www.iki.rssi.ru

Космический эксперимент «БТН-Нейтрон-2» на Российском сегменте Международной космической станции

Задачи проекта

Целью космического эксперимента (КЭ) является изучение энергетического спектра нейтронов и их временного и пространственного распределений снаружи и внутри МКС для выделения потоков солнечных нейтронов, нейтронов альбедо атмосферы Земли и нейтронов, рожденных в материалах МКС, а также исследование радиационно-защитных свойств различных материалов для разработки предложений по созданию радиационных убежищ при межпланетных перелетах и в периоды пилотируемых экспедиций на Луну и Марс.

Задачами КЭ «БТН-Нейтрон-2» являются:

• исследование физико-технических характеристик различных радиационно-защитных экранов внутреннего детекторного блока, выполненных в виде специальных съёмных пластин нескольких типов:
  • на основе водородосодержащих материалов;
  • борсодержащих материалов с бором, обогащенным по изотопу ¹⁰В;
  • редкоземельных фольг и других, хорошо замедляющих и поглощающих нейтроны материалов;
• разработка практических рекомендаций по созданию радиационных убежищ космических аппаратов при межпланетных перелетах, а также пилотируемых экспедиций на Луну и Марс;
• регистрация нейтронов и гамма - квантов в окрестности Земли для построения физической модели генерации заряженных и нейтральных частиц во время солнечных вспышек, а также модели формирования нейтронов альбедо атмосферы Земли и локальных нейтронов;
• отработка элементов конструкции защитного коллиматора спектрометра нейтронов нового поколения.

Эксперимент «БТН-Нейтрон-2» позволит в реальном времени проводить мониторинг потока жесткого ионизирующего излучения и нейтронов в широком энергетическом диапазоне для предупреждения экипажа о повышенном радиационном фоне во время мощных солнечных вспышек.

Источники нейтронов в космосе

Известно, что нейтроны на высоте орбиты МКС образуются в трех физических процессах.

Во-первых, солнечные и галактические космические лучи генерируют первичные нейтроны с энергиями около 10 – 20 МэВ вследствие ядерных реакций на ядрах верхней атмосферы Земли. Образовавшиеся нейтроны замедляются в веществе атмосферы. Часть из них поглощается в ядерных реакциях с образованием новых ядер, другая часть распадается, но основная доля покидает атмосферу, как бы отражаясь от нее, и выходит в околоземное космическое пространство. Поэтому они получили название нейтроны альбедо атмосферы Земли. Такая околоземная оболочка из нейтронов альбедо постоянно существует в околоземном космическом пространстве. Поток и энергетический спектр нейтронов зависят как от локальной плотности потока и энергии первичных заряженных частиц космических лучей, так и от плотности, температуры и состава верхних слоев атмосферы. Энергия таких нейтронов находится в интервале от тепловых нейтронов до энергии в несколько МэВ.

Во-вторых, в окрестности и внутри МКС, как и любого космического аппарата, возникает нейтронное излучение, которое образуется при взаимодействии энергичных заряженных частиц с веществом самой станции. Это излучение имеет пространственный масштаб, сопоставимый с размером станции, и оно также испытывает переменность во времени из-за неоднородности потоков заряженных частиц вдоль ее орбиты. Энергия таких (локальных) нейтронов может достигать 100Мэв и более, а плотность потока превышает плотность потока нейтронов альбедо в десятки раз. Именно такие нейтроны представляют основную опасность для экипажей КА как на околоземной орбите, так и для межпланетных экспедиций.

Третья причина появления нейтронов в околоземном космическом пространстве связана с активностью Солнца. Известно, что в некоторых мощных солнечных протонных событиях (СПС) генерируются потоки нейтронов высоких энергий. Время жизни нейтрона - около 15 минут - сравнимо со временем пролета релятивистских частиц от Солнца до орбиты Земли, и поэтому значительная доля высокоэнергичных солнечных нейтронов может достичь окрестности Земли.

Впервые солнечные нейтроны были зарегистрированы во время солнечной вспышки 21 июня 1980 году прибором GRS, установленном на исследовательском спутнике SMM. В том же эксперименте GRS на SMM, в эксперименте СОНГ на космическом аппарате Коронас-Ф, измерениях наземных нейтронных мониторов и космической обсерватории Интеграл также были зарегистрированы потоки нейтронов от солнечных вспышек. Были получены оценки энергетических спектров нейтронов у Земли и полного потока нейтронов, образовавшихся в области генерации солнечной вспышки. Это особенно важно в связи с тем, что именно потоки нейтральных нейтронов и гамма-квантов, которые не искажаются межпланетным магнитным полем, отображают процессы ускорения заряженных частиц до релятивистских энергий в активных областях солнечных вспышках. Исходя из наблюдательных оценок потоков солнечных нейтронов и гамма-квантов, можно определить условия в активной области Солнца во время генерации вспышки.

