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莫斯科物理技术研究所开发了一种太阳粒子探测器原型

太阳粒子 辐射防护 粒子探测器
发布:2021-01-04 15:05:50    

莫斯科物理技术研究所(MIPT)的研究人员开发了一种太阳粒子探测器原型。该装置能够以10到100兆电子伏特的动能来拾取质子,并以1-10 MeV的电子来拾取。这涵盖了大部分来自太阳的高能粒子通量。新的探测器可以改善对宇航员和太空飞船的辐射防护,并增进我们对太阳耀斑的了解。研究成果发表在《仪器仪表杂志》上。


 

当能量在太阳大气的活动区域中从一种形式转换为另一种形式时,粒子流(即宇宙射线)所产生的能量大约在0.01-1,000 MeV之间。这些粒子大多数是电子和质子,但也观察到从氦到铁的原子核,尽管数量要少得多。

当前的共识是粒子通量具有两个主要成分。首先,短暂的耀斑中存在狭窄的电子流,持续时间从数十分钟到数小时不等。然后是耀斑,其震荡波很宽,持续长达数天,并且主要包含质子,偶尔有较重的核。

尽管太阳轨道器提供了大量数据,但一些基本问题仍未解决。科学家们还不了解短期和长期太阳耀斑中粒子加速背后的具体机制。同样不清楚的是,磁重新连接在粒子加速并离开太阳日冕时的作用是什么,或者在冲击波加速之前初始粒子的聚集方式和位置是如何产生的。为了回答这些问题,研究人员需要一种新型的粒子探测器,该探测器还将成为新的太空飞船安全协议的基础,该协议将电子的初波识别为即将来临的质子辐射危险的预警。

 
 

设备原型:(1)由闪烁盘组成的探测器主体;(2)保护涂层中的光纤;(3)用于管理偏移电压和数据采集的控制板-由俄罗斯科学院核研究所开发(4)原型框架,代表地面观测。图片来源:Egor Stadnichuk等人/《仪器仪表杂志》

来自MIPT和其他地方的一组物理学家最近进行的一项研究报告说,已创建了高能粒子原型探测器。该设备由多个聚苯乙烯盘组成,并连接到光电探测器。当粒子通过聚苯乙烯时,它会损失一些动能并发射光,该光会被硅光电探测器记录为信号,供以后进行计算机分析。

该项目的主要研究人员来自MIPT核物理方法实验室,Alexander Nozik表示:“塑料闪烁探测器的概念并不是什么新鲜事物,这种设备在基于地球的实验中无处不在。使用分段检测器和我们自己的数学重建方法,可以使我们取得显著成果。”

《仪器仪表杂志》上的部分论文涉及优化检测器段的几何形状。难题是,虽然更大的磁盘意味着在任何给定时间分析的粒子更多,但这是以仪器重量为代价的,这使得仪器送入轨道的成本更高。磁盘分辨率也随着直径的增加而下降。至于厚度,较薄的圆盘可以更精确地确定质子和电子的能量,但是大量的薄圆盘也需要更多的光电探测器和更大的电子设备。

该团队依靠计算机建模来优化设备的参数,最终组装出足够小以能够交付太空的原型。圆柱形设备的直径为3厘米,高为8厘米。检测器由20个单独的聚苯乙烯圆盘组成,可以接受超过5%的准确度。该传感器有两种工作模式:它以不超过每秒100,000个粒子的通量记录单个粒子,在更强的辐射下切换为集成模式。第二种模式利用了一种特殊的技术来分析粒子分布数据,该技术是由研究的作者开发的,不需要太多的计算能力。

MIPT核物理方法实验室的研究合著者Egor Stadnichuk说:“我们的设备在实验室测试中表现非常出色。” “下一步是开发适用于太空探测器操作的新电子设备。我们还将使探测器的配置适应飞船施加的约束。这意味着使设备更小,更轻,并包含横向屏蔽。还计划引入检测器的更精细的分割。这将能够精确测量大约1 MeV的电子光谱。”

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