Polskie detektory zmierzyły promieniowanie kosmiczne w pobliżu Księżyca. Wyniki badań misji Artemis I

Jak duże dawki promieniowania kosmicznego otrzymują astronauci w pobliżu Księżyca i czym różnią się one od tych na niskiej orbicie okołoziemskiej? Odpowiedzi dostarczają badania przeprowadzone z wykorzystaniem eksperymentalnych detektorów opracowanych w Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. Urządzenia, które uczestniczyły w misji Artemis I, pozwoliły nie tylko oszacować dawki promieniowania, ale także potwierdzić możliwości nowej technologii jego pomiaru. Wyniki opublikowano w czasopiśmie naukowym „Radiation Measurements”.

Na przełomie listopada i grudnia 2022 roku bezzałogowa kapsuła Orion, realizująca misję Artemis I, krążyła wokół Księżyca. Na jej pokładzie znajdowały się dwa fantomy odwzorowujące ludzkie ciało, w których rozmieszczono ponad 10 tysięcy niewielkich kryształków rejestrujących dawki promieniowania kosmicznego.

Wśród nich było kilkadziesiąt eksperymentalnych detektorów fluorescencyjnych z fluorku litu, przygotowanych przez naukowców z IFJ PAN. Udział krakowskiego instytutu w eksperymencie MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) był jednak znacznie większy – badacze dostarczyli również niemal 600 detektorów krystalicznych innego typu, wykorzystujących zjawisko termoluminescencji.

Analiza danych zebranych podczas misji pozwoliła naukowcom porównać warunki radiacyjne w pobliżu Księżyca z tymi, które panują na niskich orbitach okołoziemskich. Jednocześnie umożliwiła ocenę skuteczności opracowanych w Krakowie detektorów w pomiarach złożonego promieniowania kosmicznego.

Kryształy, które zapisują ślady promieniowania

Detektory fluorescencyjne rozwijane w IFJ PAN działają na zasadzie podobnej do tradycyjnej kliszy fotograficznej. Są urządzeniami pasywnymi – nie wymagają zasilania podczas pomiaru, a zapisane w nich informacje odczytuje się później w laboratorium.

– Fluorescencyjne detektory dawek promieniowania, rozwijane przez nasz instytut na bazie fluorku litu, mają charakter pasywny. Innymi słowy, działają one jak klisze fotograficzne: po napromienieniu kryształków ślady przelotów poszczególnych cząstek trzeba później analizować optycznie, pod mikroskopem – wyjaśnia prof. dr hab. Paweł Bilski z IFJ PAN, jeden ze współautorów publikacji.

Mechanizm działania detektorów opiera się na zmianach zachodzących w strukturze kryształów fluorku litu. Przelatujące przez materiał cząstki promieniowania jonizującego powodują powstawanie defektów sieci krystalicznej, które pełnią funkcję tzw. centrów barwnych.

Podczas laboratoryjnego odczytu centra te są pobudzane światłem niebieskim. W odpowiedzi emitują czerwone światło fluorescencyjne, widoczne pod mikroskopem. W ten sposób możliwe jest odtworzenie śladów pozostawionych przez poszczególne cząstki promieniowania.

W eksperymencie MARE wykorzystano kilkadziesiąt takich detektorów, w tym kryształy silnie wzbogacone izotopem litu 7Li.

Pomiar promieniowania kosmicznego to szczególne wyzwanie

Jedną z istotnych zalet detektorów z fluorku litu jest sposób odczytu zapisanych w nich informacji. W przeciwieństwie do klasycznych plastikowych detektorów śladowych nie wymagają one wcześniejszego trawienia chemicznego. Do obserwacji wystarcza zwykły mikroskop fluorescencyjny.

Dzięki temu odczyt śladów cząstek zarejestrowanych podczas misji Artemis I przebiegał szybko i bez większych trudności. Znacznie bardziej wymagające okazało się jednak przekształcenie obserwacji w wiarygodne dane ilościowe dotyczące promieniowania. Konieczne było opracowanie odpowiednich metod kalibracji wyników.

W typowych eksperymentach fizycznych detektory poddaje się działaniu wiązek cząstek jednego rodzaju, o ściśle określonej energii i kierunku. Promieniowanie kosmiczne ma natomiast znacznie bardziej złożony charakter. Dociera ze wszystkich kierunków i obejmuje różne rodzaje naturalnie występujących cząstek oraz jąder atomowych o bardzo szerokim zakresie energii.

Powoduje to istotne trudności podczas analizy mikroskopowej. Ślady cząstek przebiegają w różnych kierunkach, a kamera rejestruje nie tylko ich fragment znajdujący się w obszarze ostrości, o rozmiarze około jednego mikrometra, lecz także rozmytą poświatę pochodzącą od pozostałych części śladu.

Zjawisko to wpływa na intensywność fluorescencji, która jest podstawowym parametrem wykorzystywanym do określania gęstości jonizacji.

Dodatkowym utrudnieniem była różnorodność obserwowanych śladów. Cząstki silnie jonizujące pozostawiały wyraźne, ciągłe linie, natomiast te o słabszym działaniu jonizującym tworzyły niekiedy jedynie szeregi oddzielonych od siebie punktów. Różnice te również wpływały na intensywność rejestrowanego światła.

Aby uzyskać porównywalne wyniki, naukowcy musieli zastosować szereg poprawek i opracować specjalistyczne oprogramowanie eliminujące tło zakłócające pomiary.

Nowe detektory rejestrują więcej niż dotychczasowe rozwiązania

Zastosowane metody analizy pozwoliły osiągnąć wysoką zgodność wyników z pomiarami wykonanymi za pomocą klasycznych detektorów śladowych.