Следует учитывать, что во время СПС существенно возрастает протонная компонента космических лучей и, соответственно, растут потоки вторичных нейтронов от атмосферы Земли и от самой станции. Поэтому для выделения вклада солнечных нейтронов в общее число регистрируемых частиц необходим детальный учет вкладов всех трех компонентов нейтронного излучения в околоземном космическом пространстве – земной атмосферы, конструкции станции и активных областей Солнца.

По измеренным у Земли спектрам быстрых нейтронов можно оценить спектр ускоренных протонов в области генерации солнечной вспышки. Эти результаты важны для построения самосогласованной модели солнечной вспышки. Задача объяснения мощных солнечных вспышек еще далека от своего решения. Измерение потоков быстрых нейтронов и жесткого гамма-излучения в эксперименте «БТН-Нейтрон» обеспечит прогресс в этом направлении.

Используемая аппаратура

Для КЭ предполагается использование аппаратуры БТН-М1 работающей на МКС с февраля 2007 г. в рамках 1- го этапа КЭ «БТН-Нейтрон» (см. https://np.cosmos.ru/BTNm1.html) и вновь создаваемая апартура БТН-М2.

Научная аппаратура БТН-М2 предназначена для:

• измерения потоков тепловых, эпитепловых, резонансных нейтронов;
• измерения потоков и энергетических спектров быстрых нейтронов;
• измерения энергетического спектра рентгеновского и гамма-излучений;
• исследования радиационно-защитных свойств съемных защитных экранов (СЗЭ) различного состава в условиях космического полета.

Принцип работы

В основе инструмента БТН-М2 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.

МКС находится на орбите, где могут регистрироваться все три компоненты высокоэнергичного излучения солнечных вспышек: гамма-кванты, протоны и нейтроны. Во время мощных вспышек также будут наблюдаться тепловые, эпитепловые и быстрые нейтроны, образующиеся в атмосфере Земли и конструктивных материалах станции.

МКС представляет собой оптимальную научную космическую платформу для продолжения 1-го этапа (2007 – 2012 годы) и проведения 2-го этапа КЭ «БТН-Нейтрон-2» в 2016-2020 годах во время начала 24-го цикла солнечной активности.

При полете МКС по орбите вокруг Земли детекторы НА просматривают небесную сферу в широком поле зрения. Кроме этого, измеряется поток тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов от атмосферы Земли и элементов конструкции станции вне ГО аппаратурой БТН-М1 и внутри ГО аппаратурой БТН-М2.

МКС допускает возможность разработки и доставки блока дететкоров (БД)и блоков СЗЭ с различными защитными материалами на борт станции в процессе выполнения КЭ.

Конструкция прибора и размещение на борту

Созданные на 1-м этапе КЭ технический, технологический и научный заделы в части регистрации нейтронных и гамма- полей на околоземной орбите и в части исследования радиационной стойкости перспективных сцинтилляционных кристаллов, позволяет перейти ко 2-му этапу эксперимента с научной аппаратурой (НА) БТН-М2 в период 2016-2020 годов.

Регистрации нейтронов в НА БТН-М2 будет осуществляться детекторами двух типов. Для регистрации тепловых, эпитепловых и резонансных нейтронов будут использоваться пропорциональные счетчики на основе изотопа гелия (^3Не) с замедлителями разой толщины. Разработанные в настоящее время детекторы такого типа обладают высокой эффективностью, которая составляет около 10%. На основе пропорциональных счетчиков будут изготовлены: детектор тепловых нейтронов (ДТН), детектор эпитепловых нейтронов (ДЭН) и детектор резонансных нейтронов (ДРН). Для регистрации быстрых нейтронов будет использоваться сцинтилляционный детектор на основе стильбена (ДБН), с защитой от заряженных частиц из органического сцинтиллятора.

Для регистрации гама-излучения в спектральном диапазоне 30 кэВ-10 МэВ будет использоваться сцинтилляционный детектор (ДГ) на основе кристалла LaBr₃.

