Выбор языка |
Главная О КНТС Новости Программы Направления исследований Эксперименты Результаты Информационные ресурсы Приём заявок
Шифр эксперимента: БТН-Нейтрон-2
Направление НПИ: 2. Исследование Земли и космоса
Секция КНТС: 6. Физика космических лучей
Наименование эксперимента: Исследование временных и энергетических характеристик спектра нейтронов в околоземном пространстве с помощью научной аппаратуры «БТН-М1» и «БТН-М2
Цель эксперимента:

Изучение энергетического спектра нейтронов и их временного распределения снаружи и внутри МКС для выделения потоков солнечных нейтронов, нейтронов альбедо атмосферы Земли и нейтронов, рожденных в материалах станции, а также исследование радиационно-защитных свойств различных материалов для разработки предложений по созданию радиационных убежищ при межпланетных перелетах и в периоды пилотируемых экспедиций на Луну и Марс.

 

Описание эксперимента:

Целями проведения КЭ являются изучение энергетического спектра нейтронов и их временного распределения снаружи (с помощью аппаратуры «БТН-М1») и внутри (с аппаратурой «БТН-М2») с российских модулей МКС для выделения потоков солнечных нейтронов, нейтронов альбедо атмосферы земли и нейтронов, рожденных в материалах станции (локальных) нейтронов и исследование радиационно-защитных свойств различных материалов для разработки предложений по созданию радиационных убежищ на Луне и на Марсе и для выработки предложений по технической реализации конструкции нейтронного телескопа для 3-го этапа КЭ.

В ходе КЭ предлагается также провести исследование эффективности защиты от нейтронов с использованием гамма и нейтронного детектора («БТН-М2»), окруженного различными экранами из нейтроно-замедляющих и поглощающих материалов внутри РС МКС. Одновременное проведение измерений спектров нейтронов снаружи станции с помощью аппаратуры «БТН-М1», работающей в настоящее время на внешней поверхности модуля «Звезда», позволит экспериментально проверить модели расчета трансформации нейтронных полей космических излучений при прохождении через вещество станции, рождения вторичных нейтронов внутри станции, а также более корректно выработать требования к конструкции коллиматоров нейтронных телескопов следующего поколения аппаратуры для непосредственного наблюдения за Солнцем.

Задачами КЭ являются:

-регистрация нейтронов и гамма квантов в окрестности Земли с борта МКС для построения физической модели генерации заряженных и нейтральных частиц во время солнечных вспышек (совместная задача всех этапов);

-регистрация нейтронов и гамма квантов в окрестности Земли для создания физической модели альбедо нейтронов атмосферы Земли;

_ и -регистрация нейтронов и гамма квантов для создания инженерной модели радиационного фона нейтронов в окрестностях МКС и внутри гермоотсеков станции при различных условиях полета;

-исследования различных радиационно-защитных экранов внутреннего детекторного блока с помощью специальных съёмных кассет нескольких типов на основе водородосодержащих материалов, борсодержащих материалов с бором, обогащенным по изотопу 10В, редкоземельных фольг и других, хорошо замедляющих и поглощающих нейтроны материалов;

-разработка практических рекомендаций по созданию радиационных убежищ для ПКК и обитаемых станций на Луне и на Марсе;

КЭ проводится не менее 3-х лет. Наблюдения в эксперименте проводятся сеансами. Каждый сеанс предполагает работу в одном из возможных режимов НА (с настройками детекторов и определенной комбинацией СЗК)

Продолжительность одного сеанса наблюдений может меняться и составляет до 3-х месяцев. В ходе одного сеанса измерения идут непрерывно в автоматическом режиме (если это не противоречит проведению других операций по программе полета). За планируемое время измерений должно быть проведено около 12 сеансов продолжительностью 3 месяца каждый.