– Po uwzględnieniu szeregu poprawek i opracowaniu oprogramowania, w odpowiedni sposób usuwającego tło zaburzające pomiar, nasze wyniki różniły się od otrzymanych za pomocą typowych detektorów śladowych o nie więcej niż 15% w całym wspólnym przedziale wartości depozycji energii. Co więcej, zarejestrowaliśmy także wiele śladów cząstek, które zdeponowały mniejsze ilości energii niż wynosił dolny próg detekcji dotychczasowych detektorów – podkreśla prof. Bilski.

Oznacza to, że opracowane w IFJ PAN detektory umożliwiają obserwację także tych cząstek, których ślady pozostają poza zakresem rejestracji tradycyjnych rozwiązań. Pozwala to uzyskać pełniejszy obraz oddziaływania promieniowania kosmicznego z materią.

Promieniowanie przy Księżycu i na orbicie Ziemi – co pokazały badania?

Ważnym rezultatem eksperymentu MARE było porównanie rozkładu dawek promieniowania wewnątrz fantomów z wynikami wcześniejszych badań prowadzonych na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS).

Podczas eksperymentu MATROSHKA, zrealizowanego kilkanaście lat wcześniej na ISS, część dawki promieniowania pochodziła od niskoenergetycznych protonów uwięzionych w ziemskich pasach radiacyjnych Van Allena.

Protony te traciły energię na różnych głębokościach wewnątrz fantomów, przez co rozkład dawek promieniowania w całej ich objętości był niejednorodny.

W pobliżu Księżyca sytuacja wygląda inaczej. Nie występują tam ziemskie pasy Van Allena, natomiast większy udział ma promieniowanie galaktyczne o bardzo wysokich energiach. Jego cząstki mogą przenikać przez całe ludzkie ciało, pozostawiając w nim jedynie część swojej energii.

W rezultacie rozkład dawek promieniowania zarejestrowanych wewnątrz fantomów podczas misji Artemis I był praktycznie jednorodny.

– Niskoenergetyczne protony, uwięzione przez pole magnetyczne naszej planety w pasach Van Allena, mogą odpowiadać nawet za większość dawki, na jaką są narażeni astronauci na niskich orbitach wokółziemskich. W okolicy Księżyca ten znaczący wkład znika. Z naszych pomiarów w ramach eksperymentu MARE wynika, że z uwagi na duże ilości promieniowania galaktycznego całkowite dawki przy Srebrnym Globie są więc co prawda większe niż na orbicie Ziemi, ale nie aż tak bardzo, jak można by się było intuicyjnie spodziewać – zauważa prof. Bilski.

Wyniki pokazują zatem, że choć astronauci przebywający w pobliżu Księżyca są narażeni na większe całkowite dawki promieniowania niż osoby na niskiej orbicie okołoziemskiej, różnica nie jest tak duża, jak mogłoby się wydawać. Istotnie zmieniają się natomiast źródła promieniowania i sposób rozkładu dawek wewnątrz ciała.

Technologia rozwijana w Krakowie od dekady

Fluorescencyjne detektory śladowe wykorzystane podczas misji Artemis I zostały opracowane w IFJ PAN około dziesięciu lat temu i od tego czasu są systematycznie udoskonalane.

Kryształy fluorku litu, z których powstają, hodowane są metodą Czochralskiego. W porównaniu z klasycznymi plastikowymi detektorami śladowymi mają kilka istotnych zalet.

Przede wszystkim są bardzo małe – ich rozmiary liczy się w milimetrach, a nie centymetrach. Dzięki temu mogą być wygodniej noszone przez człowieka, co ma szczególne znaczenie w zastosowaniach związanych z indywidualnym monitorowaniem narażenia na promieniowanie.

Zapewniają również lepszą rozdzielczość śladów niż tradycyjne detektory plastikowe poddawane trawieniu chemicznemu. Umożliwia to czytelny zapis większych dawek promieniowania.

Kolejną zaletą jest szeroki zakres rejestrowanych rodzajów cząstek i ich energii. Pozwala to dokładniej oceniać całkowitą ekspozycję na promieniowanie, szczególnie w tak złożonym środowisku jak przestrzeń kosmiczna.

Detektory z fluorku litu mogą być ponadto wykorzystywane do pomiarów dawek neutronów, zwłaszcza gdy materiał zostanie wzbogacony izotopem litu 6Li. Neutrony wchodzą wówczas w reakcje z jądrami litu, prowadząc do lokalnego powstawania wtórnych cząstek naładowanych. Oddziałują one z materiałem detektora na podobnych zasadach jak zewnętrzne promieniowanie jonizujące, umożliwiając rejestrację dawki.

Wyniki eksperymentu MARE potwierdzają potencjał rozwijanej w IFJ PAN technologii w badaniach promieniowania kosmicznego. Dokładniejsze pomiary dawek i ich rozkładu mogą w przyszłości wspierać ocenę narażenia astronautów podczas misji poza niską orbitą okołoziemską, w tym kolejnych wypraw księżycowych.

Badania w ramach projektu MARE zostały dofinansowane z grantu OPUS Narodowego Centrum Nauki.

Publikacja naukowa

„Application of LiF fluorescent nuclear track detectors for measurements of cosmic radiation at the lunar orbit within the MARE experiment”, P. Bilski, A. Kilian, M. Sankowska, T. Horwacik, T. Berger, Radiation Measurements 2026, 198, 107806 DOI: 10.1016/j.radmeas.2026.107806

Galeria