ماموریت آرتمیس I ناسا سطوح شگفت انگیز تشعشع را در نزدیکی ماه نشان می دهد

در طول ماموریت بدون سرنشین Artemis I در اواخر نوامبر و اوایل دسامبر 2022، اوریون با حمل بیش از 10000 کریستال ریز که در دو مانکن به شکل انسان جاسازی شده بودند، به دور ماه سفر کرد. این دستگاه ها قرار گرفتن در معرض تابش را در طول سفر ثبت می کنند. در میان آنها چندین آشکارساز فلورسانس لیتیوم فلوراید تجربی وجود داشت که توسط دانشمندان موسسه فیزیک هسته ای آکادمی علوم لهستان (IFJ PAN) در کراکوف ایجاد شد. محققان اکنون روش جدیدی را برای تجزیه و تحلیل اطلاعات ذخیره شده در این کریستال ها توصیف کرده اند که بینش هایی را در مورد سطوح تابش کیهانی و عملکرد آشکارسازها ارائه می دهد. یافته های آنها در مجله Radiation Measurements منتشر شده است.

پروفسور پاول بیلسکی (IFJAN) یکی از محققان این مقاله توضیح می دهد: “آشکارسازهای دوز تشعشعات فلورسنت مبتنی بر لیتیوم فلوراید که در موسسه ما توسعه یافته اند، ماهیت غیرفعال دارند. به عبارت دیگر، آنها مانند فیلم عکاسی عمل می کنند: پس از اینکه کریستال ها در معرض تشعشع قرار گرفتند، آثار باقی مانده از ذرات منفرد باید به صورت نوری زیر میکروسکوپ تجزیه و تحلیل شوند.”

چگونه کریستال های کوچک تشعشعات کیهانی را تشخیص می دهند

آشکارسازهای لیتیوم فلوراید با برداشتن تغییرات میکروسکوپی ناشی از تشعشع کار می کنند. هنگامی که ذرات باردار الکتریکی از یک کریستال عبور می کنند، ساختار اتمی داخلی آن را مختل می کنند و نقص هایی به نام مراکز رنگ ایجاد می کنند. بعداً دانشمندان می‌توانند کریستال را با نور آبی روشن کنند و باعث درخشش این نواحی تغییر یافته به رنگ قرمز شوند. با بررسی این فلورسانس زیر میکروسکوپ، محققان می‌توانند مسیرهایی را که توسط ذرات تشعشع منفرد طی می‌شوند شناسایی کنند.

آشکارسازها بخشی از مطالعه MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) بودند که در Artemis I انجام شد. چندین ده آشکارساز آزمایشی فلوراید لیتیوم در دو آدمک قرار گرفتند، از جمله برخی از آنها حاوی غلظت بالایی از ایزوتوپ لیتیوم-7 بودند. سهم IFJ PAN فراتر از این دستگاه های آزمایشی بود. دانشمندان آن همچنین نزدیک به 600 آشکارساز کریستال ترمولومینسانس را تهیه کردند که از روش متفاوتی برای اندازه گیری قرار گرفتن در معرض تابش استفاده می کنند.

یکی از مزیت‌های اصلی آشکارسازهای لیتیوم فلوراید جدید این است که فرآیند بررسی آثار تشعشع را ساده می‌کنند. آشکارسازهای غیرفعال سنتی ساخته شده از پلاستیک، قبل از اینکه دانشمندان بتوانند ردهای باقی مانده از ذرات ورودی را بررسی کنند، نیاز به حکاکی شیمیایی دارند. کریستال‌های لیتیوم فلوراید این مرحله را حذف می‌کنند و به محققان این امکان را می‌دهند که مسیرها را مستقیماً با یک میکروسکوپ فلورسانس استاندارد بررسی کنند.

در نتیجه، مشاهده آثار تشعشعی جمع آوری شده در نزدیکی ماه نسبتا آسان بود. کار دشوارتر تعیین اینکه این آثار دقیقاً چه چیزی را در مورد قرار گرفتن در معرض تشعشع آشکار می کنند بود. برای به دست آوردن اندازه‌گیری‌های عددی قابل اعتماد، تیم باید تکنیک‌های کالیبراسیون و تحلیل پیچیده‌ای را توسعه می‌داد.

