Детекторы Artemis I уточнили уровень космической радиации у Луны и Земли
Эксперимент Artemis I позволил выяснить, с каким уровнем космического излучения могут столкнуться астронавты вблизи Луны. Для этого на борту корабля Orion были использованы экспериментальные детекторы, изготовленные из кристаллов фторида лития. Первые результаты показали, что радиационная нагрузка в лунном окружении отличается от условий на низкой околоземной орбите. Об этом сообщает Science XXI.
Беспилотный Orion облетел Луну в конце ноября — начале декабря 2022 года. На борту находились два манекена, внутри которых разместили более 10 тысяч миниатюрных кристаллов. Среди них были несколько десятков флуоресцентных детекторов, разработанных учеными Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове, а также почти 600 термолюминесцентных кристаллических приборов. Результаты работы исследователей опубликованы в журнале Radiation Measurements.
Фторид лития фиксирует повреждения, оставляемые заряженными частицами в кристаллической структуре. Под воздействием синего света изменённые участки начинают светиться красным, что позволяет исследовать траектории частиц под микроскопом. «Флуоресцентные детекторы из фторида лития, разработанные в нашем институте, являются пассивными. Они работают как фотоплёнка: после воздействия радиации следы частиц необходимо исследовать оптически под микроскопом», — пояснил один из авторов работы профессор Павел Бильский из IFJ PAN.
В отличие от традиционных пластиковых пассивных детекторов, кристаллы не требуют химического травления перед анализом. Однако определить точную дозу по свечению оказалось сложнее, чем увидеть сами следы. Космические частицы приходят с разных направлений, имеют различную энергию и оставляют треки разной формы — от непрерывных линий до разрозненных точек. Учёным пришлось разработать калибровку и программные методы для удаления фонового сигнала, связанного с участками треков вне фокуса микроскопа.
После обработки результаты отличались от показаний стандартных трековых детекторов не более чем на 15% во всём совпадающем диапазоне значений энерговыделения. Новый метод также позволил зарегистрировать множество следов частиц с энергией ниже порога приборов, применявшихся ранее. «После применения ряда поправок и разработки программного обеспечения для корректного удаления фона, мешавшего измерениям, наши результаты отличались не более чем на 15% от полученных с помощью обычных трековых детекторов во всём перекрывающемся диапазоне значений энерговыделения. Кроме того, мы зарегистрировали многочисленные следы частиц, соответствующие энерговыделениям ниже порога обнаружения использовавшихся до сих пор детекторов», — подчеркнул Бильский.
Данные Artemis I сравнили с результатами эксперимента MATROSHKA, проведённого ранее на Международной космической станции. На низкой околоземной орбите значительная часть дозы создаётся низкоэнергетическими протонами из радиационных поясов Ван Аллена, поэтому облучение внутри манекенов распределялось неравномерно. Вблизи Луны эти пояса не действуют, а большую роль играют галактические частицы высокой энергии, способные пройти через всё тело и отдать лишь часть энергии. Поэтому доза там выше, но распределена почти равномерно, а разница с околоземной орбитой оказалась меньше ожидаемой. «Низкоэнергетические протоны, удерживаемые магнитным полем Земли в радиационных поясах Ван Аллена, могут составлять основную часть радиационной дозы, которую получают астронавты на низкой околоземной орбите. В окрестностях Луны этот значительный вклад исчезает. Наши измерения в рамках эксперимента MARE показывают, что, хотя суммарные дозы радиации вблизи Луны выше из-за значительного уровня галактического излучения, разница не настолько велика, как можно было бы интуитивно предположить», — отметил профессор.
Кристаллы были изготовлены методом Чохральского — способом выращивания монокристаллов, который специалисты IFJ PAN начали развивать около десяти лет назад. Размер таких детекторов составляет всего несколько миллиметров, поэтому их можно носить на теле во время космических полётов. Они дают более чёткие изображения треков, работают при сравнительно высоких дозах и способны регистрировать широкий спектр частиц и энергий. При обогащении изотопом лития-6 кристаллы также могут фиксировать нейтроны: при их взаимодействии с ядрами лития возникают вторичные заряженные частицы, оставляющие обнаруживаемые изменения. Исследование MARE поддержал Национальный научный центр Польши в рамках программы OPUS.
