آرتمیس I: بلورهای آشکارسازهای تجربی دوز تشعشعات را در نزدیکی ماه ثبت می کنند

ویرایش شده توسط Sadie Harley، بررسی توسط Robert Egan

این مقاله با توجه به روند و سیاست های ویرایشی Science X بررسی شده است. ویراستاران ضمن اطمینان از اعتبار محتوا، ویژگی های زیر را برجسته کرده اند:

آیا دوزهای تشعشعات کیهانی نزدیک ماه به طور قابل توجهی با دوزهای دریافتی توسط فضانوردان در مدار پایین زمین متفاوت است؟ آشکارسازهای آزمایشی لیتیوم فلوراید، نصب شده بر روی فضاپیمای Orion در طول ماموریت Artemis I، اکنون امکان دستیابی به تخمین های اولیه را فراهم کرده است.

زمانی که کپسول Orion ماموریت بدون خدمه Artemis I در اواخر نوامبر و اوایل دسامبر 2022 به دور ماه می چرخید، بیش از 10000 کریستال کوچک که در دو فانتوم انسان جاسازی شده بودند، در حال جمع آوری داده ها در مورد دوزهای تابش کیهانی بودند. در میان آنها چندین آشکارساز فلورسنت لیتیوم فلوراید تجربی وجود داشت که در مؤسسه فیزیک هسته‌ای آکادمی علوم لهستان (IFJ PAN) در کراکوف توسعه یافتند.

روشی برای خواندن اطلاعات ذخیره شده در این آشکارسازها، ارائه بینش در مورد دوز تشعشع و خواص خود آشکارسازها، اکنون در مجله Radiation Measurements ارائه شده است.

Pawel Bilski (از همکار PANth)، توضیح می‌دهد: «آشکارسازهای دوز تشعشع فلورسنت مبتنی بر لیتیوم فلوراید، که در مؤسسه ما ساخته شده‌اند، ماهیت غیرفعال دارند. به عبارت دیگر، آنها مانند فیلم عکاسی عمل می‌کنند: هنگامی که کریستال‌ها در معرض تشعشع قرار گرفتند، ردیابی‌های باقی‌مانده از ذرات منفرد باید به صورت نوری زیر میکروسکوپ تجزیه و تحلیل شوند.»

اصل عملکرد آشکارسازهای تشعشع غیرفعال مبتنی بر کریستال های لیتیوم فلوراید ساده است. هنگامی که ذرات پرتوهای یونیزان از یک آشکارساز عبور می کنند، نقص هایی را در شبکه کریستالی مواد ایجاد می کنند که شروع به عمل به عنوان مراکز رنگ می کنند. در حین بازخوانی آزمایشگاهی، این مراکز توسط نور آبی برانگیخته می شوند و در نتیجه فلورسانس قرمز ساطع می کنند که می توان آن را زیر میکروسکوپ مشاهده کرد.

به عنوان بخشی از آزمایش MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment) که در طول ماموریت Artemis I انجام شد، چندین ده آشکارساز آزمایشی فلوراید لیتیوم در هر دو فانتوم انسانی نصب شد که برخی از آنها به شدت در ایزوتوپ لیتیوم-7 غنی شده بودند. با این حال، مشارکت کلی IFJ PAN در این آزمایش به طور قابل توجهی بیشتر بود، زیرا فیزیکدانان کراکو همچنین نزدیک به 600 آشکارساز کریستالی از نوع دیگری، یعنی آشکارسازهای ترمولومینسانس را تهیه کردند.

آشکارسازهای مسیر غیرفعال معمولی ساخته شده از پلاستیک باید قبل از بازخوانی تحت حکاکی شیمیایی قرار گیرند. در مقابل، کریستال های فلوراید لیتیوم به چنین عملیات شیمیایی دست و پا گیر نیاز ندارند و یک میکروسکوپ فلورسانس استاندارد برای مشاهده ردیابی ها کافی است.

بنابراین خواندن ردیابی ذرات ثبت شده در مجاورت ماه سریع بود و هیچ مشکلی برای محققان ایجاد نکرد. هنگامی که آنها تلاش کردند اطلاعات کمی را استخراج کنند، چالش هایی به وجود آمد. این امر مستلزم توسعه روش‌های غیر ضروری برای کالیبره کردن نتایج بود.

مشکل اساسی از ماهیت تشعشعات کیهانی ناشی می شود. در آزمایش‌های معمولی فیزیک، آشکارسازها با پرتوهایی متشکل از ذرات هم‌نوع، که همگی دارای انرژی‌های کاملا مشخص و جهت وقوع دقیقا مشخص هستند، تابش می‌شوند. تابش کیهانی، با این حال، از همه جهات می‌رسد و شامل همه انواع ذرات طبیعی و هسته‌های اتمی است که طیف انرژی بسیار وسیعی را در بر می‌گیرد.

هنگامی که زیر میکروسکوپ مشاهده می شود، ردیابی ها در جهات مختلف حرکت می کنند. در نتیجه، دوربین علاوه بر بخش مسیر در سطح کانونی (به اندازه تقریبا یک میکرومتر)، یک درخشش تار از بخش‌های باقی‌مانده از مسیرها نیز می‌گیرد. این بر شدت فلورسانس، پارامتر اولیه ای که برای ارزیابی چگالی یونیزاسیون استفاده می شود، تأثیر می گذارد.

