Promieniowanie kosmiczne, mogące potencjalnie wywoływać szkodliwe skutki dla zdrowia astronautów, jest istotnym problemem w lotach załogowych. Pole promieniowania kosmicznego ma bardzo skomplikowany charakter, radykalnie różniący się od tego, z czym można zetknąć się na Ziemi, a wiedza na temat narażenia radiacyjnego astronautów nie jest jeszcze pełna i pewna.
Z tego powodu w ostatnich dekadach podejmowane są różne badania mające na celu jak najdokładniejsze scharakteryzowanie pola promieniowania kosmicznego, jego zmienności w czasie i przestrzeni, w tym eksperymentalne wyznaczenie przy pomocy realistycznych modeli ciała ludzkiego, dawek promieniowania pochłanianych w poszczególnych tkankach i narządach.
W badaniach dozymetrycznych w przestrzeni kosmicznej zespół Zakładu Dozymetrii i Fizyki Radiacyjnej Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie uczestniczy od ponad dwudziestu lat. Pierwsze ksperymenty na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS) z naszym udziałem przeprowadzone zostały z początkiem 2001 roku, wkrótce po pojawieniu się na nowo wybudowanej stacji pierwszych astronautów. Od tej pory detektory z IFJ PAN niemal nieprzerwanie rejestrują dawki promieniowania na orbicie Ziemi. Głównym narzędziem badawczym, jakie stosujemy w tych pomiarach, są detektory termoluminescencyjne (TL). Stanowią one swego rodzaju specjalność IFJ PAN – zajmujemy się opracowywaniem nowych typów detektorów, ich badaniem i optymalizowaniem pod kątem specyficznych zastosowań. Wiedza i doświadczenie w pracy z detektorami TL stanowiły pierwotną przyczynę zaproszenia naszego zespołu do udziału w badaniach promieniowania kosmicznego. Jak działają takie detektory? Są one całkowicie pasywne (bierne) – nie potrzebują zasilania energią elektryczną, a więc nie posiadają żadnych kabli, baterii, żadnej elektroniki. Detektory TL niejako zapamiętują informację o pochłoniętej dawce promieniowania poprzez naturalne zjawiska zachodzące w strukturze krystalicznej materiału. Promieniowanie jonizuje materiał detektora, uwalniając nośniki ładunku, które następnie mogą być wychwycone w tzw. centrach pułapkowych, wytworzonych najczęściej przez atomy domieszek wprowadzonych intencjonalnie do struktury krystalicznej. Nośniki ładunku mogą rzebywać w centrach pułapkowych nawet przez wiele lat. Odczytanie informacji o pochłoniętej dawce następuje poprzez podgrzanie detektora do temperatury kilkuset stopni. Nośniki ładunku są wówczas walniane z centrów pułapkowych i rekombinują, emitując światło, którego natężenie jest miarą dawki. Podstawowe rodzaje detektorów TL, które stosujemy w pomiarach w kosmosie (i nie tylko tam) to fluorek litu domieszkowany jonami magnezu i tytanu (LiF:Mg,Ti) lub jonami magnezu, miedzi i fosforu (LiF:Mg,Cu,P). Detektory TL są bardzo małe – typowo mają formę pastylek o średnicy kilku milimetrów i grubości poniżej milimetra (rys. 1).
Rys. 1. Detektory TL o średnicy 4,5 mm przygotowane do pomiaru.
Rys. 2. Fluorescencyjne ślady cząstek jądrowych zarejestrowane na orbicie Ziemi.
Rys. 3. Astronauta przy montażu fantomu Matroshka na zewnątrz stacji kosmicznej ISS.
Głównym narzędziem badawczym, jakie stosujemy w tych pomiarach, są detektory termoluminescencyjne (TL). Stanowią one swego rodzaju specjalność IFJ PAN – zajmujemy się opracowywaniem nowych ypów detektorów, ich badaniem i optymalizowaniem pod kątem specyficznych zastosowań.
