Версия для печати

Эксперимент «БТН-нейтрон»: нейтронная компонента радиационного фона в окрестности МКС

Построенная по данным эксперимента «БТН-Нейтрон» на Международной космической станции карта мощности нейтронной компоненты радиационного фона выявила три географические зоны, нейтронный фон над которыми отличается в 100 раз. Помимо научного интереса, эти данные могут использоваться для решения одной из главных проблем безопасности будущих межпланетных перелетов.

В 2006 году на внешней поверхности российского модуля «Звезда» космонавтом РФ Михаилом Тюриным и астронавтом США Майклом Лопес-Алегрией в рамках эксперимента «БТН-Нейтрон» (Бортовой Телескоп Нейтронов) был установлен нейтронный спектрометр для исследования нейтронной компоненты радиационного фона вокруг Международной космической станции (МКС). Эксперимент «БТН-Нейтрон» был подготовлен Институтом космических исследований РАН (ИКИ РАН) в отделе Ядерной планетологии под руководством д.ф.-м.н. Игоря Митрофанова. В 2007 году, после периода испытаний и калибровок научная аппаратура «БТН-Нейтрона» начала выдавать первые данные. В 2022 г. были опубликованы результаты многолетних измерений.

Внешний детекторный блок в сборе с монтажной фермой: 1 – детекторный блок, 2 – ферма, 3 – кронштейн, 4 – быстросъемные замки, 5 – кабели, 6 – временный защитный чехол. Справа: установка детекторного блока снаружи модуля «Звезда» в ноябре 2006 года проводилась экипажем 14-й основной экспедиции МКС – космонавтом РФ Михаилом Тюриным и астронавтом США Майклом Лопес-Алегрией (на фото).

«Изучать нейтронную компоненту радиационного фона важно прежде всего с точки зрения обеспечения безопасности космонавтов, потому что нейтроны имеют достаточно высокую поражающую способность воздействия на организм человека, – рассказывает заведующий Лабораторией нейтронной и гамма-спектроскопии ИКИ РАН, профессор РАН Максим Литвак. – Надо уметь правильно ее измерять и понимать, какую долю она составляет в общей дозе, которую получают космонавты на МКС».

Парадокс радиационной защиты

Основной источник нейтронов на МКС – сама станция. Заряженные частицы галактических космических лучей, солнечного ветра и радиационных поясов бомбардируют ее и, встречая на пути ядра атомов материалов, из которых построена станция, выбивают из них так называемые вторичные нейтроны. Кроме этого, нейтронное альбедо возникает и при воздействии космических лучей на верхние слои атмосферы. Именно вторичные нейтроны и образуют нейтронный фон на борту МКС.

В связи с этим возникает любопытный парадокс, касающийся обеспечения радиационной безопасности экипажа крупногабаритных пилотируемых космических аппаратов: если человек находится в космосе без защиты от радиации, то на него в основном будут действовать заряженные частицы галактических космических лучей, а нейтронная компонента фона будет маленькой, но если создавать защиту в виде материала стенок космических аппаратов, то с ростом ее массы происходит переработка первичных заряженных частиц во вторичные нейтроны и, следовательно, существенно возрастает вклад нейтронной компоненты радиационного фона в общую дозу радиации, которая может даже возрасти.

«Измерения, проведенные на межпланетных автоматических станциях, чья масса сравнительно мала, показали, что вклад вторичных нейтронов в общий радиационный фон не очень велик и не превышает 5 %, – говорит Максим Литвак. – Но на Международной орбитальной станции массой 440 т он может достигать 20 %, а это уже серьезно».

Нейтронный фон на МКС измеряли и раньше, но это были в основном краткосрочные эксперименты. А российский прибор с 2007 года непрерывно измеряет нейтронную компоненту на станции. Получен огромный объем данных, которые будут использоваться другими исследователями.

«Главная особенность эксперимента – длительная и штатная работа научной аппаратуры, что позволило анализировать изменения на протяжении полного солнечного цикла, который длится 11 лет, – говорит Максим Литвак. – В данных эксперимента можно искать как мелкомасштабную, так и крупномасштабную переменность. Вначале мы не планировали таких длительных сроков проведения эксперимента, и это приятный бонус».

