Миссия NASA Artemis I выявила неожиданные уровни радиации у Луны

Миссия NASA Artemis I дала новые данные о том, с какой космической радиацией столкнутся астронавты у Луны по сравнению с низкой околоземной орбитой. Используя экспериментальные детекторы из кристаллов фторида лития на борту корабля Orion, исследователи получили предварительные измерения, которые выявили неожиданные различия между двумя средами.

Во время беспилотной миссии Artemis I в конце ноября и начале декабря 2022 года Orion облетел Луну, неся более 10 тысяч крошечных кристаллов внутри двух манекенов, имитирующих человеческое тело. Эти устройства записывали радиационное облучение на протяжении всего пути. Среди них были десятки экспериментальных флуоресцентных детекторов из фторида лития, созданных учёными Института ядерной физики Польской академии наук в Кракове. Исследователи описали новый метод анализа информации, хранящейся в этих кристаллах, что дало представление как об уровнях космической радиации, так и о работе детекторов.

Флуоресцентные детекторы дозы на основе фторида лития, разработанные в институте, пассивны. Они работают как фотоплёнка: после облучения кристаллов следы отдельных частиц необходимо анализировать оптически под микроскопом.

Детекторы фиксируют микроскопические изменения, вызванные радиацией. Когда заряженные частицы проходят через кристалл, они нарушают его внутреннюю атомную структуру, создавая дефекты — цветовые центры. Учёные могут затем осветить кристалл синим светом, заставляя изменённые области светиться красным. Изучая эту флуоресценцию под микроскопом, исследователи определяют пути, пройденные отдельными частицами радиации.

Детекторы были частью эксперимента MARE, проведённого во время Artemis I. Несколько десятков экспериментальных детекторов из фторида лития поместили внутрь обоих манекенов, включая некоторые с высоким содержанием изотопа литий-7. Вклад института не ограничился этими устройствами: его учёные также поставили почти 600 термолюминесцентных кристаллических детекторов, использующих другую технику измерения радиации.

Одно из главных преимуществ новых детекторов — они упрощают изучение радиационных треков. Традиционные пассивные детекторы из пластика требуют химического травления, прежде чем учёные смогут изучать следы частиц. Кристаллы фторида лития устраняют этот этап, позволяя исследователям рассматривать треки напрямую с помощью стандартного флуоресцентного микроскопа.

В результате наблюдать треки, собранные у Луны, было относительно просто. Сложнее оказалось определить, что именно эти треки говорят о радиационном облучении. Чтобы получить надёжные числовые измерения, команде пришлось разработать сложные методы калибровки и анализа.

В отличие от контролируемых лабораторных условий, космическая радиация непредсказуема. В типичном физическом эксперименте исследователи могут облучить детектор пучком известного типа частиц с определённой энергией и направлением. В космосе радиация приходит со всех сторон и включает множество разных частиц и атомных ядер с огромным диапазоном энергий.

Эта сложность затрудняет интерпретацию микроскопических треков. Поскольку частицы ударяют в кристаллы под разными углами, их следы тянутся в разных направлениях. Микроскоп захватывает участок каждого трека в своей фокальной плоскости — примерно один микрометр, — но также записывает размытое свечение от частей вне этой узкой области. Этот дополнительный свет влияет на измеренную интенсивность флуоресценции, которую учёные используют для оценки плотности ионизации.

Разные частицы также создают очень разные картины треков. Те, что вызывают сильную ионизацию, оставляют непрерывные, чётко очерченные линии. Частицы со слабой ионизацией могут выглядеть как разрозненные точки. Эти различия ещё больше усложняют перевод измерений флуоресценции в осмысленные данные о радиации.

Чтобы преодолеть эти трудности, исследователи ввели несколько поправок и разработали программное обеспечение, удаляющее нежелательные фоновые сигналы. Улучшенный анализ привёл их измерения в близкое соответствие с результатами проверенных детекторных технологий, а также выявил радиационные события, которые старые устройства не могли зафиксировать. После применения серии поправок и разработки программного обеспечения для удаления фона результаты отличались не более чем на 15 процентов от полученных с помощью обычных трековых детекторов во всём перекрывающемся диапазоне значений энерговыделения. Более того, были зафиксированы многочисленные треки частиц, соответствующие энерговыделениям ниже порога обнаружения детекторов, использовавшихся до сих пор.

Измерения Artemis I также позволили сравнить радиационное облучение у Луны с данными более раннего эксперимента на Международной космической станции. Более чем за десять лет до Artemis I эксперимент MATROSHKA исследовал облучение с помощью манекенов на станции. Часть радиации тогда шла от низкоэнергетических протонов, захваченных в радиационных поясах Ван Аллена. Эти частицы, попадая в манекены, отдавали энергию на разных глубинах, создавая неравномерное распределение доз.

Условия у Луны существенно иные. Пояса Ван Аллена не простираются в лунную среду, поэтому радиация там содержит большую долю высокоэнергетических частиц из Галактики. Эти галактические частицы несут достаточно энергии, чтобы пройти через всё человеческое тело, отдавая лишь часть энергии по пути. В результате детекторы Artemis I зафиксировали дозы, распределённые почти равномерно по манекенам, в отличие от неравномерных картин в предыдущем эксперименте на станции.

Исследователи также обнаружили то, что может показаться нелогичным. Хотя астронавты у Луны подвергаются большему облучению, чем на низкой околоземной орбите, разница не обязательно так драматична, как можно предположить. Низкоэнергетические протоны, захваченные магнитным полем планеты в поясах Ван Аллена, могут составлять большую часть дозы, получаемой астронавтами на низкой околоземной орбите. В окрестностях Луны этот существенный вклад исчезает. Измерения в эксперименте MARE показывают, что, хотя общие дозы у Луны выше, чем на орбите Земли, из-за значительного уровня галактической радиации разница не так велика, как можно было бы интуитивно ожидать.

Флуоресцентные детекторы из фторида лития на Artemis I были изготовлены методом Чохральского — техникой выращивания кристаллов. Учёные института впервые разработали эту технологию около десяти лет назад и с тех пор совершенствовали. Их компактный размер — одно из самых полезных свойств. Измеряя всего несколько миллиметров, а не сантиметров, детекторы достаточно малы, чтобы их можно было комфортно носить, что делает их практичными для мониторинга облучения во время космических миссий.

Они также дают более чёткие изображения треков частиц, чем обычные пластиковые детекторы, требующие химического травления. Это улучшенное разрешение позволяет учёным различать отдельные треки даже при относительно высоких дозах. Кроме того, кристаллы регистрируют широкий спектр типов частиц и энергий, потенциально давая более полную картину радиационной обстановки. Ещё одно преимущество — способность обнаруживать нейтроны, особенно когда кристаллы обогащены изотопом литий-6. Когда нейтроны взаимодействуют с ядрами лития, они могут запускать ядерные реакции, генерирующие вторичные заряженные частицы. Эти частицы оставляют обнаружимые изменения в кристалле, как и другие формы ионизирующего излучения.

Вместе эти возможности делают детекторы из фторида лития перспективным инструментом для изучения сложной радиационной среды за пределами Земли. Измерения Artemis I дают более ясную картину того, как ведёт себя космическая радиация у Луны, и демонстрируют, как компактные детекторы могут помочь учёным оценивать облучение в будущих миссиях.

Вопрос, который остаётся: если разница в радиации между орбитой Земли и Луной не так велика, как ожидали, то что это значит для планирования длительных миссий — и не окажется ли, что главная опасность для астронавтов не там, где мы её искали?