Детектор солнечных частиц разработан в ИКИ РАН

Плазменный ураган из корональной дыры © stimul.online

Влияние солнечного ветра на магнитосферу Земли. Изображение предоставил Иван Зимовец

Прототип телескопа солнечных энергичных частиц (ТСЭЧ) создали исследователи из Института космических исследований (ИКИ) РАН совместно с коллегами из МФТИ и Института ядерных исследований РАН. Прибор входит в комплекс компактной аппаратуры для измерения корпускулярного излучения Солнца. Помимо ТСЭЧ в его составе лабораторные макеты плазменного ионного компактного анализатора (ПИКА) и электронного компактного спектрометра (ЭКОС).

ПРОТОТИП.jpg © stimul.online

Изготовленный прототип Электронного компактного спектрометра ЭКОС с габаритами 95×72×57 мм и массой 325 г Источник: ИКИ РАН

ПИКА и ЭКОС предназначены для детектирования ионов и электронов солнечного ветра (СВ) в диапазонах энергий 0,5-10,0 кэВ и 0,03-10 кэВ, соответственно. ПИКА позволяет выделять в потоке СВ ионы разных масс, а ЭКОС — одновременно регистрировать электроны в широком диапазоне энергий. ТСЭЧ должен измерять намного более энергичные протоны и электроны в диапазоне энергий 10-100 МэВ и 1-10 МэВ соответственно.

Новый прибор определяет энергетические спектры детектируемых частиц на основе анализа зависимостей потерь ими энергии при прохождении последовательно расположенных светоизолированных пластиковых сцинтилляционных детекторов (сцинтилляторы — вещества, излучающие свет при поглощении ионизирующего излучения). Из-за взаимодействия с веществом сцинтиллятора частицы теряют в них энергию, определить которую можно посредством детектирования производимых ими вспышек света. Основные достоинства прибора — компактность и легкость, а также относительная простота конструкции.

ТСЭЧ.jpg © stimul.online

Детектор лабораторного макета Телескопа солнечных энергичных частиц ТСЭЧ со светоизолированными оптическими волокнами на стойке. Источник: ИКИ РАН

КАК ПОЙМАТЬ СОЛНЕЧНЫЙ ВЕТЕР

Частицы СВ имеют энергии от нескольких электронвольт до нескольких килоэлектронвольт. Один электронвольт соответствует энергии, приобретаемой элементарным зарядом (которым обладают электроны и протоны) при прохождении разницы потенциалов в 1 В. Это очень небольшая энергия. Детекторы частиц таких энергий отличаются от детекторов для измерения высокоэнергичных частиц. Суть приборов для измерения СВ заключается в следующем: сначала на основе контролируемых комбинаций электрических и магнитных полей пропускаются приходящие заряженные частицы с физическими характеристиками в заданных диапазонах, а затем фиксируется приход каждой такой частицы (иными словами, ведется их подсчет) при помощи специального детектора.

ЗИМОВЕЦ.jpg © stimul.online

Старший научный сотрудник отдела физики космической плазмы ИКИ РАН Иван Зимовец. Источник: ИКИ РАН

«В качестве таких детекторов мы используем вторичные электронные умножители, сокращенно ВЭУ, — рассказал „Стимулу“ старший научный сотрудник отдела физики космической плазмы ИКИ РАН Иван Зимовец. — ВЭУ позволяют многократно усиливать электрический ток единичной элементарной частицы до макроскопического значения, которое может быть измерено с помощью электроники. В приборе ПИКА мы используем ВЭУ без позиционной чувствительности, а в ЭКОС — с позиционной чувствительностью. Возможность определять координаты прихода частиц на детекторе позволяет дополнительно измерять некоторые характеристики детектируемых частиц (в частности, угол прилета и энергию частицы)».

Такие детекторы хорошо себя зарекомендовали в различных отраслях — космических и ядерных исследованиях, метрологии. Их достоинства — надежность и удобство эксплуатации, малые масса и габариты.

«Это крайне важно для нас, — поясняет Иван Зимовец, — поскольку нашей задачей было разработать как можно более простые, надежные, компактные и легкие приборы. Почему? Потому что это упрощает изготовление и существенно снижает стоимость запуска приборов. Как известно, стоимость выведения единицы массы в космос очень высока. Поэтому чем компактнее и легче приборы при обеспечении ими требуемых рабочих характеристик, тем больше шансов поставить их на борт космических аппаратов. Очевидно, что запустить маленькую и легкую коробочку в космос намного проще и дешевле, чем тяжелую и габаритную установку. Поэтому мы изначально нацеливались на создание компактных приборов и надеемся, что у них будут хорошие шансы слетать в космос на различных аппаратах (конечно, после необходимой доработки). А чем больше измерений мы имеем в различных точках космического пространства, тем точнее мы могли бы строить прогнозы космической погоды».

Из-за финансовых ограничений в рамках проекта РНФ, как изначально и планировалось, изготовлены и протестированы только лабораторные макеты приборов. Разработка и испытания летных образцов требуют значительно больших ресурсов.

«Прошедшим летом нам продлили грант на два года, — рассказывает ученый. — За это время мы должны изготовить и испытать летный образец одного прибора ПИКА. Мы также прорабатываем возможности его запуска в околоземное космическое пространство на наноспутнике формата CubeSat. Это позволило бы, во-первых, провести летные испытания прибора в условиях настоящего космоса, а во-вторых, получить бесценный опыт реализации практически полноценного космического эксперимента».

У ИКИ РАН большой опыт измерений и исследований СВ. Первые прямые измерения параметров СВ в космическом пространстве за пределами магнитосферы Земли были осуществлены в 1959 году с помощью советской автоматической межпланетной станции «Луна-2» группой ученых под руководством Константина Грингауза, ставших сотрудниками ИКИ АН СССР после его основания в 1965 году.

СЕЧЕНИЕ.jpg © stimul.online

Центральное сечение компьютерной модели блока электронной оптики прототипа Электронного компактного спектрометра ЭКОС. 1 — входное окно, 2 — электрод дефлектора, 3 — коллиматор, 4 — электрод энергоанализатора, 5 — детектор. Сплошными линиями обозначены траектории движения электронов с десятью различными энергиями. Векторы начальных скоростей частиц имеют азимут 0°; полярный угол распределен в диапазоне 36°−46°. Источник: ИКИ РАН

Алексей Андреев

Полный текст статьи — на сайте онлайн журнала об инновациях в России «Стимул»

Кстати, а вы знали, что на «Сделано у нас» статьи публикуют посетители, такие же как и вы? И никакой премодерации, согласований и разрешений! Любой может добавить новость. А лучшие попадут в телеграмм @sdelanounas_ru. Подробнее о том как работает наш сайт здесь👈