Češi vyvinuli nové detektory pro studium kosmického počasí

V pátek 5. července 2019 bude na oběžnou dráhu kolem Země vysláno spolu s meteorologickou družicí Meteor 2-2 dalších čtyřicet malých družic. Jednou z nich je i družice Socrat-R, na jejíž instrumentaci se podílely také české akademické instituce a firmy.

Primárním zadáním mise je monitorování kosmického počasí a radiačního pole v okolí Země. K plnění tohoto úkolu bude využito unikátních monolitických pixelových detektorů vyvinutých na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT v Praze (FJFI), doplněných PIN-diodovým open source dozimetrem SPACEDOS, vyvinutým na Ústavu jaderné fyziky AV ČR, v. v. i. (ÚJF). Česká část aparatury satelitu byla zkonstruována v rámci konsorcia FJFI, esc Aerospace s.r.o. a ÚJF. Zhotovení ovládacího hardware a software a kompletace celého zařízení zajistila česká firma esc Aerospace za přispění FJFI a ÚJF.

Pixelové detektory nové generace byly vyvinuty v ČR na FJFI v rámci grantů TA ČR TJ01000200 a TH04010294 a grantu OPVVV CZ.02.1.01/0.0/0.0/16-019/0000778 – Centra pokročilých aplikovaných přírodních věd. Uvedené projekty představují spin-off projektu Centra kompetence TA ČR TE01020069. PIN-diodový dozimetr byl vyvinut na ÚJF v rámci projektu CRREAT (grant OPVVV CZ.02.1.01/0.0/0.0/15_003/0000481). Část aktivit ÚJF, které umožnily přípravu tohoto experimentu, byla podpořena i z programu Strategie AV21 VP16 Vesmír pro lidstvo.

Dozimetr SPACEDOS je produktem dlouhodobého vývoje skupiny vědců z oddělení dozimetrie záření ÚJF, zabývajících se dozimetrií ve směsných polích.  Předchůdcem tohoto zařízení je dozimetr AIRDOS, určený pro měření radiace na palubách dopravních letadel. Vědci z ÚJF se systematicky zabývají  měřením ozáření posádek letadel a posádek kosmických lodí již téměř dvě desetiletí. V současné době se ke stanovení dávek od ionizujícího záření u posádek letadel používají pouze výpočetní modely. Měření na palubách letadel pomocí dozimetrů pomáhají tyto modely ověřit a zpřesnit. Dozimetry jsou vyvíjeny v rámci projektu CRREAT, který studuje vysokoenergetické jevy v atmosféře Země. Díky dlouhodobým zkušenostem v oboru byl skupině českých vědců v loňském roce udělen patent číslo 307570 na charakterizaci částic ve směsném poli pomocí PIN diody. Vynálezci, jímž byl přiznán patent, jsou zaměstnanci ÚJF Pavel Krist, Martin Kákona a Václav Štěpán.

Duchovními otci dozimetrů AIRDOS a SPACEDOS jsou Martin Kákona, Pavel Krist a Ondřej Ploc. Na vývoji a kalibraci nových zařízení se ale podílí celý tým vědců projektu CRREAT, který je mezioborový a zahrnuje vědce z ÚJF, Ústavu fyziky atmosféry AV ČR a z ČVUT. Výrobou dozimetru SPACEDOS pro misi Socrat-R byla pověřena česká firma Universal Scientific Technologies, integraci dozimetru do družice provedla česká firma esc Aerospace.

“Zařízení SPACEDOS 01B, které má vynést nosná raketa Sojuz-2.1b Fregat, je prvním z řady dozimetrů, které připravujeme pro vesmírné mise. Cílem bylo vyvinout velmi lehké zařízení s velmi nízkou spotřebou, které se může díky těmto vlastnostem velice snadno integrovat do jakékoliv družice nebo letadla”, říká konstruktér dozimetru Martin Kákona.

Dozimetr SPACEDOS je poskládán z komerčních součástek a jeho úplná výrobní dokumentace je dostupná pod licencí GPL v. 3 na internetu. Vědci tak chtějí přispět k rychlému zavedení zjištěných poznatků do praxe. 

„Družice Socrat-R bude monitorovat kosmické počasí a radiační pole v okolí Země. To je velmi důležité hlavně v době, kdy by se měly zvýšit aktivity ve vesmíru a chystá se návrat člověka na Měsíc a cesta na Mars. K tomu účelu je družice vybavena dozimetrickým zařízením, které umožňuje detekovat částice kosmického záření a zjišťovat i případnou dávku, kterou by obdrželi kosmonauté“, říká RNDr. Vladimír Wagner, CSc., vědecký tajemník ÚJF.

Konstruktér dozimetru Martin Kákona vysvětluje, proč je použita jako detekční prvek právě PIN dioda: “Jednak je to dáno historicky, protože na ÚJF jsou dlouhodobě používány dozimetry na bázi PIN diody pro měření radiace ve směsných polích na palubách dopravních letadel, takže s nimi máme bohaté zkušenosti. Zároveň bylo snahou vytvořit open source design, který by byl snadno opakovatelný. Právě PIN diody lze poměrně snadno sehnat. Vyrábějí se komerčně a přitom je při jejich výrobě použit velmi čistý křemík. Mají i jiné vhodné vlastnosti, například lze pro předpětí použít velmi nízké napětí. Umožňuje nám to pak sledovat rozdílné rychlosti nosičů náboje. Zjednodušeně řečeno, snažíme se obelstít přírodu, abychom do vesmíru nemuseli posílat zařízení, které váží několik tun a přitom by nám poskytlo obdobné informace. Výzkum v této oblasti ale není stále dokončen, přestože lidé umí PIN diody spolehlivě vyrábět a používat už od šedesátých let minulého století.” 

Fotografie dozimetru SPACEDOS v plném rozlišení najdete zde.

Družice budou vyslány nosnou raketou Sojuz 2.1b/Fregat. Její vypuštění bude možné sledovat on-line v pátek 5. července 2019 v 7:41 hod. SEČ zde. 

(Na titulní fotografii: Detekční zařízení s ovládací elektronikou: modul protonového teleskopu na bázi čipu X-CHIP-03 a modul SpacePix. V horní části sestavy je umístěn PIN-diodový open source dozimetr SPACEDOS.)