Экспериментальное исследование частиц, вызывающих явление "световых вспышек" в глазах космонавтов, с помощью позиционно-чувствительных полупроводниковых стриповых детекторов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

Основные результаты диссертационной работы.

1. Обзор результатов исследований «световых вспышек», полученных до реализации программы «Силай» показывает отсутствие однозначного понимания природы явления. Нет ясности и о частицах космического излучения, которые могут вызывать фосфены в космическом полете. Из обзора следует, что решение проблемы СВ требует создания специальной аппаратуры, позволяющей регистрировать частицы, попадающие в зрительные органы и вызывающие вспышки в космическом полете.

2.- Разработан физический принцип определения заряда, массы, энергии и направления движения проходящих через многослойный детектор заряженных частиц (ДЗЧ), который основан на анализе зависимости полных ионизационных потерь в приборе Es от разности ионизационных потерь в крайних детекторах Ed.

- Разработана физическая и электрическая схемы прибора.

- Проведен расчет основных характеристик ДЗЧ: энергетический диапазон регистрируемых частиц, зарядовое разрешение, пространственное разрешение, эффективная площадь прибора.

- Изготовлены два варианта аппаратуры («Силай-1» и «Силай-2»), летные модели которых работали на борту космической станции «Мир».

3.- Проведена калибровка ДЗЧ на пучках протонов с кинетическими энергиями 48 и 70 МэВ, на пучках ядер Не4, С12, N14, О16 с кинетической энергией около 45 МэВ/нуклон (CELSIUM TSL, UPPSALE, Svedberg Laboratory, Sweden )и ядрах углерода С12 с кинетической энергией около 300 МэВ/нуклон (GSI, Darmstadt, Germany), с целью определения характеристик ДЗЧ, проверки методики определения заряда,

112 массы, энергии, угла падения и направления движения частиц, проходящих через прибор.

- Получены калибровочные преобразования для перехода от амплитуд сигналов в детекторах к реальным ионизационным потерям.

4.- На борту орбитальной космической станции проведен активный эксперимент по исследованию космических частиц, ответственных за возникновение «световых вспышек» в глазах космонавтов с применением разработанной аппаратуры на основе полупроводниковых стриповых детекторов, специальной маски, обеспечивающей темновую адаптацию и контроль работы космонавтов.

- Эксперимент проводился на борту орбитальной станции «Мир» в два этапа («Силай-1» и «Силай-2») с октября 1995 г. по июль 2000г. с 20 основной экспедиции (ЭО) по ЭО-28. Проведен 141 сеанс измерений, из них с регистрацией СВ - 30, в которых приняло участие 14 космонавтов. Общий объем информации полученной и доставленной на Землю превышает 750 МБ.

- Для обработки информации разработано программное обеспечение.

5.- В результате проведения эксперимента «Силай» показано, что наиболее вероятной причиной возникновения «световых вспышек» являются ядра с высокой ионизирующей способностью (ЛПЭ > 10 кэВ/мкм).

- Стриповые полупроводниковые детекторы аппаратуры «Силай» могут быть использованы для оценки радиационной обстановки. Сравнение результатов по определению поглощенной, эквивалентной доз и коэффициента качества не противоречат результатам других исследований. Отметим, что данные, полученные в эксперименте «Силай», позволяют определять эти величины с глубиной в веществе.

- Аппаратура «Силай» позволяет проводить измерения солнечных космических лучей, что демонстрируется регистрацией вспышки 14.11.98.

113

6. Методика, разработанная и апробированная в эксперименте «Силай», будет использована в предстоящих медико-биологических экспериментах по исследованию природы «световых вспышек» и влияния их на психофизиологическое состояние космонавтов во время полетов в космосе. При этом для более объективного подтверждения факта световых вспышек будет использован электроэнцефалографический метод регистрации вызванных потенциалов головного мозга, а для увеличения угла обзора прибора вокруг шлема-маски будет установлено несколько сборок с детекторами типа телескопа «Силай» (эксперимент «АЛТЕА» на борту международной космической станции).

Благодарности.

Автор выражает признательность своему научному руководителю профессору Аркадию Моисеевичу Гальперу за общее руководство работой в целом, заведующему кафедрой «Микро- и космофизики» профессору Сергееву Феликсу Михайловичу, сотрудникам кафедры Озерову Юрию Владимировичу (посмертно), Попову Александру Вадимовичу, Короткову Михаилу Геннадьевичу, Ходаровичу Андрею Михайловичу, Вавилову Никите Робертовичу за помощь в проведении расчетов и наземной отработки приборов, а также Колдашеву Сергею Валентиновичу за ценные замечания при обсуждении результатов работы, космонавту Европейского Космического Агенства Кри-стеру Фуглессангу за активную поддержку осуществления эксперимента в космическом полете и помощь в анализе полученных результатов, сотрудникам Ракетно-космической корпорации «Энергия» Александрову Александру Павловичу и Шабель-никову Владимиру Григорьевичу за внимание к проведению эксперимента на борту космического комплекса «Мир», сотрудникам Института медико-биологических проблем Петрову Вячеславу Михайловичу, Труханову Кириллу Александровичу, Акатову Юрию Александровичу, Архангельскому Вадиму Витальевичу за полезные дискуссии

114 о предмете исследования, сотрудникам Университета «Тор Вергата» г. Рима П-Ж. Пи-коцца, А. Морселли, Ж-Л. Фурано, Э. Реали за изготовление детекторной части прибо ров, а также космонавтам Юрию Гидзенко, Томасу Райтеру, Юрию Онуфриенко, Юрию Усачеву, Валерию Корзун, Александру Калери, Анатолию Соловьеву, Павлу Виноградову, Талгату Мусабаеву, Николаю Бударину, Геннадию Падалке, Виктору Афанасьеву, Юрию Батурину, Сергею Залетину за внимание к выполнению эксперимента на борту космического комплекса «Мир».