Drugim typem detektorów stosowanym przez nas do pomiaru promieniowania kosmicznego są detektory śladowe. Pozwalają one zarejestrować ślady przejścia pojedynczych silnie jonizujących cząstek,
np. ciężkich jonów, które stanowią istotną część widma promieniowania kosmicznego. Klasyczne detektory śladowe to płytki z tworzywa sztucznego, które po ekspozycji na promieniowanie wytrawia się w żrących roztworach. Powoduje to powiększenie uszkodzeń polimeru spowodowanych przez cząstki do rozmiaru pozwalającego na ich obserwacje pod mikroskopem optycznym. W ostatnich latach prowadzimy w IFJ PAN prace nad rozwojem całkowicie nowego rozwiązania – fluorescencyjnych detektorów śladowych. Materiałem detektora jest ponownie fluorek litu, lecz tym razem w formie niedomieszkowanych monokryształów.
Promieniowanie przechodząc przez kryształ LiF generuje defekty strukturalne (wakancje). Wskutek naturalnych procesów defekty łączą się w bardziej złożone kompleksy, z których niektóre wykazują własność fluorescencji – oświetlone wiatłem niebieskim, emitują czerwoną luminescencję. Prowadzone przez nas badania pokazały, że jest ona wystarczająco intensywna, by stosując zwykły mikroskop fluorescencyjny zobaczyć lady pojedynczych cząstek z rozdzielczością rzędu 400 nm (rys. 2).
Największym pod względem skali i czasu trwania eksperymentem dozymetrycznym realizowanym w przestrzeni kosmicznej był projekt badawczy ESA o nazwie Matroshka. Przebiegał on w latach 2004–2011 i polegał na serii ekspozycji na stacji kosmicznej modelu ciała człowiek (tzw. fantomu) wyposażonego w wiele tysięcy detektorów promieniowania, z których większość stanowiły detektory TL wykonane w IFJ AN. Najciekawszą była trwająca 1.5 roku ekspozycja fantomu na zewnątrz stacji (rys. 3).
W roku 2022 powróciliśmy do pomiarów fantomowych w kosmosie. Zostaliśmy zaproszeni do udziału w międzynarodowym eksperymencie MARE w ramach misji NASA Artemis-1 skierowanej na orbitę Księżyca. Był to pierwszy bezzałogowy lot nowej kapsuły załogowej Orion. Stworzyło to unikalną możliwość umieszczenia dwóch fantomów w miejscu przeznaczonym dla astronautów. Nigdy dotąd nie prowadzono tego typu pomiarów poza tzw. niską orbitą okołoziemską, czyli wychodząc poza strefę ochronnego działania ziemskiego pola magnetycznego. Celem eksperymentu jest określenie narażenia radiacyjnego astronautów w przyszłych lotach na Księżyc, poprzez wyznaczenie rozkładu dawki wewnątrz ciała i dawek pochłoniętych w poszczególnych narządach. Dodatkowo testowana jest specjalnie zaprojektowana kamizelka ochronna, w którą ubrany został jeden z fantomów. Do eksperymentu MARE IFJ PAN dostarczył kilkaset detektorów TL i śladowych.
Rys. 4. Eksperyment MARE: a) – fantom rozłożony na części, b) – montaż detektorów TL w fantomie, b) – składanie fantomu, d) – montaż fantomów wewnątrz kapsuły Orion. (foto NASA, DLR, IFJ PAN)
Misja Artemis-1 wystartowała z przylądka Canaveral na Florydzie 16 listopada 2022 roku i zakończyła się po 26 dniach wodowaniem w Ocenie Spokojnym. Obecnie oczekujemy na powrót
naszych detektorów do Krakowa, a ich odczyty i pierwsze analizy planowane są na wiosnę 2023.
Udział IFJ PAN w eksperymencie MARE jest częściowo sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki (projekt No 2020/39/B/ST9/00459).
Paweł Bilski, Instytut Fizyki Jądrowej PAN im. H. Niewodniczańskiego w Krakowie