www.iki.rssi.ru

Космический эксперимент «БТН-Нейтрон» на Международной космической станции. Первый этап эксперимента с использованием научной аппаратуры БТН-М1.

Задачи проекта

Научная аппаратура БТН-М1 предназначена для проведения космического эксперимента (КЭ) «БТН-Нейтрон» по изучению быстрых и тепловых нейтронов на борту Служебного Модуля Российского Сегмента Международной Космической Станции (СМ РС МКС). Для дополнительной информации по МКС см.: http://www.energia.ru/ru/iss/iss.html

Направление КЭ «БТН-Нейтрон» - изучение пространственного и временного распределения потоков и спектров нейтронов в околоземном космическом пространстве, в том числе во время солнечных вспышек. Ожидаемые результаты исследований направлены на изучение физических процессов, приводящих к генерации нейтронов во время солнечных вспышек и оценка вклада дозы нейтронов в полную дозу радиации, получаемую космонавтами при нахождении вне КА.

Нейтроны в околоземном космическом пространстве возникают от взаимодействия галактических и солнечных космических лучей (ГКЛ и СКЛ) с верхней атмосферой Земли, от облучения космическими лучами и частицами радиационных поясов конструкционных элементов МКС и от мощных солнечных вспышек. Регистрация нейтронов на орбите МКС позволит выяснить зависимость потока нейтронов от географических координат и высоты орбиты станции, от состояния магнитоферы и атмосферы Земли и от солнечной активности.

Для достижения поставленных целей прибор должен обеспечивать измерения следующих физических величин на этапе полета на орбите вокруг Земли:

• Регистрацию потоков нейтронов в широком диапазоне энергий начиная от 0.4 эВ и заканчивая быстрыми нейтронами с энергиями до 10 МэВ.
• Регистрацию гамма-излучения в диапазоне энергий от 60 кэВ до 10 МэВ.

В рамках эксперимента должны быть получены данные, которые позволят:

• разработать физическую модель нейтронного альбедо атмосферы Земли с учетом эффектов долготы и широты точки измерения, времени суток и условий освещенности, состояния атмосферы;
• создать физическую модель фона нейтронов в окрестности МКС в различных условиях полета;
• построить физическую модель генерации заряженных и нейтральных частиц во время солнечных вспышек;
• реализовать дополнительные научные задачи:
  • одновременная регистрация солнечных протонов и продуктов их взаимодействия с атмосферой Земли и Марса. Эта возможность может быть реализована при синхронной работе прибора БТН-М1 и ХЕНД работающего на орбите Марса по программе «MARS ODYSSEY». Одновременная регистрация солнечных вспышек на орбитах Марса и Земли позволит увеличить достоверность регистрации солнечных нейтронов и повысит информативность об исследуемом явлении (энергетический спектр и временной профиль вспышки, особенности распространения излучения в межпланетном пространстве и т.д.).
  • одновременная регистрация космических гамма-всплесков идентичными приборами на орбите Земли и Марса позволит производить триангуляцию для определения направления на источник всплеска и, совместно с другими космическими и наземными обсерваториями, наблюдать послесвечение гамма-всплесков в других диапазонах электромагнитных волн.
  • исследования радиационной стойкости образцов перспективных сцинтилляторов, размещаемых внутри блока электроники прибора и возвращаемых на Землю. Такие сцинтилляционные материалы планируется использовать для будущих космических экспериментов, в том числе и для последующих этапов эксперимента «БТН - Нейтрон».

Принцип работы

В основе инструмента НА БТН-М1 лежит принцип регистрации нейтронов и гамма-квантов рожденных или рассеянных в атмосфере Земли и в веществе материалов и конструкций МКС, а также пришедших от Солнца или других космических источников.

Этот прибор представляет собой спектрометр с четырьмя независимыми детекторами нейтронов. Три детектора эпитепловых нейтронов (на рис. 1 обозначены как SD, MD, LD) представляют собой пропорциональные газовые счетчики на основе ³He и четвертый детектор нейтронов высоких энергий (на рис. 1 обозначен как SC) изготовлен из стильбена C₁₄H₁₂, окруженного активной антисовпадательной защитой из кристалла CsI:Tl³⁺.

Конструкция прибора и размещение на борту

Для проведения эксперимента используются:

• блок детектирования БТН-МД¬ (изготовитель ИКИ РАН) - второй летный образец прибора ХЕНД (https://np.cosmos.ru/hend.html), доработанный в соответствии с требованиями к аппаратуре для МКС и размещенный внутри специальной фермы БТН-МФ (изготовитель ИКИ РАН),
• дополнительно разработанный блок электроники БТН-МЭ (изготовитель ИКИ РАН),
• комплект кабелей для подключения блоков аппаратуры внутри и вне МКС (изготовитель РКК «Энергия»),
• специальный кронштейн для размещения блока детектирования БТН-МД на внешней поверхности Служебного модуля «Звезда» (изготовитель РКК «Энергия»).

Блок детектирования включает ЛО-2 прибора ХЕНД (рис.1), который помещен в ферму БТН-МФ, обеспечивающую механический виброизолированный монтаж БТН-МД, размещение разъемов для электрической стыковки с кабельной сетью МКС, а также обеспечивающий тепловой режим блока с помощью с тепловых радиаторов и экранно-вакуумной термоизоляции (рис.2).