Аппаратура «БТН-М2» будет обеспечивать следующие физические измерения:

• энергетического спектра высокоэнергичных нейтронов в 16 каналах с энергиями от 1 до 10 МэВ с чувствительностью не менее 20 имп• c^-1/(нейтрон•с^-1•см^-2);
• измерения потока тепловых нейтронов в диапазоне 0.001-0.1эВ с чувствительностью не менее 30 имп•c^-1/(нейтрон•с^-1•см^-2);
• потока эпитепловых нейтронов в диапазоне 0.1-1.0эВ с чувствительностью не менее 10 имп•c^-1/(нейтрон•с^-1•см^-2);
• потока резонансных нейтронов в диапазоне 1.0эВ-1МэВ с чувствительностью не менее 10 имп•c^-1/(нейтрон•с^-1•см^-2);
• энергетического спектра гамма-квантов в 4096 каналах в диапазоне 30 кэВ-10 МэВ с эффективной площадью не менее 30 кв. см и энергетическим разрешением не хуже 3% (при энергии 663 Кэв).

Аппаратура «БТН-М2» устанавливается внутри гермоотсека (ГО) станции.

Ожидаемые результаты и их предполагаемое использование

В результате полученной научной информации 2-го этапа КЭ будет построена модель формирования нейтронов альбедо атмосферы Земли, а также создана модель распределения локального фона нейтронов на космической станции в её различных точках.

Полученные экспериментальные данные позволят выявить закономерности формирования нейтронного излучения Солнца на всех фазах солнечной активности.

Измерения на 2-м этапе КЭ с различными вариантами радиационно-защитных экранов позволят не только определить требования к материалам конструкций радиационных убежищ для снижения радиационной нагрузки на экипаж при межпланетных перелетах, но и отработать элементы конструкции защитного коллиматора спектрометра нейтронов нового поколения.

Будут получены следующие научные и практические результаты:

• экспериментальные данные потоков нейтронов альбедо атмосферы Земли; измерена зависимость потоков от интенсивности первичного излучения, положения точки наблюдений, зенитного угла и направления на Солнце, состояния и состава верхней атмосферы; по результатам измерений будет построена физическая модель рассеяния, поглощения и термализации нейтронов в земной атмосфере;
• измерены энергетические спектры и потоки высокоэнергичных нейтронов солнечных вспышек, которые позволят построить модель развития солнечной вспышки и ускорения заряженных и нейтральных частиц;
• экспериментальные данные о потоках нейтронов внутри модулей МКС при различных условиях экранирования НА «БТН-М-2» для отработки методик радиационной защиты экипажа и оборудования. Это позволит выработать рекомендации по радиационной защите для межпланетных пилотируемых космических комплексов;
• результаты исследований позволят сформулировать требования к штатной аппаратуре радиационного контроля в части нейтронных средств измерений для межпланетных экспедиций.

В ходе выполнения 2-го этапа КЭ - «БТН-Нейтрон-2», предполагается принять решение о начале третьего этапа КЭ с использованием большого нейтронного телескопа. Создание такого инструмента, при разработке которого будут учтены результаты и опыт, полученные в ходе выполнения предыдущих этапов, откроет новое направление космических исследований – солнечную нейтронную астрономию.

Новизна, оценка качественного уровня по сравнению с аналогичными отечественными и зарубежными исследованиями

Предлагаемый эксперимент 2-го этапа КЭ «БТН-Нейтрон-2» содержит следующие элементы новизны по сравнению с зарубежными и отечественными аналогами:

• впервые с помощью аппаратуры с идентичными характеристиками нейтронных детекторов, размещенными снаружи и внутри космического аппарата, будут измерены временные профили и энергетические спектры нейтронов в околоземном космическом пространстве. Это позволит с высокой степенью надежности выделить и исследовать все три составляющие нейтронного поля на околоземной орбите: солнечные нейтроны, нейтроны альбедо земной атмосферы и локальные нейтроны, образующиеся в материалах МКС;
• использование этой методики позволит построить инженерную модель нейтронного фона и фона гамма-лучей на МКС, включающую энергетические спектры и потоки нейтронов и гамма-квантов;
• исследования эффективности методов и средств радиационной защиты от нейтронов позволит выработать и экспериментально проверить методы создания радиационных убежищ для межпланетных космических аппаратов, а также на поверхности Луны и Марса.

Качественный уровень результатов предлагаемого КЭ не имеет аналогов по сравнению с отечественными и зарубежными исследованиями в области нейтронной физики в околоземном космическом пространстве.

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.

Ход работ по проекту

1. Работы 2011 – I –й кв. 2012 г. – Защита эскизного проекта.

2. Работы 2012 – 2016 - разработка инструмента

3. Конец 2016 года - начало летных испытаний