Новый детектор солнечных частиц поможет изучить вспышки на Солнце и защитить космонавтов от радиации

Ученые из Московского физико-технического института разработали прототип нового детектора солнечных частиц. Прибор способен улавливать протоны и электроны с кинетическими энергиями 10–100 МэВ и 1–10 МэВ соответственно, которые составляют основную часть потока высокоэнергетичных частиц от Солнца. Прибор поможет улучшить защиту кораблей и космонавтов от радиации, а также подробнее изучить природу солнечных вспышек. Работа проводилась по заказу Института космических исследований РАН при финансовой поддержке Российского научного фонда. Сам детектор был изготовлен в Институте ядерных исследований РАН. Результаты опубликованы в журнале Journal of Instrumentation, кратко о них рассказывает пресс-служба МФТИ.

Солнце испускает потоки частиц с энергиями от десятков кэВ до нескольких ГэВ. Большинство из них составляют электроны и протоны, в гораздо меньших количествах встречаются более тяжелые ядра, от гелия до железа. Согласно современным представлениям, потоки частиц делятся на две основные группы. Первая — импульсные вспышки длиной от нескольких десятков минут до нескольких часов представляют собой узкие струи, в которых преобладают электроны. Вторая — вспышки с широкими ударными волнами, длящиеся до нескольких дней и содержащие, в основном, протоны с примесью некоторых тяжелых ядер. Несмотря на большое количество данных от солнечных спутников, некоторые фундаментальные вопросы остаются без ответа. Например, как именно ускоряются частицы в импульсных и длительных солнечных вспышках, какова роль магнитного пересоединения в ускорении частиц и выходе из короны, как и где формируются зародышевые популяции частиц для дальнейшего ускорения на ударных волнах. На эти вопросы помогут ответить новые типы детекторов частиц.

Новый прибор состоит из нескольких полистироловых дисков, подключенных к фотодетекторам. Проходя через слои полимера, частица теряет часть кинетической энергии, которая переходит в световую. Этот свет улавливается кремниевым фотодетектором, и сигнал анализируется компьютером. Старший научный сотрудник лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ Александр Нозик объясняет: «Сама концепция пластиковых сцинтилляционных детекторов не нова, такие детекторы повсеместно используются в наземных экспериментах. А вот использование сегментированного детектора в совокупности с разработанными нами математическими методами реконструкции позволило достигнуть выдающихся результатов».

Часть работы была посвящена определению оптимальной геометрии сегментов детекторов. При увеличении диаметра дисков растет количество анализируемых одновременно частиц, однако растет и масса прибора, что повышает стоимость его доставки на орбиту. Также при увеличении диаметра ухудшается разрешение диска. Чем тоньше каждый диск, тем точнее он может определить энергию протона и электрона, однако большое количество тонких дисков требует большого числа фотодетекторов и громоздкой электроники. Для подбора оптимальных параметров ученые использовали методы компьютерного моделирования. В итоге они собрали достаточно компактный для доставки в космос прибор — цилиндр диаметром 3 см и высотой 8 см. Детектор разделен на 20 полистироловых дисков, что обеспечило приемлемую точность прибора выше 5 %. Датчик способен работать в двух разных режимах: регистрация одиночных частиц и интегральный режим при более интенсивном излучении. Во втором случае используется разработанный авторами метод анализа распределений частиц, не требующий высоких вычислительных мощностей.

«Наш прибор показал отличные результаты в лабораторных тестах. Дальше мы планируем разработать новую электронику, пригодную для работы детекторов в космосе. Кроме того, конструкция детектора будет адаптирована к требованиям космического корабля, мы улучшим массогабаритные характеристики и добавим боковое экранирование. Также планируется разработать более тонкую сегментацию для детектора, чтобы обеспечить точное измерение спектра электронов с энергией порядка 1 МэВ», — дополняет Егор Стадничук, сотрудник лаборатории методов ядерно-физических экспериментов МФТИ.