تجزیه و تحلیل بیشتر با این واقعیت پیچیده شد که مسیرهای باقی مانده از ذرات بسیار یونیزان به صورت خطوط پیوسته و کاملا مشخص ظاهر می شدند، در حالی که ذرات یونیزه کننده ضعیف می توانستند تنها یک سری نقاط مجزا و مجزا را پشت سر بگذارند. این نیز بر شدت فلورسانس مسیرها تأثیر گذاشت.

"پس از اعمال یک سری اصلاحات و توسعه نرم افزار برای حذف مناسب پس زمینه تداخل در اندازه گیری ها، نتایج ما بیش از 15٪ با نتایج به دست آمده با استفاده از آشکارسازهای مسیر معمولی در سراسر محدوده همپوشانی مقادیر رسوب انرژی متفاوت بود. علاوه بر این، ما همچنین تعداد زیادی آهنگ ذرات مربوط به رسوبات انرژی را زیر آستانه تشخیص استفاده شده از آشکارساز Biskil ثبت کردیم."

در طول آزمایش MATROSHKA که بیش از یک دهه قبل در ایستگاه فضایی بین‌المللی انجام شد، پروتون‌های کم‌انرژی از کمربندهای تشعشعی ون آلن اطراف زمین، بخشی از دوز تشعشع ته‌نشین شده در فانتوم‌ها را تشکیل می‌دهند. این پروتون‌ها انرژی خود را در اعماق مختلف درون فانتوم‌ها از دست می‌دهند، که منجر به توزیع غیریکنواخت دوزهای تابش در سراسر مانکن‌ها می‌شود.

با این حال، در نزدیکی ماه، کمربندهای ون آلن وجود ندارند. در عوض، تشعشعات کهکشانی برجسته تر است. انرژی آن به قدری زیاد است که ذرات می توانند از کل بدن انسان عبور کنند و تنها بخشی از انرژی خود را در طول مسیر رسوب کنند. توزیع دوز تشعشع ثبت شده در داخل فانتوم ها در طول ماموریت Artemis I اساسا یکنواخت بود.

پروتون‌های کم‌انرژی که توسط میدان مغناطیسی سیاره ما در کمربندهای ون آلن به دام افتاده‌اند، می‌توانند بیشتر دوز تابشی دریافتی توسط فضانوردان در مدار پایین زمین را تشکیل دهند. در مجاورت ماه، این سهم قابل‌توجه ناپدید می‌شود. اندازه‌گیری‌های ما از آزمایش MARE نشان می‌دهد که اگرچه مجموع دوزهای تشعشعی قابل‌تابش در نزدیکی ماه بیشتر از سطوح تشعشعی قابل در نظر گرفتن در نزدیکی ماه است. بیلسکی خاطرنشان می کند که آنقدر بزرگ نیست که به طور شهودی انتظار می رود.

آشکارسازهای مسیر مبتنی بر لیتیوم فلوراید فلورسنت مورد استفاده در ماموریت Artemis I با استفاده از روش Czochralski رشد کردند. آنها یک دهه پیش در IFJ PAN توسعه یافتند و از آن زمان تاکنون به طور مداوم بهبود یافته اند.

مزایای اصلی آنها شامل اندازه کوچک (به ترتیب میلی متر به جای سانتی متر) است که پوشیدن آنها را برای افراد راحت می کند. وضوح مسیر بهتر از آشکارسازهای پلاستیکی معمولی حکاکی شده شیمیایی، اجازه می دهد تا دوزهای تشعشع بالاتر با مسیرهای به وضوح قابل تشخیص ثبت شود. و طیف وسیعی از انواع ذرات و انرژی های قابل تشخیص، ارزیابی بهتری از قرار گرفتن در معرض تشعشعات را ممکن می سازد.

علاوه بر این، آشکارسازهای لیتیوم فلوراید - به ویژه آنهایی که در ایزوتوپ لیتیوم-6 غنی شده‌اند - می‌توانند برای ثبت دوزهای نوترون استفاده شوند، زیرا نوترون‌ها سپس با هسته‌های لیتیوم واکنش‌هایی انجام می‌دهند و به صورت محلی ذرات باردار ثانویه را تولید می‌کنند که تقریبا مانند تابش یونیزه‌کننده خارجی با ماده تعامل می‌کنند.

P. Bilski و همکاران، کاربرد آشکارسازهای مسیر هسته‌ای فلورسنت LiF برای اندازه‌گیری تابش کیهانی در مدار ماه در آزمایش MARE، اندازه‌گیری تابش (2026). DOI: 10.1016/j.radmeas.2026.107806

کارشناسی علوم زیستی و اکولوژی. پیشینه آزمایشگاه میکروبیولوژی با تجربه اخبار دارویی در صنایع نفت، گاز و تجدیدپذیر. نمایه کامل →

لیسانس زیست شناسی ریاضی، کارشناسی ارشد در نوشتن خلاق. خوش سفر با دیدگاه های منحصر به فرد در علم و زبان. نمایه کامل →