I ricercatori dell’Istituto di fisica e tecnologia di Mosca (MIPT) hanno sviluppato un prototipo di rivelatore di particelle solari. Il dispositivo è in grado di captare protoni a energie cinetiche comprese tra 10 e 100 megaelettronvolt ed elettroni a 1-10 MeV. Questo copre la maggior parte del flusso di particelle ad alta energia proveniente dal sole. Il nuovo rilevatore può migliorare la protezione dalle radiazioni per astronauti e astronavi, oltre a far progredire la nostra comprensione dei brillamenti solari.
Quando l’energia viene convertita da una forma all’altra nelle regioni attive dell’atmosfera solare, i flussi di particelle – o raggi cosmici – nascono con energie all’incirca tra 0,01-1000 MeV. La maggior parte di queste particelle sono elettroni e protoni, ma si osservano anche nuclei dall’elio al ferro, sebbene in numero molto più piccolo.
L’opinione corrente è che il flusso di particelle abbia due componenti principali. In primo luogo, ci sono gli stretti flussi di elettroni in brevi bagliori che durano da decine di minuti a diverse ore. E poi ci sono i flare con ampie onde d’urto, che durano fino a diversi giorni e contengono principalmente protoni, con alcuni nuclei occasionali più pesanti.
Nonostante la vasta gamma di dati forniti dagli orbiter solari, alcune questioni fondamentali rimangono irrisolte. Gli scienziati non comprendono ancora i meccanismi specifici alla base dell’accelerazione delle particelle nei brillamenti solari di durata più breve e più lunga. Inoltre, non è chiaro quale sia il ruolo della riconnessione magnetica per le particelle mentre accelerano e lasciano la corona solare, o come e dove si originano le popolazioni di particelle iniziali prima di accelerare sulle onde d’urto.
Per rispondere a queste domande, i ricercatori richiedono rilevatori di particelle di un nuovo tipo, che sarebbero anche alla base di nuovi protocolli di sicurezza per astronavi che riconoscano l’onda iniziale di elettroni come un avvertimento precoce dell’imminente pericolo di radiazioni protoniche.
Un recente studio di un team di fisici del MIPT e altrove riporta la creazione di un prototipo di rivelatore di particelle ad alta energia. Il dispositivo è costituito da più dischi in polistirolo
, collegati a fotorilevatori. Quando una particella passa attraverso il polistirolo, perde parte della sua energia cinetica ed emette luce, che viene registrata da un fotorilevatore al silicio come segnale per la successiva analisi al computer.Il principale ricercatore del progetto Alexander Nozik del Nuclear Physics Methods Laboratory del MIPT ha dichiarato: “Il concetto di rivelatori a scintillazione plastica non è nuovo e tali dispositivi sono onnipresenti negli esperimenti terrestri. Ciò che ha consentito i notevoli risultati che abbiamo ottenuto è stato l’utilizzo di un rilevatore segmentato insieme ai nostri metodi di ricostruzione matematica “.
Una parte dell’articolo nel Journal of Instrumentation si occupa dell’ottimizzazione della geometria del segmento del rivelatore. Il dilemma è che mentre dischi più grandi significano più particelle analizzate in un dato momento, ciò avviene a scapito del peso dello strumento, rendendo la sua consegna in orbita più costosa. Anche la risoluzione del disco diminuisce all’aumentare del diametro.
Per quanto riguarda lo spessore, i dischi più sottili determinano le energie dei protoni e degli elettroni con maggiore precisione, ma un gran numero di dischi sottili richiede anche più fotorilevatori ed elettronica più voluminosa. Il team si è affidato alla modellazione al computer per ottimizzare i parametri del dispositivo, alla fine assemblando un prototipo abbastanza piccolo da poter essere consegnato nello spazio.
Il dispositivo a forma di cilindro ha un diametro di 3 centimetri ed è alto 8 centimetri. Il rilevatore è costituito da 20 dischi di polistirolo separati, che consentono una precisione accettabile di oltre il 5%. Il sensore ha due modalità di funzionamento: registra singole particelle in un flusso che non supera le 100.000 particelle al secondo, passando a una modalità integrata sotto radiazioni più intense.
La seconda modalità fa uso di una tecnica speciale per analizzare i dati di distribuzione delle particelle, che è stata sviluppata dagli autori dello studio e non richiede molta potenza di calcolo.
“Il nostro dispositivo ha funzionato molto bene nei test di laboratorio”, ha detto il coautore dello studio Egor Stadnichuk del MIPT Nuclear Physics Methods Laboratory. “Il passo successivo è lo sviluppo di una nuova elettronica che sia adatta per il funzionamento del rivelatore nello spazio. Inoltre, adatteremo la configurazione del rilevatore ai vincoli imposti dall’astronave. Ciò significa rendere il dispositivo più piccolo e leggero e incorporare una schermatura laterale. Si prevede inoltre di introdurre una segmentazione più fine del rilevatore. Ciò consentirebbe misurazioni precise degli spettri di elettroni a circa 1 MeV.”