Способ проведения космического эксперимента по оценке радиационно-защитных свойств материалов в условиях длительного орбитального полёта

Изобретение относится к области радиационных экспериментальных исследований в условиях космоса. Способ включает изготовление из исследуемого материала цилиндрического контейнера с толщиной стенки, равной пробегу протонов с энергией 50 МэВ в данном материале. Внутри и снаружи контейнера размещают накопительные дозиметры с детекторами ионизирующего излучения. Контейнер с дозиметрами размещают внутри космического аппарата и экспонируют заданное время в условиях орбитального полета, а затем в герметичном транспортном контейнере возвращают на Землю. Производят вскрытие транспортного и экспериментального контейнеров и извлечение дозиметров для снятия накопленных данных. Проводят лабораторные испытания исследуемого материала по определению изменений его свойств. По полученной информации судят о радиационно-защитных свойствах материала. Технический результат состоит в исключении влияния фонового ионизирующего излучения при определении степени ослабления космического ионизирующего излучения материалом определенной толщины. 1 ил.

 

Изобретение относится к области проведения космического эксперимента, заключающегося в испытании материалов, находящихся внутри космического аппарата, после длительного орбитального полета с целью создания дополнительной защиты космонавтов от ионизирующего излучения в космосе.

Длительный полет космического аппарата сопровождается значительным повышением накопленной дозы ионизирующего излучения, которая губительна для членов экипажа. На высоте полета Международной космической станции (МКС) существуют серьезные проблемы радиационной безопасности. Во-первых, в районе Южной Атлантики существует так называемая Бразильская, или Южно-Атлантическая, магнитная аномалия. Здесь магнитное поле Земли как бы провисает, а с ним ближе к поверхности оказывается нижний радиационный пояс. Во-вторых, космонавту в космосе угрожает галактическое излучение - несущийся со всех направлений и с огромной скоростью поток заряженных частиц, порожденных взрывами сверхновых или деятельностью пульсаров, квазаров и других аномальных звездных тел.

За год полета на МКС космонавт получает дозу, примерно в 10 раз превышающую (200 мЗв/год) пределы доз работника атомной промышленности. За средний «выход» длительностью ~5 часов при невозмущенных условиях космонавт дополнительно получает 0,3-0,5 мЗв, что близко к среднесуточной дозе внутри станции [Самойлов А.С., Ушаков И.Б., Шуршаков В.А. Радиационное воздействие в орбитальных и межпланетных космических полетах: мониторинг и защита // Экология человека. 2019. №1. С.4-9].

Известен способ экспериментальных дозиметрических исследований с использованием фантомов, моделирующих тело человека на МКС [Космический эксперимент "Матрешка-Р": https://www.energia.ru/ru/iss/researches/medic/33.html].

Способ заключается в экспериментальных исследованиях в космосе распределения дозы ионизирующего излучения в теле космонавта с помощью, так называемых фантомов, имитирующих по своему составу тело человека (антропоморфный фантом). Послойная конструкция фантомов, изготовленных из тканеэквивалентного вещества, предусматривает размещение на разной глубине (как бы в разных «органах» человека) большого числа пассивных детекторов. На каждый из фантомов надевается чехол («пончо») с карманами, в которых находятся детекторы для регистрации поверхностной дозы радиации (т.е. дозы на кожу и хрусталик глаза). Периодически комплекты сборок с пассивными детекторами (около 500 шт. для шарового, около 1000 шт. для антропоморфного фантомов) извлекают и возвращают на Землю для считывания данных измерений дозы и последующего анализа. При этом фантомы на орбите начиняются новыми детекторами для следующей экспозиции в течение нескольких месяцев [https://tsniimash.ru/science/scientific-experiments-onboard-the-is-rs/cnts/experiments/matreshka_r/: A. Hallil, M. Brown, Yu. Akatov, V. Arkhangelsky, I. Chernykh, V. Mitrikas, V. Petrov, V. Shurshakov, L. Tomi, I. Kartsev, and V. Lyagushin. MOSFET dosimetry mission inside the ISS as part of the Matroshka-R experiment. Radiation Protection Dosimetry. 2010. Vol. 138, No 4, pp. 295-309; Петров B.M., Шуршаков В.А. Радиационно-физические исследования на МКС в период 2001 - 2008 годов: эксперимент «Матрешка-Р». В кн.: Медико-биологические исследования на Российском сегменте МКС. 2011. Т. 2. С. 389-426].