Для подготовки и реализации КЭ «БТН-Нейтрон - 2» с использованием НА «БТН- М2» необходимо проведение следующих работ, требующих выделения части общих ресурсов МКС:

-доставка на борт РС МКС с помощью ТГК «Прогресс-М» до 30 кг оборудования;

-работа космонавтов внутри ГО станции по подготовке КЭ: перенос НА из ТГК «Прогресс» и укладка на временное хранение (10 мин.); распаковка (10 мин.); монтаж НА, прокладка внутренних кабелей и подключение штатных электрических разъемов, включение НА (40 мин.);

-работа космонавтов внутри ГО станции по проведению КЭ: переконфигурация настроек НА с помощью USB флеш-драйва или бортового компьютера (30 мин/месяц); сбор информации из внутренней памяти ДБ «БТН-М2» на бортовой компьютер RSE-1 или на USB флеш-драйв с последующей передачей на Землю на унифицированном жестком диске из состава КСПЭ (15 мин./месяц при необходимости); корректировка внутреннего времени НА (10 мин/месяц при необходимости); съем/надевание защитных кассет НА (30 мин/месяц); отключение аппаратуры, перенос на новое место экспонирования с другой радиационной защищенностью материалами РС МКС, подключение к системам РС МКС, включение НА (40 мин./операция); передача квитанций подтверждения выполнения текущих работ по КЭ на Землю голосом или с использованием средств передачи информации РС МКС (5 мин/операция).

-эксплуатация оборудования на РС МКС в течение 3-х лет с продлением срока по решению ИКИ РАН и РКК «Энергия»;

-максимальная потребляемая мощность НА «БТН-М2» 15 Вт;

-передача научной информации на Землю посредством системы БИТС2-12 (—150 Мб/мес.) и/или запись информации на бортовой компьютер с последующей передачей на Землю на унифицированном жестком диске;

Предлагаемый КЭ «БТН-Нейтрон - 2» содержит следующие элементы новизны по сравнению с зарубежными и отечественными аналогичными исследованиями:

-Впервые с помощью аппаратуры с идентичными характеристиками нейтронных детекторов, размещенных снаружи и внутри космического аппарата будут измерены динамические и спектральные характеристики потоков нейтронов. Это позволит с высокой степенью надежности выделить все три составляющие нейтронного поля на околоземной орбите: солнечные нейтроны, нейтроны альбедо земной атмосферы и локальные нейтроны, образующиеся в материалах КА

-Использование этой методики позволит на качественно новом уровне сформулировать требования к солнечным нейтронным телескопам следующего поколения для непосредственной регистрации солнечных нейтронов генерируемых во время мощных солнечных вспышек

-Исследования эффективности методов и средств радиационной защиты от нейтронов позволит в условиях смешанных полей радиации внутри КА значительно продвинуться в формулировании методологии построения радиационных убежищ для долговременных околоземных станций, для межпланетных КА, а также для построения обитаемых баз на других планетах Солнечной системы, где радиационная опасность от нейтронов является доминирующей.

В ходе выполнения эксперимента «БТН-Нейтрон - 2» предполагается принять решение о начале КЭ с использованием нейтронного телескопа. Создание такого инструмента, при разработке которого будут учтены результаты и опыт, полученные в ходе выполнения предыдущих этапов КЭ эксперимента с аппаратурой «БТН-М1» и «БТН-М2» откроет новое направление космических исследований - нейтронную астрономию. Отработки радиационно-защитных материалов позволит создать методики создания радиационных убежищ для межпланетных перелетов и для баз на других небесных телах Солнечной системы.

Новизна эксперимента:

Предлагаемый эксперимент 2-го этапа КЭ «БТН-Нейтрон» содержит следующие элементы новизны по сравнению с зарубежными и отечественными аналогичными исследованиями:

-Впервые с помощью аппаратуры с идентичными характеристиками нейтронных детекторов размещенными снаружи и внутри космического аппарата будут измерены динамические и спектральные характеристики потоков нейтронов. Что позволит с высокой степенью надежности выделить все три составляющие нейтронного поля на околоземной орбите: солнечные нейтроны, нейтроны альбедо земной атмосферы и локальные нейтроны, образующиеся в материалах КА.

-Использование этой методики позволит на качественно новом уровне сформулировать требования к солнечным нейтронным телескопам следующего поколения для непосредственной регистрации солнечных нейтронов генерируемых во время мощных солнечных вспышек

-Исследования эффективности методов и средств радиационной защиты от нейтронов позволит в условиях смешанных полей радиации внутри КА значительно продвинуться в формулировании методологии построения радиационных убежищ для долговременных околоземных станций, для межпланетных КА, а также для создания обитаемых баз на других планетах Солнечной системы, где радиационная опасность от нейтронов является доминирующей.

Качественный уровень результатов предлагаемого КЭ не имеет аналогов по сравнению с отечественными и зарубежными исследованиями в области нейтронной физики в околоземном пространстве.