Рис. 1. Схема прибора ХЕНД используемого в качестве детекторного блока БТН-МД (SD – малый ³He детектор, MD - средний ³He детектор LD – большой ³He детектор, SC - сцинтилляционный детектор)

Рис. 2. Блок БТН-МД в сборе с БТН-МФ с радиаторами закрытыми временными теплоизолирующими чехлами

Для выполнения научных задач требовалось, чтобы при штатной установке блок БТН-МД был сориентирован так, чтобы ось сцинтиллятора блока была направлена в зенит. К этому добавлялись требования временного хранения аппаратуры внутри МКС, возможности монтажа и демонтажа оборудования при работе в скафандре. С учетом этих требований конструкторы РКК «Энергия» создали специальное монтажно-установочное устройство (рис.3), включающее кронштейн, переходную платформу и три быстросъемных замка, на которое монтировалась сборка БТН-МД+БТН-МФ.

Рис. 3. Внешний блок БТН-МД в сборе с монтажной фермой (1 – БТН-МД, 2 – ферма, 3 – кронштейн, 4 – быстросъемные замки, 5 – кабели, 6 – временный защитный чехол)

Блок электроники БТН-МЭ (рис. 4) предназначен для согласования электрических интерфейсов прибора ХЕНД и интерфейсов служебных систем СМ РС МКС, в частности:

• интерфейса питания;
• командного интерфейса управления;
• телеметрического интерфейса;
• интерфейса трансляции временных сигналов.

Рис. 4. Блок БТН-МЭ

В блоке БТН-МЭ также размещались специальные платы (рис. 5) - пассивные детекторные сборки (ПДС) с кристаллами перспективных сцинтилляторов ((LaBr₃):Ce³⁺, (LaCl₃):Ce³⁺, (Lu_0.5Y_0.5)AlO₃:Ce³⁺, (Lu_0.7Y_0.3)AlO₃:Ce³⁺, (Lu_0.7Y_0.3)AlO₃:Ce³⁺, (Lu₂SiO₅):Ce³⁺, (YAlO₃):Ce³⁺) и пассивными дозиметрами для исследования радиационной стойкости материала сцинтилляторов и оценки их применимости на дальнейших этапах проведения КЭ «БТН-Нейтрон». Сборки ПДС, после экспозиции на орбите в течении срока не менее 6 мес., доставлены на Землю для исследования деградации материалов кристаллов по действием космической радиации.

Рис. 5. Внутреннее устройство блока БТН-МЭ (слева – платы ПДС с тестируемыми кристаллами и дозиметрами, справа – платы электроники)

Аппаратура БТН-М1 была доставлена на МКС в октябре 2006 г. на борту ТКК «Прогресс» № 358.

Установка и подключение аппаратуры БТН-М1 на МКС проводились в ноябре 2006 – феврале 2007 г. экипажем 14-й основной экспедиции - космонавтом РФ Михаилом Тюриным и астронавтом США Майклом Лопес-Алегрия.

Блок БТН-МД размещен снаружи станции и с помощью специального кронштейна установлен на поручнях 2331 и 2333 СМ «Звезда» РС МКС (рис. 6, 7).

Рис. 6. Установка детекторного блока снаружи СМ «Звезда»

Рис. 7. Панорама РС МКС и расположение детекторного блока аппаратуры БТН-М1 снаружи СМ «Звезда»

Блок БТН-МЭ находиться внутри станции (рис. 8).

Рис. 8. Размещение блока БТН-МЭ

С 26 февраля 2007 г. аппаратура БТН-М1 штатно работает на МКС и передает научную и телеметрическую информацию.

Основные параметры

Разработчики и соисполнители

Заказчик - ОАО РКК «Энергия» им. С.П. Королева.

Головной исполнитель, постановщик эксперимента и разработчик аппаратуры – Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН).

Руководитель проекта «БТН-Нейтрон» – д.ф.-м.н. И.Г. Митрофанов

Работы по теме «БТН-Нейтрон» в период с 2002 по 2006 гг. в части создания научной аппаратуры БТН-М1 (разработка, изготовление, испытания, калибровки, поставка аппаратуры Заказчику, комплексные испытания, поставка и испытания на «Байконуре») велись на основании договора с РКК «Энергия» им. С.П. Королева № 828 от 15.03.2002 г.

Работы по теме «БТН-Нейтрон» в 2006 – 2010 гг. в части управления аппаратурой, накопления и обработки научных и телеметрических данных ведутся на основании договора № 1173 от 15.10.2007 г.

Первые результаты работ

На основе обработки данных измерений аппаратуры БТН-М1 за период с февраля 2007 г. по настоящее время построены карты потоков нейтронов в окрестности МКС и карта скорости накопления дозы, которая позволяет оценить радиационную обстановку на станции и исследовать зависимость нейтронного альбедо верхней атмосферы от потока заряженных частиц в магнитосфере.

В рамках выполнения дополнительной задачи эксперимента по регистрации космических гамма-всплесков проводится анализ данных гамма профилей с детектора CsI:Tl³⁺ c временным разрешением 1 сек и 0.25 сек и сопоставление их с данными полученными приборами на других космических аппаратах.

Так как основное производство нейтронов происходит из-за взаимодействия ГКЛ с атмосферой Земли (для БТН-М1 на МКС) и поверхностью Марса (для ХЕНД на Mars Odyssey), то по изменению потоков альбедных нейтронов в приэкваториальной области Solis Planum на Марсе и для БТН-М1 в экваториальной и приполярных областях Земли проведена оценка тренда потока ГКЛ связанного с изменением активности Солнца в течение 2008 - 2009 годов.

Также:

• Составлен каталог Солнечных вспышек и Солнечных протонных событий
• Зарегистрирована область аномальных космических лучей на орбите МКС
• Долговременная работа прибора позволила зарегистрировать тренд галактических космических лучей (ГКЛ), коррелирующий с наземными мониторами и данными других космических экспериментов
• Восстановлен спектр нейтронов в диапазоне энергий от 0,4 эВ до 10 МэВ для различных условий потока ГКЛ
• Построена карта распределения мощности нейтронной дозы при различных потоках ГКЛ