Еще одна особенность эксперимента связана с историей его возникновения. В 2001 году стартовала американская межпланетная станция Mars Odyssey. На ней установлен российский нейтронный спектрометр HEND, также разработанный в ИКИ РАН (руководитель д.ф.-м.н. Игорь Митрофанов, главный конструктор Александр Тоньшев, СКБ КП), который по нейтронному излучению с поверхности Марса должен был искать воду. В ИКИ РАН остался запасной летный образец этого прибора. Возникла идея отправить его на МКС, что и вылилось в проект «БТН-Нейтрон».

«Получилась уникальная ситуация, когда два идентичных прибора в течение долгого времени проводят одновременные измерения нейтронного фона, один – на орбите Марса, а другой – около Земли, – говорит Максим Литвак. – Если возникает солнечная вспышка, то можно посмотреть одинаковыми инструментами, как это событие выглядит с разных сторон: от Земли и от Марса. Кроме того, наш эксперимент на МКС, в совокупности с данными, которые получил второй аналогичный прибор при перелете к Марсу, позволяет лучше понять, как нейтронный фон зависит от конфигурации межпланетного космического аппарата».

Карты мощности

Одним из самых важных результатов эксперимента стали карты мощности нейтронной эквивалентной дозы для минимума и максимума солнечной активности. Карты позволяют оценить вклад пролетов над различными участками поверхности Земли в среднюю дозу, полученную космонавтами за большой период времени пребывания на орбите.

Вверху карта мощности нейтронной эквивалентной дозы, полученная по данным эксперимента «БТН-Нейтрон» за период с 1 января 2014 г. по 1 июля 2015 г. (солнечный максимум). Внизу карта за период с 1 января 2018 г. по 1 января 2019 г. (солнечный минимум).

С точки зрения интенсивности нейтронного фона можно выделить три зоны пролета МКС над Землей. Наиболее низкие значения нейтронных доз – около 0,1 микрозиверта в час (мкЗв/ч) – наблюдаются при пролете над экваториальными областями с минимальными значениями нейтронного потока. При переходе на высокие широты мощность нейтронной дозы возрастает на порядок, до значений 1–5 мкЗв/ч. Максимальные дозы регистрируются при пролетах над Южно-Атлантической магнитной аномалией (ЮАМА). Они составляют 40–60 мкЗв/ч, в 100 раз больше, чем над экваториальными районами.

Повышенный нейтронный фон в зоне ЮАМА объясняется тем, что здесь напряженность магнитного поля Земли локально падает до минимальных значений, а внутренний радиационный пояс с захваченными заряженными частицами опускается до высот всего в 200 км.

Наименьший нейтронный фон в районе экватора объясняется тем, что здесь для проникновения на высоту орбиты МКС заряженная частица должна иметь высокую энергию, поскольку ей требуется двигаться перпендикулярно магнитным силовым линиям. В окрестностях же магнитных полюсов частице достаточно иметь меньшую энергию, т.к. здесь она двигается преимущественно вдоль силовых линий, поэтому в высоких широтах фон повышен в сравнении с экватором.

В противофазе с Солнцем

Используя эти карты, можно оценить, сколько времени МКС находилась над тем или иным участком поверхности и посчитать средневзвешенную дозу, полученную космонавтами в ходе минимума и максимума солнечной активности. Средняя мощность эквивалентной нейтронной дозы в ходе минимума солнечного цикла составляет около 35 мкЗв/день, а во время максимума опускается до 25 мкЗв/день.

То обстоятельство, что нейтронный фон достигает максимума при солнечном минимуме, объясняется тем, что вторичные нейтроны в основном порождаются галактическими космическими лучами, прилетающими из-за пределов Солнечной системы, и их интенсивность модулируется магнитным полем Солнца и солнечным ветром, то есть гелиосферой, которая «дышит» в зависимости от солнечного цикла. Когда Солнце активно, то гелиосфера сильнее препятствует проникновению галактических частиц с низкими энергиями в Солнечную систему.