چرا اندازه گیری تشعشعات در اعماق فضا بسیار دشوار است

بر خلاف شرایط آزمایشگاهی کنترل شده، تابش فضایی بسیار غیرقابل پیش بینی است. در یک آزمایش معمولی فیزیک، محققان ممکن است یک آشکارساز را در معرض یک پرتو حاوی یک نوع شناخته شده ذره با انرژی و جهت خاص قرار دهند. در فضا، تشعشعات از همه جهات وارد می شود و شامل بسیاری از ذرات و هسته های اتمی مختلف است که از طریق طیف گسترده ای از انرژی ها حرکت می کنند.

این پیچیدگی، تفسیر ردپای میکروسکوپی را دشوار می کند. همانطور که ذرات ورودی در زوایای مختلف به کریستال ها برخورد می کنند، مسیرهای آنها در جهات مختلف گسترش می یابد. یک میکروسکوپ ناحیه هر مسیر را در صفحه کانونی آن (تقریباً یک میکرومتر) می گیرد، اما درخشش تاری را از قسمت های خارج از این ناحیه باریک نیز ثبت می کند. این نور اضافی بر شدت فلورسانس اندازه‌گیری شده تأثیر می‌گذارد، که دانشمندان از آن برای سنجش چگالی یک ذره، ماده را یونیزه می‌کنند.

ذرات مختلف نیز الگوهای مسیر بسیار متفاوتی تولید می کنند. آنهایی که باعث یونیزاسیون قوی می شوند خطوط پیوسته و واضحی را به جا می گذارند، در حالی که ذرات که یونیزاسیون ضعیف تری ایجاد می کنند ممکن است به صورت نقاط پراکنده و جدا شده ظاهر شوند. این تفاوت‌ها کار ترجمه اندازه‌گیری‌های فلورسانس را به داده‌های پرتوهای معنی‌دار پیچیده‌تر می‌کنند.

برای غلبه بر این چالش ها، محققان چندین اصلاحات را معرفی کردند و نرم افزاری را توسعه دادند که قادر به حذف سیگنال های پس زمینه ناخواسته است. تجزیه و تحلیل بهبود یافته، اندازه‌گیری‌های آنها را با نتایج حاصل از فناوری‌های آشکارساز تطبیق نزدیک کرد، در حالی که رویدادهای تشعشعی را که دستگاه‌های قدیمی‌تر نمی‌توانستند شناسایی کنند، آشکار کرد.

“پس از اعمال یک سری اصلاحات و توسعه نرم‌افزار برای حذف مناسب پس‌زمینه‌ای که با اندازه‌گیری‌ها تداخل دارد، نتایج ما بیش از 15 درصد با نتایج به‌دست‌آمده با استفاده از آشکارسازهای ردیابی معمولی در کل محدوده همپوشانی مقادیر رسوب انرژی متفاوت است. علاوه بر این، ما همچنین ردهای ذرات متعددی را ثبت کردیم که مربوط به رسوب‌های انرژی زیر آستانه آشکارسازی استفاده شده است.”

آرتمیس اول تفاوت شگفت انگیزی را در تابش ماه نشان می دهد

اندازه‌گیری‌های Artemis I همچنین به محققان این امکان را داد که قرار گرفتن در معرض تشعشع در نزدیکی ماه را با یافته‌های یک آزمایش قبلی در ایستگاه فضایی بین‌المللی مقایسه کنند.

بیش از یک دهه قبل از Artemis I، آزمایش MATROSHKA قرار گرفتن در معرض تابش را با استفاده از آدمک‌های انسان در ایستگاه فضایی بررسی کرد. برخی از تشعشعات ثبت شده در طول این ماموریت از پروتون های کم انرژی که در کمربندهای تشعشعی ون آلن زمین به دام افتاده اند می آید. همانطور که این ذرات در آدمک ها حرکت کردند، انرژی را در اعماق مختلف رسوب کردند و توزیع نابرابر دوز تابش را ایجاد کردند.

شرایط نزدیک به ماه به طور قابل توجهی متفاوت است. کمربندهای ون آلن به محیط ماه امتداد نمی‌یابند، بنابراین تشعشعاتی که در آنجا با آن مواجه می‌شوند سهم بزرگ‌تری از ذرات پرانرژی منشا گرفته از جاهای دیگر کهکشان دارد.