В ходе выполнения второго этапа эксперимента «БТН-Нейтрон» предполагается принять решение о начале третьего этапов КЭ с использованием нейтронного телескопа. Создание такого инструмента, при разработке которого будут учтены результаты и опыт, полученные в ходе выполнения предыдущих этапов эксперимента с аппаратурой «БТН-М1» и «БТН-М2» откроет новое направление космических исследований - нейтронную астрономию.

 

Научная аппаратура:

Для реализации 2-го этапа эксперимента «БТН-Нейтрон-2» предполагается использовать имеющуюся на борту РС МКС аппаратуру «БТН-М1» первого этапа КЭ, и вновь разработанную научную аппаратуру «БТН-М2».

Регистрации нейтронов в НА «БТН-М2» будет осуществляться детекторами двух типов. Для регистрации тепловых, эпитепловых и резонансных нейтронов будут использоваться пропорциональные счетчики на основе изотопа гелия (Не).

Разработанные в настоящее время детекторы такого типа обладают высокой эффективностью, которая составляет около 10%. На основе пропорциональных счетчиков будут изготовлены: детектор тепловых нейтронов (ДТН), детектор эпитепловых нейтронов (ДЭН) и детектор резонансных нейтронов (ДРН). Для регистрации быстрых нейтронов будет использоваться сцинтилляционный детектор на основе стильбена (ДБН), с защитой от заряженных частиц из органического сцинтиллятора.

Для регистрации гама-излучения в спектральном диапазоне 30 кэВ-10 МэВ будет использоваться сцинтилляционный детектор (ДГ) на основе кристалла LaBr3. Предварительные параметры научной аппаратуры приведены в разделах 3.3 - 3.5 и будут уточнены на этапах согласования ТЗ на НА и эскизном проектировании. Аппаратура «БТН-М2» устанавливается внутри гермоотсека станции. Варианты размещения аппаратуры будут определены на этапе эскизного проектирования.

 

Ожидаемые результаты:

В ходе реализации КЭ будут получены следующие научные и практические результаты:

(1) Будут измерены энергетические спектры и потоки высокоэнергичных нейтронов солнечных вспышек, измерен профиль переменности потока. Сопоставление этих данных с результатами измерений рентгеновского и гамма-излучения, а также высокоэнергичных протонов солнечных вспышек позволит построить модель развития солнечной вспышки и ускорения заряженных и нейтральных частиц

(2) Будут получены экспериментальные данные измерений нейтронов альбедо атмосферы Земли. Будет измерена зависимость их потоков от интенсивности первичного излучения, положения точки наблюдений, зенитного угла и направления на Солнце, состояния и состава верхней атмосферы. По результатам измерений будет построена физическая модель рассеяния, поглощения и термализации нейтронов в земной атмосфере;

(3) Будет построена оперативная модель нейтронной обстановки внутри станции и в отдельных ее блоках. Это позволит контролировать условия обитания экипажа станции и выработать рекомендации по минимизации дозы облучения. Сравнение темпов счета в детекторах для различных вариантов экранирования позволит оценить угловое распределение фонового излучения внутри гермоотсека станции;

(4) экспериментальные данные о потоках нейтронов внутри станции при различных условиях экранирования внутреннего детекторного блока для отработки методик радиационной защиты экипажа и оборудования. Это позволит выработать рекомендации по конструированию радиационной защиты для перспективных межпланетных пилотируемых комплексов и позволят сформулировать требования к штатной аппаратуре радиационного контроля в части нейтронных средств измерений для межпланетных экспедиций;

(5) В ходе проведения первого и второго этапа эксперимента «БТН-Нейтрон» планируется проведение одновременной регистрации быстрых нейтронов российским прибором ХЕНД на американском межпланетном аппарате «2001 Марс Сервейор». На основе синхронных данных эксперимента ХЕНД на орбите вокруг Марса и эксперимента «БТН-Нейтрон» на орбите вокруг Земли будет построена «стереоскопическая» модель генерации и распространения нейтронов в гелиосфере. Это также позволит продвинуться в выяснении природы солнечных вспышек.

Проведение эксперимента «БТН-Нейтрон» обеспечит мониторинг нейтронного излучения от Солнца а также нейтронной обстановки в верхних слоях земной атмосферы. На этапе эскизного проектирования совместно со специалистами головного предприятия будут разработаны методики оценки радиационной обстановки в отсеках станции, при этом кроме данных комплекса аппаратуры «БТН-М1» будут использоваться данные основных приборов станции, измеряющих фоновую обстановку.

