Миссия NASA Artemis I (Артемида-1) позволила получить новые данные о том, какую дозу космической радиации могут получить астрономы вблизи Луны по сравнению с низкой околоземной орбитой. Специалисты использовали экспериментальные детекторы на кристаллах фторида лития, установленные на корабле Orion (Орион). Предварительные замеры показали неожиданные различия в радиационной нагрузке между этими двумя средами, сообщает ScienceDaily.
В ходе беспилотного полёта в конце ноября и начале декабря 2022 года Orion облетел Луну. На борту находились более 10 тысяч крошечных кристаллов, встроенных в двух манекенах, которые фиксировали радиационное облучение на протяжении всего пути. Среди них были несколько десятков экспериментальных флуоресцентных детекторов из фторида лития, созданных учёными Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове. Исследователи описали новый метод анализа информации, накопленной в этих кристаллах, и результаты опубликованы в журнале Radiation Measurements.
«Флуоресцентные детекторы дозы излучения на основе фторида лития, разработанные в нашем институте, являются пассивными. Иными словами, они работают как фотоплёнка: после облучения кристаллов следы отдельных частиц необходимо анализировать оптически под микроскопом», — пояснил профессор Павел Бильский из IFJ PAN, один из соавторов работы.
Детекторы фиксируют микроскопические изменения, вызванные радиацией. Когда заряженные частицы проходят через кристалл, они нарушают его внутреннюю атомную структуру, создавая дефекты — так называемые цветовые центры. При подсветке синим светом эти изменённые области начинают светиться красным. Изучая свечение под микроскопом, учёные могут определить траектории отдельных частиц. Детекторы входили в состав исследования MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment), проведённого в рамках Artemis I. Несколько десятков экспериментальных образцов разместили в обоих манекенах, часть из них содержала высокие концентрации изотопа литий-7. Помимо этого, специалисты IFJ PAN поставили почти 600 термолюминесцентных кристаллических детекторов, измеряющих радиацию другим способом.
Главное преимущество новых детекторов — упрощение анализа треков. Традиционные пассивные детекторы из пластика требуют химического травления перед изучением следов частиц. Кристаллы фторида лития исключают этот этап, позволяя рассматривать треки напрямую с помощью стандартного флуоресцентного микроскопа. Наблюдать за треками, собранными у Луны, оказалось сравнительно просто, а вот понять, что именно они говорят об облучении, было сложнее. Для получения надёжных числовых значений команде пришлось разработать сложные методики калибровки и анализа.
Космическая радиация непредсказуема, в отличие от лабораторных условий. В обычном эксперименте детектор облучают пучком частиц известного типа с заданной энергией и направлением. В космосе излучение приходит со всех сторон и включает множество частиц и атомных ядер с огромным разбросом энергий. Из-за этого микроскопические треки трудно интерпретировать: частицы попадают в кристаллы под разными углами, и следы тянутся в разных направлениях. Микроскоп фиксирует участок трека в своей фокальной плоскости (около одного микрометра), но также регистрирует размытое свечение от частей вне этой узкой зоны. Этот дополнительный свет влияет на измеряемую интенсивность флуоресценции, по которой оценивают плотность ионизации материала. Разные частицы оставляют и разные картины: сильная ионизация даёт непрерывные чёткие линии, слабая — разрозненные точки. Чтобы преодолеть эти сложности, исследователи ввели ряд поправок и создали программное обеспечение для удаления фоновых сигналов. Улучшенный анализ приблизил их измерения к результатам проверенных технологий и выявил события, которые старые приборы не фиксировали.
«После применения ряда поправок и разработки программного обеспечения для удаления мешающего фона наши результаты отличались не более чем на 15% от данных обычных трековых детекторов во всём перекрывающемся диапазоне значений энерговыделения. Более того, мы зафиксировали множество треков частиц с энерговыделением ниже порога обнаружения использовавшихся до сих пор детекторов», — подчеркнул профессор Бильский. Замеры Artemis I также позволили сравнить облучение у Луны с результатами более раннего эксперимента на Международной космической станции. В эксперименте MATROSHKA, проведённом более десяти лет назад, часть радиации шла от низкоэнергетических протонов, захваченных радиационными поясами Ван Аллена. Эти частицы оставляли энергию на разной глубине, создавая неравномерное распределение доз. У Луны условия иные: пояса Ван Аллена туда не доходят, поэтому больший вклад вносят высокоэнергетические частицы из Галактики, которые проходят через всё тело человека, отдавая лишь часть энергии. В итоге детекторы Artemis I зафиксировали почти равномерное распределение доз в манекенах.
Учёные отметили и на первый взгляд нелогичный результат. Хотя у Луны астронавты получают больше радиации, чем на низкой околоземной орбите, разница не так велика, как можно предположить. «Низкоэнергетические протоны, захваченные магнитным полем планеты в поясах Ван Аллена, могут давать основную часть дозы, получаемой астронавтами на низкой околоземной орбите. Вблизи Луны этот существенный вклад исчезает. Наши измерения в эксперименте MARE показывают, что, хотя суммарные дозы у Луны выше, чем на орбите Земли, из-за заметного уровня галактического излучения разница не так велика, как можно было бы интуитивно ожидать», — отметил профессор Бильский. Флуоресцентные детекторы из фторида лития изготовили методом Чохральского — технологией выращивания кристаллов. Специалисты IFJ PAN впервые разработали её около десяти лет назад и с тех пор совершенствуют. Компактность — одно из главных достоинств: размеры составляют всего несколько миллиметров, а не сантиметров, поэтому детекторы удобно носить, что делает их практичными для контроля облучения в космических полётах. Они также дают более чёткие изображения треков, чем обычные пластиковые детекторы с химическим травлением, позволяя различать отдельные следы даже при относительно высоких дозах. Кроме того, кристаллы регистрируют широкий набор типов частиц и энергий, а при обогащении изотопом литий-6 способны улавливать нейтроны, которые при взаимодействии с ядрами лития вызывают ядерные реакции с образованием вторичных заряженных частиц. Эти возможности делают детекторы перспективным инструментом для изучения радиационной обстановки за пределами Земли. Работы в рамках проекта MARE поддержаны грантом Национального научного центра Польши (NCN) по программе OPUS.