Polskie detektory zarejestrowały promieniowanie wokół Księżyca

Ponad 10 tys. kryształków rozmieszczonych w ludzkich fantomach na statku Orion podczas misji Artemis I gromadziło dane o dawkach promieniowania kosmicznego – poinformowano w komunikacie Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN).

Eksperymentalne detektory z fluorku litu, zainstalowane na pokładzie statku Orion w misji Artemis I, umożliwiły przeprowadzenie wstępnych oszacowań, czy dawki promieniowania kosmicznego w okolicach Księżyca różnią się od otrzymywanych przez astronautów na niskich orbitach okołoziemskich. 

Kapsuła Orion bezzałogowej misji Artemis I krążyła wokół Księżyca na przełomie listopada i grudnia 2022 r. Na jej pokładzie ponad 10 tys. kryształków rozmieszczonych w dwóch ludzkich fantomach gromadziło dane o dawkach promieniowania kosmicznego. Wśród nich znajdowało się kilkadziesiąt eksperymentalnych detektorów fluorescencyjnych z fluorku litu, przygotowanych w IFJ PAN w Krakowie. Wkład krakowskiego instytutu w eksperyment MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) obejmował także ok. 600 detektorów termoluminescencyjnych.

Wnioski z analizy zebranych przez nie danych opublikowano na łamach czasopisma „Radiation Measurements”.

„Fluorescencyjne detektory dawek promieniowania, rozwijane przez nasz instytut na bazie fluorku litu, mają charakter pasywny. Innymi słowy, działają one jak klisze fotograficzne: po napromienieniu kryształków ślady przelotów poszczególnych cząstek trzeba później analizować optycznie, pod mikroskopem” – wyjaśnił, cytowany w komunikacie, współautor artykułu prof. dr hab. Paweł Bilski z IFJ PAN.

Zasada działania pasywnych detektorów z kryształków fluorku litu opiera się na powstawaniu defektów w strukturze krystalicznej materiału pod wpływem przechodzących przez nie cząstek promieniowania jonizującego. Defekty te pełnią funkcję centrów barwnych, które podczas odczytu w laboratorium są pobudzane światłem niebieskim, w wyniku czego emitują obserwowane pod mikroskopem światło fluorescencyjne w zakresie czerwonym. 

Dotychczas stosowane pasywne detektory śladowe z tworzyw sztucznych wymagają przed odczytem chemicznego trawienia. W przypadku kryształków z fluorku litu obróbka chemiczna nie jest konieczna, a do obserwacji wystarcza mikroskop fluorescencyjny. „Odczyt śladów przebiegł szybko, jednak wydobycie informacji ilościowych wymagało opracowania specjalnych metod kalibracji ze względu na specyfikę promieniowania kosmicznego” – podano w komunikacie. 

W przeciwieństwie do warunków laboratoryjnych, w których detektory są naświetlane wiązkami cząstek jednego rodzaju o stałej energii i kierunku, promieniowanie kosmiczne nadlatuje ze wszystkich stron. Zawiera ono wszystkie rodzaje naturalnie występujących cząstek i jąder atomowych o bardzo szerokim zakresie energii. „Podczas obserwacji mikroskopowych ślady biegną w różnych kierunkach, przez co kamera oprócz odcinka w obszarze ostrości (o rozmiarze około mikrometra) rejestruje rozproszoną poświatę z pozostałych fragmentów, co zmienia intensywność świecenia. Ponadto cząstki silnie jonizujące pozostawiały ślady w postaci ciągłych linii, a cząstki słabo jonizujące jedynie ciąg odseparowanych punktów” – wyjaśnili autorzy materiału prasowego. 

„Nasze wyniki różniły się od otrzymanych za pomocą typowych detektorów śladowych o nie więcej niż 15 proc. w całym wspólnym przedziale wartości depozycji energii. Co więcej, zarejestrowaliśmy także wiele śladów cząstek, które zdeponowały mniejsze ilości energii niż wynosił dolny próg detekcji dotychczasowych detektorów” – zaznaczył prof. Bilski.

Podczas wcześniejszego eksperymentu Matroshka na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej za część dawki w fantomach ludzkich odpowiadały niskoenergetyczne protony z wokółziemskich pasów Van Allena. To obszar intensywnego promieniowania jonizującego otaczającego Ziemię. Składa się z naładowanych cząstek o wysokiej energii (głównie elektronów i protonów) uwięzionych przez ziemskie pole magnetyczne.

W pobliżu Księżyca pasy Van Allena nie występują, ale jest tam więcej promieniowania galaktycznego o bardzo wysokich energiach, którego cząstki przenikają przez całe ciało przebywającego tam człowieka. Rozkład dawek zarejestrowany wewnątrz fantomów podczas misji Artemis I był więc praktycznie jednorodny.

„Niskoenergetyczne protony, uwięzione przez pole magnetyczne naszej planety w pasach Van Allena, mogą odpowiadać za większość dawki, na jaką są narażeni astronauci na niskich orbitach wokółziemskich. W okolicy Księżyca ten znaczący wkład znika. Z naszych pomiarów w ramach eksperymentu MARE wynika, że z uwagi na duże ilości promieniowania galaktycznego całkowite dawki przy Srebrnym Globie są więc co prawda większe niż na orbicie Ziemi, ale nie aż tak bardzo, jak można by się było intuicyjnie spodziewać” – powiedział prof. Bilski.

Fluorescencyjne detektory śladowe na bazie fluorku litu, hodowane metodą Czochralskiego (która polega na powolnym „wyciąganiu” monokryształu z roztopionego materiału), zostały opracowane w IFJ PAN dekadę temu i są rozwijane. Do ich zalet należą niewielkie rozmiary, wyższa rozdzielczość śladów niż w detektorach plastikowych oraz szeroki zakres rejestrowanych rodzajów cząstek i ich energii.