Ученые из МФТИ разработали прототип нового детектора солнечных частиц. 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. Прибор поможет улучшить защиту кораблей и космонавтов от радиации, а также подробнее изучить природу солнечных вспышек. Результаты опубликованы в журнале Journal of Instrumentation.
В результате процессов преобразования энергии, происходящих в активных областях солнечной атмосферы, появляются потоки частиц или солнечных космических лучей с энергиями от десятков кэВ до нескольких ГэВ. Наиболее многочисленными частицами являются электроны и протоны. Также есть и более тяжелые ядра от гелия до железа, но в гораздо меньших количествах. Согласно современным представлениям, потоки частиц делятся на две основные группы. Первая — импульсные вспышки длиной от нескольких десятков минут до нескольких часов представляют собой узкие струи, в которых преобладают электроны. Вторая — вспышки с широкими ударными волнами, длящиеся до нескольких дней и содержащие в основном протоны с примесью некоторых тяжелых ядер. Несмотря на большое количество данных от солнечных спутников, некоторые фундаментальные вопросы остаются без ответа. Например, как именно ускоряются частицы в импульсных и длительных 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 помогут ответить новые типы детекторов частиц. Они также помогут предугадать потоки опасных для космонавтов протонов по первой волне электронов и продумать защитные протоколы для подобных случаев.
Авторы разработали прототип детектора высокоэнергетичных частиц. Прибор 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, и сигнал анализируется компьютером.
Александр Нозик, старший научный сотрудник лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ, руководитель исследования, рассказывает: «Сама концепция пластиковых сцинтилляционных детекторов не нова, такие детекторы повсеместно используются в наземных экспериментах. А вот использование сегментированного детектора в совокупности с разработанными нами математическими методами реконструкции позволило достигнуть выдающихся результатов».
Часть работы была 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 3 см и высотой 8 см. Детектор разделен на 20 полистироловых дисков, что обеспечило приемлемую точность прибора выше 5%. Датчик способен работать в двух разных режимах: регистрация одиночных частиц при потоке менее 105частиц в секунду и интегральный режим при более интенсивном излучении. Во втором случае используется разработанный авторами метод анализа распределений частиц, не требующий высоких вычислительных мощностей.
Прототип прибора. 1 — тело детектора, состоящее из сцинтилляционных шайб, 2 — оптоволокно в защитной оболочке, 3 — платы управления напряжением смещения и сбором данных, разработанные в ОИЯИ, 4 — корпус и стойка прототипа (для наземных исследований). Предоставлено авторами.
«Наш прибор показал отличные результаты в лабораторных тестах. 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», — дополняет Егор Стадничук, сотрудник лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ.
Работа проводилась по заказу Института космических исследований РАН при финансовой поддержке Российского научного фонда. Сам детектор был изготовлен в Институте ядерных исследований РАН.