Нейтронный спектрометр в эксперименте регистрирует нейтроны в диапазоне до 15 МэВ. Чтобы оценить дозу в большем диапазоне, до энергий нейтронов в сотни МэВ, используется экстраполяция с помощью численных методов. Рассчитывается ожидаемая спектральная плотность нейтронного потока в широком энергетическом диапазоне и калибруется по данным эксперимента «БТН-Нейтрон», после чего она сворачивается с коэффициентами поражающей способности нейтронов, зависимость которых от энергии известна. Таким образом, можно сказать, какова будет нейтронная доза с учетом нейтронов более высоких энергий.

Вычисления показывают, что пересчет нейтронной дозы от диапазона измерений детектора «БТН-Нейтрон» 0,4 эВ–15 МэВ к диапазону 0,4 эВ–500 МэВ может увеличить мощность эквивалентной дозы в 3–4 раза за счет учета нейтронов высоких энергий, оказывающих наибольшее поражающее воздействие на человеческий организм.

Таким образом, экстраполяция измерений «БТН-Нейтрон» указывает, что мощность нейтронной дозы на МКС может составлять 75–140 мкЗв/день в зависимости от активности Солнца. По словам заведующего Отдела радиационной безопасности пилотируемых космических полетов Института медико-биологических проблем РАН Вячеслава Шуршакова, космонавт на МКС за год получает дозу в 220 миллизивертов, что соответствует суточной дозе около 600 мкЗв/день. Видно, что вклад нейтронной составляющей получается достаточно значительным.

Интересно, что для экваториальных областей разница изменения нейтронного фона в период солнечных максимума и минимума не превышает 10 %, в то время как для высокоширотных областей вокруг магнитных полюсов Земли и для ЮАМА нейтронный фон меняется почти в 1,5–2 раза. Эта связано с тем, что гелиосферой в период с высокой солнечной активностью отсекаются заряженные частицы низких энергий, которым в районе экватора и так трудно пробиться сквозь магнитное поле Земли. Эта закономерность интересна в свете планов запуска будущей российской орбитальной станции на полярную орбиту.

Эксперимент «БТН-Нейтрон» продолжается и сегодня. Детекторная часть продолжает работать в режиме научных измерений, но, к сожалению, в 2019 г. вышел из строя служебный блок, который находится внутри станции и отвечает за передачу команд на прибор с Земли и осуществление точной привязки измерений к всемирному времени, без чего сложно точно привязаться и к координатам.

«Сейчас выработано временное решение, позволяющее проводить непрерывные измерения, и параллельно идет активная и продуктивная работа со специалистами РКК «Энергия», которая отвечает за эксплуатацию российского сегмента МКС, по замене этого модуля, после чего эффективное управление проведением эксперимента восстановится в полном объеме», – говорит Максим Литвак.

Важно также отметить, что экспериментом «БТН-Нейтрон» исследования не ограничиваются и сейчас в отделе Ядерной планетологии ИКИ РАН полным ходом идут работы над экспериментом «БТН-Нейтрон-2». Это новый нейтронный и гамма-спектрометр (руководит его разработкой к.ф-м.н, лауреат премии Президента РФ в области науки и инноваций Максим Мокроусов), предназначенный для тестирования радиационной защиты. Его планируется установить внутри МКС и будущей Российской орбитальной служебной станции (РОСС). На данный момент уже создан и успешно прошел испытания квалификационно-доводочный образец прибора.

Подробнее см. «Долгопериодические вариации нейтронной компоненты радиационного фона в окрестности международной космической станции по данным космического эксперимента «БТН-Нейтрон»», М. Л. Литвак, И. Г. Митрофанов, Д. В. Головин, А. Пеков, М. И. Мокроусов, А. Б. Санин, В. И. Третьяков, Ц. П. Дачев, Й. В. Семкова, «Космические исследования», 2022, т. 60, № 3, стр. 206-217.

Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.