 

Полученные результаты:

 

Сроки проведения:
Состояние эксперимента: Готовится
Организация постановщик: Институт космических исследований Российской академии наук
Организации участники: ИКИ РАН – постановщик; ПАО «Ракетно-космическая корпорация «Энергия» им. С.П. Королёва» (ПАО «РКК «Энергия»); ОИЯИ, г. Дубна, Московской обл.; НИИЯФ МГУ
Научный руководитель: Митрофанов И. Г., ИКИ РАН, заведующий лабораторией, д.ф.-м.н.
Публикации по эксперименту:

1. Ныммик Р.А. Модель потоков частиц и усредненных энергетических спектров солнечных космических лучей // Космич. исслед. 1993. Т. 31. Вып. 6. С. 51-59;

2. Panasyuk M.I., Bogomolov A.V., Bogomolov V.V et al. Background fluxes of neutrons in near-space: experimental results of SINP // Preprint SINP MSY 2000-9/613. Moscow. 2000;

3. Севастьянов В.Д., Тарновский Г.Б., Лягушин В.И., Измерение энергетического спектра нейтронов на орбитальной станции Мир // Космические Исследования, 1997, Т.35. №2. С.216;

4. Ramaty R., Mandzhavidze N. Theoretical models for high-energy solar flare emission // J.M. Ryan, W.T. Vestrand (Eds.), AIP Conference Proceedings, № 294, "High Energy Solar Phenomena, New Era of Spacecraft Measurements, American Institute of Physics, New York, USA, 1994, P. 26-44;

5. Chupp E.L., Forrest D.J., Ryan J.M. et al. A direct observation of solar neutrons following the 01:18 UT flare on 1980 June 21 // Astrophys. Journal. 1982. V. 263. P. 95-99;

6. Chupp E.L. Solar neutron observations and their relation to solar flare acceleration problems // Solar Physics. 1988. V.118. P.137-154;

7. Kuznetzov S.N., Kudela K., Myagkova I.N., et al. First experience with SONG-M measurements on board CORONAS-F satellite // Indian J. Radio Space Physics. 2004. V.33. P.353-357;

8. Watanabe K. etc., Solar neutron events of 2003 October November // The Astrophysical Journal, 636, p. 1135-1144, 2006;

9. Debrunner H. et al. // ApJ. v.479, p.997, 1997

10. Chupp E., // ApJ Suppl. v.73, p.213, 1990.

11. Wunderer C., Holslin D., Marcri J., McConnell M. and Rayan J.

“SONTRAC - A Low Backgound Large Area Solar Neutron Spectrometer” // IEEE, 1998 12. Reitz G., 2001, European Dosimetry Activities for the ISS, Physica Medica V. XVII, suppl.1, pp. 283-286;

13. Benton E.R., Benton E.V., Frank A.L., 2002, Passive dosimetry aboard the MIR orbital station: external measurements, Radiat. Meas. V. 35, 457-471;

14. Palfalvi J.K., Akatov Yu., etc.,Cosmic Particle Induced Reaction Detection with SSNTD Stacks Exposed On-Board of the International Space Station // 10th international conference on nuclear reaction mechanisms, Varenna; Italy, June 9 - 13, 2003;

15. Vana N., Schoner W., Fugger M., Akatov Yu.: DOSIMIR - Radiation Measuerments Inside the Soviet Space Station MIR - First Results. International Space Year Conference Munich, 193, 1992;

16. Beaujean R., Burmeister S. , Petersen F., Reitz G., DOSTEL Dosimetry Data as a part of DOSMAP, 7th Workshop on Radiation

17. Chishiki A, Matsumoto H, Koshiishi H, Takagi S, Koga K, Goka T, Omodaka T. Analysis of the Neutron Radiation Environment inside the International Space Station as Obtained by a Bonner Ball 16 Neutron Detector. 2nd International Workshop on Space Radiation Research, Nara, Japan. 11 - 15 March, 2002.

18. Lyagushin V, Dudkin V, Potapov Yu, Sevastianov V. Russion measurements of neutron energy spectra on the Mir orbital station // Radiation Measurements, v.33, p.313-319, 2001.

19. Giovani de Angelis at al. Радиационные условия на Луне и на Марсе. Международный семинар, ГНЦ РФ ИМБП РАН, 2008.

 

Последнее обновление: 30.11.2017

Информационная справка

Программы

Изображения