испытательное напряжение (на уровне моря 1013 мбар) |
1200 В DC или AC(rms) |
Контактное сопротивление (начальное) |
20 мОм max |
Контактное сопротивление (после выдержки) |
25 мОм max |
Сопротивление изоляции (начальное) |
1000 МОм min, при 500 В DC |
Сопротивление изоляции (после выдержки) |
100 МОм min, при 500 В DC |
Количество циклов стыковки/расстыковки |
500 |
Усилие стыковки/расстыковки (для пары контактов) |
2,8 Н max, 0,2 Н min (для серии M80-XX) 1 Н max, 0,2 Н min (для серии M83-XX) |
Усилие удержания контакта |
10 Н min |
Удерживающая сила контакта |
0,2 Н min |
Параметры обжимных контактов |
Сигнальные: от 22 AWG до 32 AWG или MIL-W-16878 Тип ET) Силовые: от 12 AWG до 20 AWG |
Климатические испытания |
55/125/56 дней при относительной влажности 95% |
Рабочая температура |
–55…+125 °C |
Чувствительность к вибрациям |
от 10 до 2000 Гц, 0,75 мм, 98 мм/с2 (10G), продолжительность 6 часов |
Ударная тряска |
390м/с2 (40G), (4000 ±10) ударов |
Воздействие одиночного удара |
981м/с2 (100G) в течение 6 мс |
Устойчивость к ускорениям |
490 м/с2 (50G) |
Вывод
Исследования источников космических нейтрино будут получать новые возможности по мере того, как телескоп AMANDA II будет увеличиваться в размерах с добавлением новых детекторов. По планам телескоп должен вырасти по объему до 1 км3 льда, и IceCube, как ожидается, обеспечит обнаружение космических источников нейтрино с высокой эффективностью.
Harwin в конечном итоге ожидает, что более 4500 пар соединителей серии Datamate будут использованы в антарктических льдах. Для представительства Harwin в США, которое приняло участие в разработке данного проекта, это чрезвычайно престижный заказ, подчеркивающий пригодность серии Datamate в качестве высоконадежных, высокопроизводительных миниатюрных соединителей.