为研究太阳而研制的新型闪烁体探测器

太阳近距离

来自莫斯科物理与技术研究所(MIPT)的研究人员开发了一种太阳粒子探测器原型。该装置能够捕捉动能在10到100兆电子伏之间的质子,以及动能在1到10兆电子伏之间的电子。这包括了大部分来自太阳的高能粒子流。新的探测器可以改善对宇航员和宇宙飞船的辐射防护,同时促进我们对太阳耀斑的了解。研究结果发表在《科学》杂志上《仪器

当能量在太阳大气层的活跃区域从一种形式转换成另一种形式时,粒子流——或宇宙射线——产生的能量大约在0.01- 1000兆伏特之间。这些粒子大多是电子和质子,但从氦到铁的原子核也可以观测到,尽管数量要少得多。

目前的共识是粒子通量有两个主成分。首先,在持续数十分钟到数小时的短暂耀斑中存在狭窄的电子流。然后是带有广泛冲击波的耀斑,持续数天,大部分包含质子,偶尔也有一些较重的原子核。

尽管太阳轨道飞行器提供了大量的数据,但一些基本问题仍未解决。科学家们还不了解在持续时间较短或较长的太阳耀斑中粒子加速背后的具体机制。当粒子加速并离开日冕时,磁重联的作用是什么,以及在加速撞击波之前初始粒子群是如何和在哪里产生的,这些都还不清楚。为了回答这些问题,研究人员需要一种新型的粒子探测器,这也将成为新的宇宙飞船安全协议的基础,该协议将识别电子的初始波,作为即将到来的质子辐射危险的早期预警。

分段闪烁体探测器原型

设备原型:(1)身体闪烁探测器组成的磁盘,(2)光纤保护涂层,(3)控制董事会来管理补偿电压和数据采集——核研究所开发的俄罗斯科学院(4)原型框架和地面观测。资料来源:Egor Stadnichuk等人/《仪表学报》

MIPT和其他机构的物理学家最近的一项研究报告了一个高能粒子探测器的原型。设备由多个部件组成聚苯乙烯磁盘,连接到光电探测器。当一个粒子穿过聚苯乙烯时,它会失去一些动能并发出光,这些光被硅光电探测器记录下来,作为随后计算机分析的信号。

该项目的首席研究员、MIPT核物理方法实验室的亚历山大·诺齐克说:“塑料闪烁探测器的概念并不新鲜,这种装置在地球上的实验中随处可见。我们之所以能够取得如此显著的成绩,是因为我们使用了分割检测器和我们自己的数学重建方法。”

论文的一部分在《仪器讨论了探测器线段的几何优化问题。现在的难题是,虽然更大的磁盘意味着在任何给定的时间都要分析更多的粒子,但这是以仪器重量为代价的,使其进入轨道的成本更高。磁盘分辨率也随着直径的增加而下降。在厚度方面,更薄的圆盘能更精确地确定质子和电子的能量,但大量的薄片也需要更多的光电探测器和更笨重的电子器件。

该团队依靠计算机建模来优化该设备的参数,最终组装出一个足够小、可以送入太空的原型。这个圆筒状的装置直径为3厘米,高8厘米。探测器由20个独立的聚苯乙烯盘组成,使一个可接受的精度超过5%。该传感器有两种工作模式:在不超过每秒100,000个粒子的通量中记录单个粒子,在更强的辐射下切换到集成模式。第二种模式利用一种特殊的技术来分析粒子分布数据,这种技术是由该研究的作者开发的,不需要太多的计算能力。

“我们的设备在实验室测试中表现非常好,”MIPT核物理方法实验室的研究合著者Egor Stadnichuk说。他说:“下一步是开发适合太空探测器操作的新型电子设备。我们还将调整探测器的配置以适应宇宙飞船施加的限制。这意味着要让设备更小、更轻,并加入横向屏蔽。也有计划引入一个更精细的分割检测器。这将使精确测量约1 MeV的电子光谱成为可能。”

参考:E. Stadnichuk, T. Abramova, M. Zelenyi, a . Izvestnyy, a . Nozik,b, V. Palmin和I. zimmovets, 2020年9月14日,《用于航天器上粒子通量测量的分段闪烁探测器原型》《仪器
DOI: 10.1088 / 1748 - 0221/15/09 / T09006

本文报道的研究是由RAS空间研究所委托,并得到俄罗斯科学基金会的财政支持。探测器是在RAS核研究所制造的。

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