Недостатком известного способа является то, что при данном эксперименте изучается только динамика накопления дозы ионизирующего излучения в теле космонавта, и не исследуются радиационно-защитные свойства материалов, из которых сделан фантом.

Наиболее близким к предлагаемому решению, принятым за прототип, является способ оценки стойкости материалов космической техники к воздействию факторов космического пространства [Патент RU 2642009, опубликовано 10.11.2017 Бюл. №31], заключающийся в том, что образцы испытуемых материалов размещают на поверхности космического аппарата, экспонируют их в течение заданного срока, помещают в контейнер, который, в свою очередь, укладывают в герметизируемый в условиях космоса транспортный контейнер и возвращают их на Землю, где указанные контейнеры помещают в вакуумную камеру с контролируемой инертной средой и производят их раскрытие с извлечением образцов, затем каждый из образцов размещают в отдельном герметичном пенале, с последующим проведением в лабораторных условиях испытаний образцов по определению изменений их свойств, по которым судят о стойкости материалов, отличающийся тем, что перед размещением образцов в отдельных герметичных пеналах проводят измерение параметров окружающей среды и создают в вакуумной камере давление инертной среды, удовлетворяющее условию: р_ис>р_ос, где р_ис - давление инертной среды, р_ос - давление окружающей среды.

С существенными признаками изобретения совпадает следующая совокупность признаков прототипа: образец испытуемого материала экспонируют в течение заданного срока, помещают в герметизируемый в условиях космоса транспортный контейнер и возвращают его на Землю, где производят его раскрытие с извлечением образцов, с последующим проведением в лабораторных условиях испытаний образцов по определению изменений его свойств, по которым судят о радиационной стойкости материалов.

Недостатком известного прототипа являются невозможность определения ослабления космического излучения материалом определенной толщины в условиях длительного орбитального полета.

Изобретение направлено на разработку способа проведения космического эксперимента по оценке радиационно-защитных свойств материалов, в частности определения степени ослабления ионизирующего излучения космического пространства материалом определенной толщины в условиях длительного орбитального полета, а также исключения влияния фонового значения поглощенной дозы ионизирующего излучения во время космического эксперимента.

Это достигается тем, что из испытуемого материала изготавливают цилиндрический контейнер с толщиной стенки, равной полному пробегу протонов с энергией 50 МэВ в испытуемом материале по расчетным данным, внутри и снаружи цилиндрического контейнера размещают накопительные дозиметры с детекторами ионизирующего излучения, цилиндрический контейнер с дозиметрами размещают внутри космического аппарата, экспонируют их в условиях длительного орбитального полета в течение заданного срока. По истечении заданного срока экспонирования цилиндрический контейнер с дозиметрами помещают в герметизируемый в условиях космоса транспортный контейнер, возвращают его на Землю, где производят раскрытие транспортного контейнера и цилиндрического контейнера с дозиметрами с извлечением дозиметров для снятия значений накопленной информации, а также проведением в лабораторных условиях испытаний материала, из которого изготовлен цилиндрический контейнер, по определению изменений свойств материала, по которым судят о радиационной стойкости материала, а также рассчитывают степень ослабления космического излучения материалом заданной толщины.

Использование конструкции в виде цилиндрического контейнера обусловлено необходимостью исключения влияния фонового значения поглощенной дозы ионизирующего излучения в условиях длительного орбитального полета дозиметром, расположенным внутри самого контейнера.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый способ проведения космического эксперимента по оценке радиационно-защитных свойств материала в условиях длительного орбитального полета отличается тем, что из испытуемого материала изготавливают цилиндрический контейнер с толщиной стенки, равной полному пробегу протонов с энергией 50 МэВ в испытуемом материале по расчетным данным, внутри и снаружи контейнера размещают накопительные дозиметры с детекторами ионизирующего излучения, цилиндрический контейнер с дозиметрами размещают внутри космического аппарата, с последующим извлечением дозиметров для снятия значений накопленной информации и проведения расчетов степени ослабления космического излучения материалом заданной толщины.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствуют критерию изобретения «новизна».

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими известными техническими решениями в данной области техники не подтвердило наличие у последних признаков, совпадающих с их отличительными признаками, или признаков, влияющих на достижение указанного технического результата. Это позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию «изобретательский уровень».

Рассмотрим способ проведения космического эксперимента по оценке радиационно-защитных свойств материалов в условиях орбитального полета на примере материала из полимерного композита, описанного в [Патент RU 2515493, опубликовано 10.05.2014 Бюл. №13]:

Из полимерного композита изготавливают цилиндрический контейнер. Схематическая модель конструкции контейнера представлена на Фиг. 1. Размеры контейнера определяются размерами используемых накопительных дозиметров с детекторами ионизирующего излучения. Крышка и дно контейнера предполагают резьбовое соединение с корпусом. Толщина стенки: 10 мм.

Выбор заданной толщины стенки цилиндрического контейнера (10 мм) обусловлен расчетными данными, согласно которым полный пробег протонов с энергией 50 МэВ в полимерном композите с составом, описанным в [Патент RU 2515493, опубликовано 10.05.2014 Бюл. №13] составляет меньше 10 мм. Таким образом, при использовании цилиндрического контейнера толщиной в 10 мм будет происходить поглощение большего количества излучения от протонов космического спектра.

Для регистрации накопленной поглощенной дозы ионизирующего излучения внутри контейнера 2 устанавливается накопительный дозиметр с детекторами ионизирующего излучения 3. Такой же дозиметр 3 устанавливается снаружи контейнера для регистрации фонового значения поглощенной дозы ионизирующего излучения. Фиксация дозиметра в контейнере предполагается за счет застежки-липучки Велькро 4.

Устанавливаемый снаружи дозиметр 3 помещается в чехол из номекса и крепится к наружней нижней или боковой части корпуса контейнера 2, для чего снаружи на дно или боковую стенку контейнера 2 проклеивается часть застежки-липучки Велькро 4.

Контейнер 3 с дозиметрами 2 помещается в чехол из номекса с застежками-липучками Велькро 4 для возможности его крепления к стенке кабины космонавта.

Цилиндрический контейнер находится в условиях орбитального полета в течение 6 месяцев. После нахождения контейнера в условиях орбитального полета его помещают в вакуумный пакет, герметизируемый в условиях космоса и возвращают на Землю. На Земле производят раскрытие вакуумного пакета с извлечением контейнера и накопительных дозиметров.

Информацию, полученную накопительными дозиметрами 3, используют для расчета поглощенной контейнером дозы ионизирующего излучения во время орбитального полета и коэффициента ослабления излучения, а также исследуют изменение его микроструктуры, физико-механических и диэлектрических свойств по сравнению с первоначальными с помощью современных физико-химических методов исследования, включающих РФА, рентгеноструктурный метод, рентгенофлуоресцентный анализ, ДТА, УФ-, ИК-, γ-спектроскопию, ультразвуковую дефектоскопию, ЭПР, ЯМР, зондовый микроанализ, растровую электронную микроскопию, сканирующую зондовую атомно-силовую микроскопию и ряд других инструментальных методов анализа.

Благодаря описанному способу, возможно проведение космического эксперимента с оценкой радиационно-защитных свойств материалов и возможностью определения ослабления космического излучения материалом заданной толщины в условиях длительного орбитального полета за счет использования предлагаемой конструкции контейнера и расположения детекторов.

Способ проведения космического эксперимента по оценке радиационно-защитных свойств материалов в условиях длительного орбитального полета, включающий экспонирование образца испытуемого материала в течение заданного срока, помещение его в транспортный контейнер и возвращение на Землю для его раскрытия с извлечением образцов с последующим проведением в лабораторных условиях испытаний образца по определению изменений его свойств, по которым судят о радиационной стойкости материалов, отличающийся тем, что из испытуемого материала изготавливают цилиндрический контейнер с толщиной стенки, равной полному пробегу протонов с энергией 50 МэВ в испытуемом материале по расчетным данным, внутри и снаружи цилиндрического контейнера размещают накопительные дозиметры с детекторами ионизирующего излучения, цилиндрический контейнер с дозиметрами размещают внутри космического аппарата с последующим извлечением дозиметров для снятия значений накопленной информации и проведения расчетов степени ослабления космического излучения материалом заданной толщины.