این ذرات کهکشانی انرژی کافی برای عبور از کل بدن انسان را حمل می کنند و در حین عبور تنها بخشی از انرژی خود را آزاد می کنند. در نتیجه، آشکارسازهای Artemis I دوزهای تابشی را ثبت کردند که تقریباً به طور یکنواخت در سراسر آدمک‌ها توزیع شده بود، برخلاف الگوهای ناهمواری که در آزمایش ایستگاه فضایی قبلی مشاهده شد.

محققان همچنین یافته‌ای را شناسایی کردند که ممکن است خلاف واقع به نظر برسد. اگرچه فضانوردان نزدیک ماه در معرض تشعشعات بیشتری نسبت به فضانوردانی که در مدار پایین زمین قرار دارند، هستند، این تفاوت لزوما آنقدرها که ممکن است تصور شود چشمگیر نیست.

پروتون‌های کم‌انرژی که توسط میدان مغناطیسی سیاره ما در کمربندهای ون آلن جذب شده‌اند، می‌توانند بیشتر دوز تابشی دریافتی توسط فضانوردان در مدار پایین زمین را تشکیل دهند. در نزدیکی ماه، این سهم قابل‌توجه ناپدید می‌شود. اندازه‌گیری‌های ما از آزمایش MARE نشان می‌دهد که اگرچه مجموع دوزهای تابش در نزدیکی ماه بیشتر از سطوح تشعشعی در مدار زمین است، زیرا به دلیل این تفاوت قابل توجهی نیست. پروفسور بیلسکی خاطرنشان می کند.

آشکارسازهای تشعشع جدید می توانند به محافظت از فضانوردان آینده کمک کنند

آشکارسازهای فلورسانس لیتیوم فلوراید در Artemis I با استفاده از روش Czochralski، یک تکنیک رشد کریستال، تولید شدند. دانشمندان IFJ PAN برای اولین بار حدود یک دهه پیش این فناوری را توسعه دادند و از آن زمان به اصلاح آن ادامه دادند.

اندازه جمع و جور آنها یکی از کاربردی ترین ویژگی های آنها است. این آشکارسازها با اندازه گیری فقط چند میلی متر به جای چند سانتی متر (به ترتیب میلی متر به جای سانتی متر)، به اندازه کافی کوچک هستند که به راحتی توسط انسان حمل شوند و آنها را برای نظارت بر قرار گرفتن در معرض تشعشع در طول ماموریت های فضایی کاربردی می کند.

آنها همچنین تصاویر واضح‌تری از ردیاب‌های ذرات نسبت به آشکارسازهای پلاستیکی معمولی که نیاز به حکاکی شیمیایی دارند، ارائه می‌کنند. این وضوح بهبود یافته به دانشمندان اجازه می دهد تا آثار فردی را حتی زمانی که دوزهای تشعشع نسبتاً بالا هستند تشخیص دهند. علاوه بر این، کریستال ها می توانند طیف گسترده ای از انواع ذرات و انرژی را ثبت کنند و به طور بالقوه تصویر کامل تری از محیط تابش ارائه دهند.

مزیت دیگر توانایی آنها در تشخیص نوترون ها است، به ویژه زمانی که کریستال ها با ایزوتوپ لیتیوم-6 غنی شده باشند. هنگامی که نوترون ها با هسته های لیتیوم برهم کنش می کنند، می توانند واکنش های هسته ای را ایجاد کنند که ذرات باردار ثانویه تولید می کنند. این ذرات تغییرات قابل توجهی در کریستال ایجاد می کنند، مشابه سایر اشکال تابش یونیزان.

این قابلیت ها با هم، آشکارسازهای فلوراید لیتیوم را به ابزاری امیدوارکننده برای مطالعه محیط پرتوهای پیچیده فراتر از زمین تبدیل می کند. اندازه‌گیری‌های Artemis I تصویر واضح‌تری از نحوه رفتار تشعشعات کیهانی در نزدیکی ماه ارائه می‌دهد و نشان می‌دهد که چگونه آشکارسازهای فشرده می‌توانند به دانشمندان در ارزیابی قرار گرفتن در معرض تابش در طول مأموریت‌های آینده کمک کنند.

تحقیقات انجام شده به عنوان بخشی از پروژه MARE با کمک مالی از مرکز ملی علوم لهستان (NCN) تحت برنامه OPUS حمایت شد.