[论文解读] In-flight performances of SilEye-2 Experiment and cosmic ray abundances inside space station Mir

S. Avdeev, V. Bidoli+25 more|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2001

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 1被引用 7

一句话总结

该论文介绍了在和平号空间站上搭载的SilEye-2实验在飞行过程中对性能及宇宙射线的测量结果，该实验使用六层硅条纹探测器识别能量高于~150 MeV/n的从硼到硅的宇宙射线核素。研究报告了辐射环境的变化情况，包括7次太阳粒子事件，并发现南大西洋异常区由于捕获质子导致线性能量传递（LET）和吸收剂量最高，高纬度区域的剂量当量达到840 ± 50 μSv/天，该区域以银河系宇宙射线为主导。

ABSTRACT

Cosmic ray measurements performed with the instrument SilEye-2 on Mir space station are presented. SilEye-2 is a silicon detector telescope for the study of the causes of Light Flashes perception by astronauts. As a stand-alone device, it monitors in the short and long term the radiation composition inside Mir. The cosmic ray detector consists of an array of 6 active silicon strip detectors which allow nuclear identification of cosmic rays up to Iron. The device was operational for more than 1000 hours in the years 1998-2000, measuring also several Solar Particle Events. In this work we present the in-flight performance of the instrument and nuclear abundance data from Boron to Silicon above ~150 MeV/n inside Mir.

研究动机与目标

• 研究在和平号空间站上运行的SilEye-2宇宙射线探测器的在轨性能及辐射环境。
• 测量空间站内部能量高于~150 MeV/n的从硼到硅的宇宙射线核素丰度。
• 评估不同地磁区域中宇宙射线通量和线性能量传递（LET）的时间变化。
• 将粒子测量结果与航天员观测到的闪光现象（Light Flash, LF）相关联，以理解辐射诱导的视觉现象。
• 为国际空间站未来的空间辐射监测提供数据支持，提升载人航天飞行的安全性。

提出的方法

• SilEye-2采用六组活性硅条纹探测器测量入射宇宙射线的能量沉积和电荷，实现对铁核素的核素识别。
• 探测器以头盔安装方式佩戴在航天员头部，以最大化对入射至眼睛方向粒子的立体角覆盖。
• 数据采集使用50 ms时间戳，以关联粒子事件与和平号轨道位置及地磁位置。
• 通过硅层中的能量损失和轨迹拓扑结构实现粒子识别，电荷分辨能力足以区分Z = 5至26的核素。
• 通过将总能量沉积归一化至入射角度计算线性能量传递（LET），从而实现对硅和水中的剂量估算。
• 启动蒙特卡罗模拟，以从测量的LET重建原始质子能谱，考虑能量依赖的截面和材料效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 SilEye-2探测器在和平号空间站上测量宇宙射线丰度的在轨性能如何？
• RQ2 在和平号内部，不同地磁区域（SAA、L>2、L<2）的宇宙射线通量和成分如何变化？
• RQ3 捕获质子和银河系宇宙射线对不同轨道区域中线性能量传递（LET）和吸收剂量的贡献如何？
• RQ4 太阳粒子事件如何影响1998至1999年期间SilEye-2所测量的辐射环境？
• RQ5 宇宙射线通量与航天员观测到的闪光现象发生率之间存在何种关系？

主要发现

• SilEye-2于1998年8月至1999年8月期间运行1,068小时，获取超过1000万个粒子事件，并探测到7次太阳粒子事件。
• 该仪器表现出稳健性能，在能量高于~150 MeV/n条件下，对从硼到硅的宇宙射线实现了可靠的核素识别。
• 在南大西洋异常区（SAA），捕获质子主导了LET谱，导致硅中剂量达到271 ± 15 μGy/天。
• 在高纬度区域（L>2），地磁截断能量较低，由于高Z银河系宇宙射线通量增强，剂量当量达到840 ± 50 μSv/天。
• SAA区域测得的LET在1 keV/μm处出现峰值，主要来自质子，同时高LET核碎片也有显著贡献。
• 其余低纬度区域（L<2，非SAA区域）的剂量当量为250 ± 20 μSv/天，显著低于SAA和高纬度区域。