阿耳忒弥斯1号揭示月球附近辐射特征：新型探测器助力深空探索

在2022年底至2023年初进行的无人“阿耳忒弥斯1号”（Artemis I）任务中，“猎户座”飞船搭载了嵌入在两个拟人假人内部的10,000多颗微型晶体。这些设备记录了整个旅程中的辐射暴露情况。其中包括由克拉科夫波兰科学院核物理研究所（IFJ PAN）的科学家们创造的数十个实验性荧光氟化锂探测器。研究人员目前已经描述了一种分析这些晶体中所存储信息的新方法，为深入了解宇宙辐射水平以及探测器的性能提供了重要见解。他们的研究成果已发表在《Radiation Measurements》杂志上。

论文的共同作者之一、IFJ PAN的Pawel Bilski教授解释说：“我们研究所开发的基于氟化锂的荧光辐射剂量探测器本质上是被动的。换句话说，它们的工作原理类似于照相胶片：一旦晶体暴露在辐射中，必须在显微镜下光学分析单个粒子留下的轨迹。”

微型晶体如何探测宇宙辐射

氟化锂探测器通过捕捉由辐射引起的微观变化来工作。当带电粒子穿过晶体时，它们会破坏其内部原子结构，产生被称为色心的缺陷。随后，科学家可以用蓝光照射晶体，使这些改变的区域发出红光。通过在显微镜下检查这种荧光，研究人员可以识别单个辐射粒子的运动轨迹。

这些探测器是“阿耳忒弥斯1号”期间进行的MARE（Matroshka AstroRad辐射实验）研究的一部分。几十个实验性氟化锂探测器被放置在两个假人内部，其中一些包含高浓度的锂-7同位素。IFJ PAN的贡献不仅限于这些实验设备，其科学家还提供了近600个热释光晶体探测器，这些探测器使用不同的技术来测量辐射暴露。

新型氟化锂探测器的一大优势在于简化了辐射轨迹的检查过程。传统由塑料制成的被动探测器在科学家研究入射粒子留下的痕迹之前需要进行化学蚀刻。而氟化锂晶体省去了这一步骤，使研究人员能够直接用标准荧光显微镜检查轨迹。

因此，观察在月球附近收集的辐射轨迹相对简单直接。更困难的任务是准确确定这些轨迹揭示了何种辐射暴露情况。为了获得可靠的数值测量结果，研究团队必须开发出复杂的校准和分析技术。

为什么测量深空辐射如此困难

与受控的实验室条件不同，宇宙辐射是高度不可预测的。在典型的物理学实验中，研究人员可以将探测器暴露于包含具有特定能量和方向的已知类型粒子的光束中。但在太空中，辐射来自四面八方，并包含了以巨大能量范围传播的许多不同粒子和原子核。

这种复杂性使得微观轨迹很难解读。由于入射粒子以不同的角度撞击晶体，它们的轨迹向多个方向延伸。显微镜捕捉到每个轨迹在其焦平面内的部分（约一微米大小），但它也记录了来自该狭窄区域之外部分的模糊辉光。这种额外的光线会影响测量的荧光强度，科学家用它来估计粒子对材料的电离密集程度。

不同的粒子也会产生截然不同的轨迹模式。那些引起强电离的粒子留下连续的、清晰定义的线条，而产生较弱电离的粒子可能表现为分散的、不连通的点。这些差异进一步复杂化了将荧光测量转化为有意义辐射数据的任务。

为了克服这些挑战，研究人员引入了几项校正措施，并开发了能够消除不想要的背景信号的软件。改进后的分析使他们的测量结果与既定探测器技术的结果高度吻合，同时也揭示了旧设备无法检测到的辐射事件。

阿耳忒弥斯1号揭示了月球辐射令人惊讶的差异

“阿耳忒弥斯1号”的测量还允许研究人员将月球附近的辐射暴露与国际空间站上早期实验的发现进行比较。

在“阿耳忒弥斯1号”发射十多年前，MATROSHKA实验曾利用空间站上的仿生假人调查了辐射暴露情况。该任务期间记录的部分辐射来自地球范艾伦辐射带内捕获的低能质子。当这些粒子进入假人时，它们在不同的深度沉积能量，产生了不均匀的辐射剂量分布。

月球附近的条件则大不相同。范艾伦辐射带并不延伸到月球环境，因此那里遇到的辐射包含更多源自银河系其他地方的高能粒子的贡献。

这些银河系粒子携带足够的能量穿透整个人体，在通过时仅释放部分能量。因此，“阿耳忒弥斯1号”探测器记录的辐射剂量在假人全身分布几乎是均匀的，这与早期空间站实验中观察到的不均匀模式截然不同。

研究人员还发现了一个可能看似反直觉的结果。尽管月球附近的宇航员比近地轨道的宇航员暴露于更多的辐射中，但这种差异并不一定像人们假设的那样巨大。

新型辐射探测器助力保护未来宇航员

搭乘“阿耳忒弥斯1号”升空的荧光氟化锂探测器是利用提拉法（Czochralski method，一种生长晶体的技术）制造的。IFJ PAN的科学家们大约在十年前首次开发出这项技术，并持续对其进行改进。

它们紧凑的尺寸是最有用的特征之一。这些探测器尺寸仅为几毫米，而不是几厘米，小到可以让人体舒适佩戴，这使其在空间任务期间监测辐射暴露非常实用。

与需要化学蚀刻的传统塑料探测器相比，它们还提供了更清晰的粒子轨迹图像。这种改进的分辨率使科学家即使在辐射剂量相对较高的情况下也能区分出单个轨迹。此外，这些晶体可以记录多种粒子类型和能量，有可能提供更完整的空间辐射环境图景。

另一大优势是它们检测中子能力，特别是当晶体富含锂-6同位素时。之中子与锂原子核相互作用时，它们会触发核反应，产生次要带电粒子。这些粒子在晶体中留下可检测的变化，就像其他形式的电离辐射一样。

这些功能共同使氟化锂探测器成为研究地球以外复杂辐射环境的有力工具。“阿耳忒弥斯1号”的测量结果清晰地展现了宇宙辐射在月球附近的行为方式，并展示了紧凑型探测器如何帮助科学家评估未来任务中的辐射暴露。