Forskere udvikler detektorer til at undersøge solen

Forskere fra MIPT har udviklet en prototypedetektor af solpartikler. Enheden er i stand til at opfange protoner ved kinetiske energier mellem 10 og 100 megaelektronvolt, og elektroner ved 1 ^-10 MeV. Dette dækker det meste af den højenergiske partikelflux, der kommer fra Solen. Den nye detektor kan forbedre strålingsbeskyttelsen for astronauter og rumskibe, samt fremme vores forståelse af soludbrud. Forskningsresultaterne er rapporteret i Journal of Instrumentation .

Når energi omdannes fra en form til en anden i de aktive områder af solatmosfæren, strømme af partikler - eller kosmiske stråler - fødes med energier på mellem 0,01-1, 000 MeV. De fleste af disse partikler er elektroner og protoner, men kerner fra helium til jern observeres også, dog i langt mindre antal.

Den nuværende konsensus er, at partikelfluxen har to hovedkomponenter. Først, der er de smalle strømme af elektroner i korte opblussen, der varer fra snesevis af minutter til flere timer. Og så er der flammerne med brede chokbølger, som varer op til flere dage og for det meste indeholder protoner, med nogle lejlighedsvise tungere kerner.

På trods af de store arrays af data leveret af solenergikredsløb, nogle grundlæggende spørgsmål forbliver uløste. Forskere forstår endnu ikke de specifikke mekanismer bag partikelacceleration i de kortere og længere varige soludbrud. Det er også uklart, hvilken rolle magnetisk genforbindelse er for partikler, når de accelererer og forlader solkoronaen, eller hvordan og hvor de oprindelige partikelpopulationer stammer fra, før de accelererer på stødbølger. For at besvare disse spørgsmål, forskere kræver partikeldetektorer af en ny type, som også ville ligge til grund for nye rumskibssikkerhedsprotokoller, der ville genkende den indledende bølge af elektroner som en tidlig advarsel om den forestående protonstrålingsfare.

En nylig undersøgelse foretaget af et hold fysikere fra MIPT og andre steder rapporterer oprettelsen af ​​en prototypedetektor af højenergipartikler. Enheden består af flere polystyrenskiver, tilsluttet fotodetektorer. Når en partikel passerer gennem polystyren, det mister noget af sin kinetiske energi og udsender lys, som registreres af en silicium fotodetektor som et signal til efterfølgende computeranalyse.

Projektets hovedefterforsker Alexander Nozik fra Nuclear Physics Methods Laboratory ved MIPT sagde:"Konceptet med plastiske scintillationsdetektorer er ikke nyt, og sådanne enheder er allestedsnærværende i jordbaserede eksperimenter. Det, der muliggjorde de bemærkelsesværdige resultater, vi opnåede, er at bruge en segmenteret detektor sammen med vores egne matematiske rekonstruktionsmetoder."

En del af papiret i Journal of Instrumentation omhandler optimering af detektorsegmentets geometri. Dilemmaet er, at mens større diske betyder, at flere partikler analyseres på ethvert givet tidspunkt, dette kommer på bekostning af instrumentets vægt, gør dens levering i kredsløb dyrere. Diskopløsningen falder også, når diameteren øges. Hvad angår tykkelsen, tyndere skiver bestemmer proton- og elektronenergier med mere præcision, alligevel kræver et stort antal tynde diske også flere fotodetektorer og større elektronik.

Holdet stolede på computermodellering for at optimere enhedens parametre, til sidst at samle en prototype, der er lille nok til at blive leveret ud i rummet. Den cylinderformede enhed har en diameter på 3 centimeter og er 8 centimeter høj. Detektoren består af 20 separate polystyrenskiver, muliggør en acceptabel nøjagtighed på over 5 %. Sensoren har to driftstilstande:Den registrerer enkelte partikler i en flux, der ikke overstiger 100, 000 partikler i sekundet, skifte til en integreret tilstand under mere intens stråling. Den anden tilstand gør brug af en speciel teknik til at analysere partikelfordelingsdata, som er udviklet af forfatterne til undersøgelsen og ikke kræver meget computerkraft.

"Vores enhed har klaret sig rigtig godt i laboratorietests, " sagde undersøgelsens medforfatter Egor Stadnichuk fra MIPT Nuclear Physics Methods Laboratory. "Det næste trin er at udvikle ny elektronik, der ville være egnet til detektordrift i rummet. Vi vil også tilpasse detektorens konfiguration til de begrænsninger, som rumskibet pålægger. Det betyder at gøre enheden mindre og lettere, og inkorporerer lateral afskærmning. Der er også planer om at indføre en finere segmentering af detektoren. Dette ville muliggøre præcise målinger af elektronspektre ved omkring 1 MeV."