Forskare från MIPT har utvecklat en prototypdetektor av solpartiklar. Enheten kan ta upp protoner vid kinetiska energier mellan 10 och 100 megaelektronvolt, och elektroner vid 1 ^-10 MeV. Detta täcker det mesta av det högenergipartikelflöde som kommer från solen. Den nya detektorn kan förbättra strålskyddet för astronauter och rymdskepp, samt att främja vår förståelse av solflammor. Forskningsresultaten redovisas i Journal of Instrumentation .

När energi omvandlas från en form till en annan i de aktiva områdena i solatmosfären, strömmar av partiklar – eller kosmiska strålar – föds med energier ungefär mellan 0,01-1, 000 MeV. De flesta av dessa partiklar är elektroner och protoner, men kärnor från helium till järn observeras också, om än i mycket mindre antal.

Den nuvarande konsensus är att partikelflödet har två huvudkomponenter. Först, det finns de smala strömmarna av elektroner i korta flammor som varar från tiotals minuter till flera timmar. Och så är det blossarna med breda stötvågor, som varar upp till flera dagar och innehåller mestadels protoner, med några enstaka tyngre kärnor.

Trots den stora mängden data som tillhandahålls av solomloppsbanor, några grundläggande frågor förblir olösta. Forskare förstår ännu inte de specifika mekanismerna bakom partikelacceleration i de kortare och längre solutbrotten. Det är också oklart vilken roll magnetisk återkoppling är för partiklar när de accelererar och lämnar solkoronan, eller hur och var de initiala partikelpopulationerna har sitt ursprung innan de accelererar på stötvågor. För att svara på dessa frågor, forskare kräver partikeldetektorer av en ny typ, som också skulle ligga till grund för nya säkerhetsprotokoll för rymdskepp som skulle känna igen den initiala vågen av elektroner som en tidig varning för den förestående protonstrålningsrisken.

En nyligen genomförd studie av ett team av fysiker från MIPT och på andra håll rapporterar skapandet av en prototypdetektor av högenergipartiklar. Enheten består av flera polystyrenskivor, ansluten till fotodetektorer. När en partikel passerar genom polystyren, den förlorar en del av sin kinetiska energi och avger ljus, som registreras av en kiselfotodetektor som en signal för efterföljande datoranalys.

Projektets huvudutredare Alexander Nozik från Nuclear Physics Methods Laboratory vid MIPT sa:"Konceptet med plastscintillationsdetektorer är inte nytt, och sådana enheter är allestädes närvarande i jordbaserade experiment. Det som möjliggjorde de anmärkningsvärda resultaten vi uppnådde är att använda en segmenterad detektor tillsammans med våra egna matematiska rekonstruktionsmetoder."

En del av papperet i Journal of Instrumentation handlar om att optimera detektorsegmentets geometri. Dilemmat är att medan större skivor innebär att fler partiklar analyseras vid varje given tidpunkt, detta kostar instrumentets vikt, gör dess leverans till omloppsbana dyrare. Diskupplösningen sjunker också när diametern ökar. När det gäller tjockleken, tunnare skivor bestämmer proton- och elektronenergier med mer precision, men ett stort antal tunna skivor kräver också fler fotodetektorer och skrymmande elektronik.

Teamet förlitade sig på datormodellering för att optimera enhetens parametrar, så småningom montera en prototyp som är tillräckligt liten för att kunna levereras ut i rymden. Den cylinderformade anordningen har en diameter på 3 centimeter och är 8 centimeter lång. Detektorn består av 20 separata polystyrenskivor, vilket möjliggör en acceptabel noggrannhet på över 5 %. Sensorn har två driftlägen:Den registrerar enstaka partiklar i ett flöde som inte överstiger 100, 000 partiklar per sekund, växla till ett integrerat läge under mer intensiv strålning. Det andra läget använder sig av en speciell teknik för att analysera partikelfördelningsdata, som utvecklades av författarna till studien och inte kräver mycket datorkraft.

"Vår enhet har presterat riktigt bra i laboratorietester, " sade studiens medförfattare Egor Stadnichuk från MIPT Nuclear Physics Methods Laboratory. "Nästa steg är att utveckla ny elektronik som skulle vara lämplig för detektordrift i rymden. Vi kommer också att anpassa detektorns konfiguration till de begränsningar som rymdskeppet ställer. Det innebär att göra enheten mindre och lättare, och innefattande sidoskärmning. Det finns även planer på att införa en finare segmentering av detektorn. Detta skulle möjliggöra exakta mätningar av elektronspektra vid cirka 1 MeV."