Эксперимент Artemis I помог уточнить, с каким уровнем космического излучения могут столкнуться астронавты вблизи Луны. Для этого на корабле Orion использовали экспериментальные детекторы из кристаллов фторида лития. Первые результаты показали, что распределение радиационной нагрузки в лунном окружении отличается от условий на низкой околоземной орбите.
Беспилотный Orion облетел Луну в конце ноября — начале декабря 2022 года. На борту находились два манекена, внутри которых разместили более 10 тысяч миниатюрных кристаллов. Среди них были несколько десятков флуоресцентных детекторов, изготовленных учёными Института ядерной физики Польской академии наук (IFJ PAN) в Кракове, а также почти 600 термолюминесцентных кристаллических приборов. Работа исследователей опубликована в журнале Radiation Measurements.
Фторид лития фиксирует повреждения, которые в кристаллической структуре оставляют заряженные частицы. Под воздействием синего света изменённые участки начинают светиться красным, поэтому траектории частиц можно рассматривать под микроскопом. «Флуоресцентные детекторы дозы из фторида лития, разработанные в нашем институте, являются пассивными. Иными словами, они работают подобно фотоплёнке: после воздействия радиации следы отдельных частиц необходимо оптически исследовать под микроскопом», — объяснил один из авторов работы профессор Павел Бильский из IFJ PAN.
В отличие от традиционных пластиковых пассивных детекторов, кристаллы не требуют химического травления перед анализом. Однако определить по свечению точную дозу оказалось сложнее, чем увидеть сами следы. Космические частицы приходят с разных направлений, имеют неодинаковую энергию и оставляют различные по форме треки — от непрерывных линий до разрозненных точек. Учёным пришлось разработать калибровку и программные методы удаления фонового сигнала, связанного с участками треков вне фокуса микроскопа.
После обработки результаты отличались от показаний стандартных трековых детекторов не более чем на 15% во всём совпадающем диапазоне значений энерговыделения. Одновременно новый метод позволил зарегистрировать множество следов частиц с энергией ниже порога приборов, применявшихся ранее. «После применения ряда поправок и разработки программного обеспечения для корректного удаления фона, мешавшего измерениям, наши результаты отличались не более чем на 15% от полученных с помощью обычных трековых детекторов во всём перекрывающемся диапазоне значений энерговыделения. Кроме того, мы зарегистрировали многочисленные следы частиц, соответствующие энерговыделениям ниже порога обнаружения использовавшихся до сих пор детекторов», — подчеркнул Бильский.
Данные Artemis I сравнили с результатами эксперимента MATROSHKA, проведённого ранее на Международной космической станции. На низкой околоземной орбите значительную часть дозы создают низкоэнергетические протоны из радиационных поясов Ван Аллена, поэтому облучение внутри манекенов распределялось неравномерно. Вблизи Луны эти пояса не действуют, а большую роль играют галактические частицы высокой энергии, способные пройти через всё тело и отдать лишь часть энергии. Поэтому доза там выше, но распределена почти равномерно, а разница с околоземной орбитой оказалась меньше ожидаемой. «Низкоэнергетические протоны, удерживаемые магнитным полем Земли в радиационных поясах Ван Аллена, могут составлять основную часть радиационной дозы, которую получают астронавты на низкой околоземной орбите. В окрестностях Луны этот значительный вклад исчезает. Наши измерения в рамках эксперимента MARE показывают, что, хотя суммарные дозы радиации вблизи Луны выше из-за значительного уровня галактического излучения, разница не настолько велика, как можно было бы интуитивно предположить», — отметил профессор.
Кристаллы изготовили методом Чохральского — способом выращивания монокристаллов, который специалисты IFJ PAN начали развивать около десяти лет назад. Размер таких детекторов составляет всего несколько миллиметров, поэтому их можно носить на теле во время космических полётов. Они дают более чёткие изображения треков, работают при сравнительно высоких дозах и способны регистрировать широкий спектр частиц и энергий. При обогащении изотопом лития-6 кристаллы также могут фиксировать нейтроны: при их взаимодействии с ядрами лития возникают вторичные заряженные частицы, оставляющие обнаруживаемые изменения. Исследование MARE поддержал Национальный научный центр Польши в рамках программы OPUS.