Навстречу Дню космонавтики: НИЯУ МИФИ и радиационная безопасность космических станций

НИЯУ МИФИ и, в частности, кафедра прикладной ядерной физики (№24) внесли значительный вклад в российскую космическую программу. Именно в нашем университете были созданы детекторы, позволившие оценить присутствие нейтронов высоких энергий на орбитальных станциях.

Орбитальная станция "Салют-7"

Человек вышел в космос, и сразу началось изучение радиационной обстановки на  на борту космических аппаратов. Все пространство Вселенной пронизано космическими лучами, состоящими преимущественно из стабильных протонов. Значит, надо защищаться от протонов и гамма-лучей?  Не все так просто: в космическом пространстве есть свободные нейтроны - они прилетают от Солнца, их можно обнаружить на борту любой орбитальной станции. К тому же сама орбитальная станция - это тонны тяжелых материалов. Под воздействием галактических космических лучей в материалах станции идут ядерные реакции и рождаются нейтроны… Сколько их? Как влияют нейтроны на дозу радиации, получаемую космонавтами? На эти и другие вопросы о нейтронах должны были ответить эксперименты на борту советских станций, а потом - на борту МКС.

МИФИ, и, в частности, кафедра прикладной ядерной физики (№24) активно разрабатывали аппаратуру для разных космических экспериментов, в том числе для экспериментов по нейтронной дозиметрии.

Преподаватели, инженеры и конечно же увлеченные космическими задачами студенты кафедры 24 подготовили и испытали оборудование для изучения полей нейтронов на борту станции «Салют-7».

Аспиранты кафедры 24 с опытной моделью всенаправленного детектора нейтронов.1980-е. 

В качестве поглощающего нейтроны элемента было предложено использовать сам корпус станции. Такой детектор определял откуда прилетели нейтроны на станцию (или родились непосредственно в корпусе станции).

В 90-е годы начинается эра планирования дальних перелётов, лунных станций и, соответственно, обеспечения радиационной безопасности космических экипажей. В начале предполагалось, что нейтроны не внесут существенного вклада в облучение космонавтов, которые находятся внутри станции. Но эксперимент все-таки нужно было провести. Потоки и спектр нейтронов перед экспериментом были смоделированы учёными из МИФИ. Эксперимент должен был быть длительным, и проводиться желательно детекторами небольшой массы, не требующими специальных сложных систем питания и управления - такой детектор можно было послать в космос на грузовом корабле.

Выбор пал на активационные трековые детекторы на основе фольг с нанесением тончайшего слоя делящихся под влиянием нейтронов веществ. Измерения на борту станции для усреднения проводились несколько лет.

Студент С. Ярохно готовит на испытания опытный образец детектора на основе фольги, конец 1980-х.

Детекторы были изготовлены, испытаны и отправлены на станцию "Мир" в 1990 году. По результатам эксперимента плотность потока на борту станции "Мир" составила в среднем 5,21 нейтрона на квадратный сантиметр в секунду. Более 95% процентов нейтронов имели энергию меньше 18 МэВ, спектр нейтронов соответствовал спектру вторичных нейтронов. Вклад нейтронов в радиационную дозу, получаемую экипажем космонавтов, был оценен в 20-30%.

Результаты, полученные на станции "Мир" были позже подтверждены в российском сегменте МКС с помощью канадских детекторов в ходе эксперимента «Матрешка».

Одной из непростых задач в области дозиметрии нейтронов остается регистрация и учет вклада в уровень радиации быстрых нейтронов с энергиями более 20-50 МэВ. Потоки таких нейтронов нестабильны и измерения надо проводить в непрерывном онлайн-режиме. Современные технологии спектрометрии нейтронов с помощью органических сцинтилляторов и цифрового разделения сигнала нейтронов и гамма-лучей могут решить такую задачу .

Кафедра прикладной ядерной физики активно развивает технологии спектрометрии и дозиметрии быстрых нейтронов на Земле, но мы надеемся, что проектируемая российская орбитальная станция так же будет оснащена дозиметрами нейтронов, которые будут разработаны и испытаны в НИЯУ МИФИ.

Инженер Евгений Лупарь тестирует новый спектрометр- дозиметр на органическом сцинтилляторе