Новый детектор солнечных частиц позволит подробнее изучить природу солнечных вспышек, а также улучшить защиту космических кораблей и космонавтов от солнечной радиации.
В процессе преобразования энергии в активных областях солнечной атмосферы появляются потоки частиц с энергиями от десятков килоэлектронвольт до нескольких гигаэлектронвольт. В основном солнечные частицы — это электроны и протоны, но есть и более тяжелые ядра, от гелия до железа.
Несмотря на большое количество наблюдений солнечных спутников, ученые до сих пор многого не знают о порожденных Солнцем космических лучах. Например, неизвестно за счет чего ускоряются частицы при солнечных вспышках, какова роль магнитного пересоединения в ускорении частиц и выходе из короны, как и где формируются зародышевые популяции частиц для дальнейшего ускорения на ударных волнах.
На эти вопросы поможет ответить новый детекторов солнечных частиц, разработанный учеными из МФТИ в сотрудничестве с коллегами из Института ядерных исследований РАН и Института космических исследований РАН. Прибор способен улавливать протоны и электроны с кинетическими энергиями 10–100 МэВ и 1–10 МэВ соответственно. Они составляют основную часть потока высокоэнергетичных частиц от Солнца.
Детектор состоит из нескольких полистироловых дисков, подключенных к фотодетекторам. Проходя через слои полимера, частица теряет часть кинетической энергии, которая переходит в световую. Этот свет улавливается кремниевым фотодетектором, а сигнал анализирует компьютер.
"Сама концепция пластиковых сцинтилляционных детекторов не нова, такие детекторы повсеместно используются в наземных экспериментах, — приводятся в пресс-релизе слова руководителя исследования Александра Нозика, старшего научного сотрудника лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ. — А вот использование сегментированного детектора в совокупности с разработанными нами математическими методами реконструкции позволило достигнуть выдающихся результатов".
Часть работы посвящена определению оптимальной геометрии сегментов детекторов. При увеличении диаметра дисков растет количество анализируемых одновременно частиц, однако растет и масса прибора, что повышает стоимость его доставки на орбиту. Также при увеличении диаметра ухудшается разрешение диска. Чем тоньше каждый диск, тем точнее он может определить энергию протона и электрона, однако большое количество тонких дисков требует большого числа фотодетекторов и громоздкой электроники.
Для подбора оптимальных параметров ученые использовали методы компьютерного моделирования. В итоге они собрали достаточно компактный для доставки в космос прибор — цилиндр диаметром три и высотой восемь сантиметров.
/imgs/2019/08/05/10/3493119/7b5248f75d6c2a62b6fbd97875ddebfe59d347f6.jpg)
Датчик способен работать в двух разных режимах: регистрировать одиночные частицы при потоке менее 105 частиц в секунду и в интегральном режиме при более интенсивном излучении. Во втором случае разработанный авторами метод анализа распределений частиц не требует высоких вычислительных мощностей.
"Наш прибор показал отличные результаты в лабораторных тестах, — говорит еще один автор статьи Егор Стадничук, сотрудник лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ. — Дальше мы планируем разработать новую электронику, пригодную для работы детекторов в космосе. Кроме того, конструкция детектора будет адаптирована к требованиям космического корабля — мы улучшим массогабаритные характеристики и добавим боковое экранирование. Также планируется разработать более тонкую сегментацию для детектора, чтобы обеспечить точное измерение спектра электронов с энергией порядка 1 МэВ".
Работа проводилась по заказу Института космических исследований РАН при финансовой поддержке Российского научного фонда. Сам детектор был изготовлен в Институте ядерных исследований РАН. Описание разработки опубликовано в журнале Journal of Instrumentation.
Еще почитать: