Vysoce miniaturizovaný a citlivý detektor tepelných neutronů určený pro použití ve vesmíru
Nový detektor tepelných neutronů
Trvání projektu: 2010 až 2011
Vedoucí projektu: Zdeněk Vykydal
Detektory z rodiny Medipix se ukázaly být vynikajícím nástrojem pro měření a charakterizaci komplexních radiačních polí, včetně pole rychlých a tepelných neutronu. Detektory neutronu jsou přitom důležitým nástrojem při hledání materiálu s vysokým obsahem vodíku, zejména vody, v planetárním dálkovém průzkumu. Přítomnost vody je přitom klíčová při hledání mimozemského života. Kromě toho, citlivá neutronová měření v kombinaci s měřením rentgenového a gama záření slouží ke zpřesnění atomové analýzy složení hornin, který je možné použít ke studiu povrchové geologie a evolučního vývoje planet.
Detektory Medipix, díky svému vysokému prostorovému rozlišení (256 x 256 pixelů o velikosti 55 µm x 55 µm), dovolují přímé zobrazení ionizačních procesu v materiálu senzoru (což je v našem případě křemík o tloušťce 300 µm). Různé druhy ionizujícího záření vykazují rozdílné charakteristické stopy, což je nejenom při detekci neutronu možné využít pro účinné potlačení signálu vzhledem k pozadí. Protože křemík je sám o sobě necitlivý na termální neutrony, byl použit 6Li ve formě 6LiF ke konverzi tepelných neutronu na nabité částice v reakci 6Li + n -> α + 3H. Účinnost detekce tepelných neutron je vyšší než 1%.
Pro použití detektoru Medipix ve vesmírných podmínkách bylo v rámci tohoto projektu vyvinuto kompaktní zařízení s nízkým příkonem na bázi FPGA hradlového pole, které komunikuje pomocí SpaceWire rozhraní. Rozměry celého zařízení včetně detektoru Medipix jsou 160 x 75 x 15 mm, jeho celková hmotnost je 70 g a příkon zařízení je 1,4 W během měření a 0,75 W s vypnutým detektorem. Rychlost vyčítání je sedmkrát za sekundu s jedním detektorem Medipix, což je pro cílové aplikace dostatečné. Celé zařízení se navíc vyznačuje kompaktními rozměry, nízkou hmotností a malým příkonem v porovnání s plynovými proporcionálními detektory, které se v kosmických aplikacích standardně pro detekci tepelných neutronu používají.
Projekt byl podpořen grantem ESA č. 22907/09/NL/CBi.
Ústav technické a experimentální fyziky
ÚTEF je výzkumným centrem Českého vysokého učení technického v Praze (ČVUT) pro oblasti základního a aplikovaného výzkumu ve fyzice mikrosvěta. Výzkum se zaměřuje na vývoj pokročilé instrumentace a nové metodiky včetně inovativních aplikací např. v medicíně či kosmonautice. Ústav má dnes přes 80 zaměstnanců, z nichž pětinu tvoří cizinci. Zároveň jsou podstatnou částí týmu odborných pracovníků Ph.D. studenti a mladí vědci. Pracoviště je vybaveno moderními experimentálními přístroji, jako jsou pokročilé rentgenové mikro-radiografické a tomografické zobrazující stanice vlastní výroby. Součástí vybavení je rovněž Van de Graaffův urychlovač, který slouží i jako laditelný zdroj mono-energetických rychlých neutronů pro kosmický výzkum. Dále byly v ústavu sestaveny kompaktní zdroje gama záření určené pro kalibraci družicových přístrojů včetně přenosné stanice pro měření v laboratořích ESA.
Co vám účast v projektu přinesla?
„Projekt Vysoce miniaturizovaný a citlivý detektor tepelných neutronu určený pro použití ve vesmíru spadá do dlouhodobé strategie výzkumu v ÚTEF CVUT v oblasti vývoje metodologie a instrumentace pro charakterizaci komplexních radiačních polí (včetně polí rychlých a termálních neutronu). ÚTEF CVUT má v této oblasti dlouhodobé zkušenosti, což bylo demonstrováno na projektu ATLAS-MPX, detektorové sítě postavené a provozované uvnitř experimentu ATLAS v CERN. Spolupráce s ESA otevírá možnost praktického využití tohoto výzkumu ve vesmíru."