Sitni kristali koji su u Orionu putovali oko Mjeseca sačuvali su tragove visokoenergetskih čestica. Znanstvenici su sada razvili način da iz tih tragova procijene kako je zračenje predavalo energiju materijalu, što je važno za mjerenje izloženosti astronauta na budućim lunarnim putovanjima.
Eksperimentalni detektori od litijeva fluorida letjeli su u misiji Artemis I 2022. godine, ugrađeni u modele ljudskog tijela. Njihova analiza pokazuje i prednosti i ograničenja nove metode: u dijelu mjernog raspona rezultati dobro odgovaraju standardnim detektorima, dok pri većem prijenosu energije mogu precijeniti dozu.
Metodu opisuje rad Pawela Bilskog i suradnika u časopisu Radiation Measurements. Razvijena je u Institutu za nuklearnu fiziku Poljske akademije znanosti u Krakovu, koji je 22. listopada predstavio rezultate i njihovu primjenu u eksperimentu MARE.
Umjesto astronauta letjele su Helga i Zohar
Artemis I bio je besposadni probni let. Orion je poletio 16. studenoga 2022., obišao Mjesec i vratio se na Zemlju 11. prosinca. U njegovoj su kabini bila dva modela ženskog tijela, Helga i Zohar, opremljena brojnim detektorima koji su bilježili zračenje na različitim mjestima.
Takvi se modeli u dozimetriji nazivaju fantomima. Omogućuju ispitivanje izloženosti bez prisutnosti ljudi. Zohar je nosila zaštitni prsluk AstroRad, namijenjen prvenstveno zaštiti od protona nižih energija kakvi se pojavljuju pri naglom porastu broja čestica koje izbacuje Sunce.
U modelima je bilo više od deset tisuća malih kristala različitih detektora. Među njima je bilo nekoliko desetaka eksperimentalnih fluorescentnih detektora od litijeva fluorida kojima se bavi novi rad. Poljski institut pridonio je eksperimentu i s gotovo 600 termoluminiscentnih detektora druge vrste, navodi u izvornom priopćenju.
Čestice ostavljaju trag koji zasvijetli
Kada čestica ionizirajućeg zračenja prođe kroz kristal litijeva fluorida, stvara nepravilnosti u njegovoj kristalnoj rešetki. Pri naknadnom laboratorijskom očitanju plava svjetlost pobuđuje ta mjesta, koja zatim emitiraju crvenu fluorescenciju. Pod mikroskopom se tako mogu vidjeti tragovi prolaska čestica.
Detektori su pasivni: podatak ostaje zabilježen u materijalu i očitava se nakon izlaganja. Za razliku od uobičajenih plastičnih detektora tragova, kristale prije promatranja nije potrebno kemijski jetkati. Dovoljan je fluorescencijski mikroskop.
Teži dio posla počinje kada se vidljive linije pokušaju pretvoriti u pouzdane brojke. Svemirsko zračenje dolazi iz različitih smjerova, sadrži razne vrste čestica i obuhvaća širok raspon energija. Tragovi zbog toga prolaze kroz kristal pod različitim kutovima, a dio njihove svjetlosti potječe izvan ravnine na koju je mikroskop izoštren.
Istraživači su morali korigirati te učinke i ukloniti pozadinski signal. Iz intenziteta tragova rekonstruirali su linearni prijenos energije, odnosno količinu energije koju čestica predaje materijalu po jedinici prijeđenog puta. Taj podatak pomaže razlikovati zračenja koja u materijalu stvaraju različitu gustoću ionizacije.
Što su kristali izmjerili, a gdje još griješe?
Rezultati su uspoređeni s plastičnim detektorima postavljenima na istim mjestima. Kada je izračun ograničen na linearni prijenos energije manji od 100 kiloelektronvolta po mikrometru u vodi, razlike u procjeni doze bile su unutar 15 posto.
Pri većim vrijednostima rezultati dobiveni kristalima bili su sustavno viši od rezultata plastičnih detektora. U ukupnom analiziranom rasponu procijenjena doza bila je precijenjena i do 30 posto, a faktor kvalitete zračenja, kojim se opisuje njegova biološka učinkovitost, za približno 15 posto. Autori razmatraju nekoliko mogućih uzroka, uključujući ograničenu kalibraciju i dodatne tragove nastale sudarima neutrona s jezgrama litija.
Rad obuhvaća razvoj metode i samo dio podataka eksperimenta MARE. Iz tih brojki nije moguće izvesti ukupnu dozu koju bi primio astronaut niti konačan zaključak o učinkovitosti prsluka.
Zašto je zračenje kod Mjeseca drukčije?
Usporedba s mjerenjima u niskoj Zemljinoj orbiti pokazuje i razliku u vrsti izloženosti. Prema objašnjenju instituta, blizu Zemlje dio doze potječe od protona zarobljenih u njezinu magnetskom polju. U okolici Mjeseca veći je doprinos galaktičkog kozmičkog zračenja.
Njegove čestice mogu imati dovoljno energije da prođu kroz cijelo ljudsko tijelo, ostavljajući dio energije duž putanje. Institut navodi da je raspodjela izmjerene doze unutar fantoma zato bila ujednačenija nego u ranijim orbitalnim pokusima. Usporedba se odnosi na konkretna mjerenja i uvjete leta, a ne na jednaku opasnost tijekom svih lunarnih misija.
Sljedeći korak bit će bolja kalibracija te analiza slabijih tragova koji se vide kao nizovi odvojenih točkica. Autori planiraju i automatizirano skeniranje cijele površine detektora. Time bi se moglo obraditi više čestica i pouzdanije procijeniti dio zračenja koji sadašnja analiza još ne obuhvaća dovoljno dobro.
