麻省理工学院开发出太阳粒子探测器原型，可改善对宇航员和宇宙飞船的辐射防护

10月13日消息，麻省理工学院的研究人员开发了一个太阳粒子探测器的原型。该装置能够拾取动能在10-100兆电子伏特之间的质子和1-10兆电子伏特的电子。这涵盖了大部分来自太阳的高能粒子通量。新的探测器可以改善对宇航员和宇宙飞船的辐射防护，并推进我们对太阳耀斑的理解。研究结果报告在《仪器仪表杂志》上。

设备原型：(1)由闪烁盘组成的探测器主体，(2)涂有保护层的光纤，(3)管理偏移电压和数据采集的控制板 -- -- 由俄罗斯科学院核研究所开发，(4)用于地面观测的原型框架和支架。

当能量在太阳大气层的活跃区域从一种形式转化为另一种形式时，诞生了能量大致在0.01-1000MeV之间的粒子流--或宇宙射线。这些粒子大多是电子和质子，但从氦到铁的原子核也被观察到，尽管数量少得多。

目前的共识是粒子通量有两个主要组成部分。首先在短暂的耀斑中，有狭窄的电子流，持续时间从几十分钟到几个小时。然后是具有宽广冲击波的耀斑，持续时间长达数天，大多包含质子，偶尔也有一些较重的核子。

尽管太阳轨道器提供了大量的数据，但一些基本问题仍未解决。科学家们还不了解持续时间较短和较长的太阳耀斑中粒子加速的具体机制。此外，也不清楚当粒子加速并离开日冕时，磁重连接对粒子的作用是什么，也不清楚在冲击波加速之前，最初的粒子群是如何以及在哪里产生的。为了回答这些问题，研究人员需要一种新型的粒子探测器，这也是新的宇宙飞船安全协议的基础，这种协议将识别最初的电子波，作为即将发生的质子辐射危险的早期警告。

来自MIPT和其他地方的物理学家小组最近的一项研究报告了一种高能粒子探测器原型的创建。该装置由多个聚苯乙烯盘组成，连接到光电探测器。当粒子通过聚苯乙烯时，它会失去部分动能并发出光，硅光电探测器将其登记为信号，供后续计算机分析。

该项目主要研究者来自MIPT核物理方法实验室的Alexander Nozik说：“塑料闪烁探测器的概念并不新鲜，这种装置在地球实验中无处不在。我们之所以能够取得显著的结果，是使用了分段探测器以及我们自己的数学重建方法。”

《仪器学报》上的部分论文涉及到优化探测器分段几何的问题。两难的是虽然更大的磁盘意味着在任何给定的时间内分析更多的粒子，但这是以仪器重量为代价的，使其输送到轨道上的成本更高。磁盘的分辨率也会随着直径的增加而下降。至于厚度，更薄的磁盘可以更精确地确定质子和电子的能量，然而大量的薄磁盘也需要更多的光电探测器和更笨重的电子设备。

团队依靠计算机建模优化了设备的参数，最终组装出了一个小到可以送入太空的原型。这个圆柱形的装置直径为3厘米，高8厘米。探测器由20个独立的聚苯乙烯盘组成，使其可接受的精度超过5%。该传感器有两种工作模式。它以每秒不超过100,000个粒子的通量记录单个粒子，在更强烈的辐射下切换到综合模式。第二种模式利用一种特殊的技术来分析粒子分布数据，这种技术是由研究的作者开发的，不需要太多的计算能力。

"我们的设备在实验室测试中表现得非常好。"MIPT核物理方法实验室的研究合著者Egor Stadnichuk说。"下一步是开发适合探测器在太空中运行的新电子设备。我们还将调整探测器的配置，以适应飞船带来的限制。这意味着要使设备更小、更轻，并加入横向屏蔽。还计划对探测器进行更精细的分割。这样就能精确测量1MeV左右的电子光谱。"