115

1. Tobias С.А., «Radiation hazards in high altitude aviation», J. Aviat. Med., V.23, pp.345-372,1952.

2. Cambell B. Novick R., «The effect of betarays on central nervous tissue», Proc. Soc. Exper. Biol, and Med., V.74, p.34, 1949.

3. D'Arcy F.J., Porter N.A., «Detection of cosmic ray mesons by the human eye», Nature, V.196, pp.1013-1014, 1962.

4. Fremlin J.H., «Cosmic ray flashes», New Scientist, N708, p.42,1970.

5. Tobias C.A., Budinger T.F., Lyman J.T., «Radiation-induced light flashes observed by fast neutron, X-ray and positive pion beams», Nature, V.230, N5296, pp.596-597, 1971.

6. Tobias C.A., Budinger T.F., Lyman J.T., «Biological effects due to single accelerated heavy particles and the problems of nervous system exposure in space», In: Life Sci. and Space Res., XI, Akademie-Verlag, Berlin, pp.233-245,1973.

7. McNulty P.J., «Light flashes produced in the human eye by extremely relativistic muons»,r

8. Nature, V.234, N5324, p. 110,1971.

9. McNulty P.J., Pease V.P., Bond V.P., «Visual sensations induced by Cherenkov radiation», Science, V.189, N4201, pp.453-454,1975.

10. McNulty P.J., Pease V.P., Bond V.P., «Visual sensations induced by relativistic pions»,r

11. Rad. Res., V.66, pp.519-530,1976.

12. Budinger T.F., Bichsel H., Tobias C.A., «Visual phenomena noted by human subjects on exposure to neutron of energies less than 25 MeV», Science, V.172, N3985, pp.868-870, 1971.

13. И. Граменицкий П.В., Фетисов И.Н., «Визуальное детектирование протонов с различным выходом излучения Вавилова-Черенкова», сб. Черенковские детекторы и их применение в науке и технике, М., Наука, с.397-401, 1990.116

14. McNulty P.J., Pease V.P., Bond V.P., «Visual phenomena induced by relativistic carbon ions with and without Cherenkov radiation», Science, V.201, N4353, pp.341-343, 1978.

15. Charman W.N., Dennis J.A., Fazio G.G., Jelley J.V., «Visual sensations produced by single fast particles», Nature, V.230, N5295, pp.522-524,1971.

16. Charman W.N., Roulands C.M., «Visual sensation produced by cosmic ray muons», Nature, V.232, N5312, pp.574-575, 1971.

17. Ародзеро A.A., Граменицкий П.В., Фетисов И.Н., «Зрительные ощущения, вызванные одиночными электронами и мюонами», ДАН СССР, Т.270, N3, с.725-727, 1983.

18. Pinsky L.S., Osborne W.F., Bailey J.V., Benson R.E., Thomson L.F., «Light flash observed by astronauts on Apollo 11 through Apollo 17», Science, V.183, N4128, pp.957-959, 1974.

19. Osborne W.F., Pinsky L.S., Bailey J.V., «Apollo flash investigation», Biomedical results of Apollo, NASA SP-368, Chapter 2, pp.355-365,1975.

20. McNulty P.J., Pease V.P., Bond V.P., «Role of Cherenkov radiation in the eye-flashes observed by Apollo astronauts», Proc. COSPAR, Varna, pp.205-217, 1976.

21. Смиренный JI.H., «Космонавты наблюдают световые вспышки», Наука и жизнь, №9, с.87-89,1973.

22. Pinsky L.S., Osborne W.F., Hoffman R.A., Bailey J.V., «Light flashes observed by astronauts on Skylab 4», Science, V.188, N4191, pp.928-930, 1975.

23. Hoffman R.A., Pinsky L.S., Osborne W.F., Bailey J.V., «Visual light flash observations on Skylab 4», Biomedical results from Skylab, NASA SP-377, Chapter 14, pp. 127-130, 1977.117

24. Rothwell P.L., Filz R.C., McNulty P.J., «Light flashes observed on Skylab 4: the role of nuclear stars», Science, V.193, N4257, pp. 1002-1003, 1976.

25. Budinger T.F., Tobias C.A., Huesman R.H., Upham F.T., Wieskamp T.F., Hoffman R.A., «Apollo-Soyuz light-flash observations», Life Sci. Space Res., V.15, pp.141-146, 1977.

26. McAulay I.R., «Cosmic ray flashes in the eye», Nature, V.232, N5310, pp.421-422, 1971.

27. Труханов K.A., Бриндикова T.A., Зак П.П., Лебедев В.М., Спасский А.В., Федорович И.Б., академик М.А. Островский, Доклады РАН, 2001 (в печати).

28. McNulty P.J., «Single-event effects experienced by astronauts and microelectronic circuit flown in Space», IEEE Trans. Nucl. Sci., V.43, N2, pp.475-482, 1996.

29. Труханов K.A., «Возможные механизмы появления некоторых зрительных образов при наблюдении вспышек в глазах, обусловленных прохождением заряженных частиц», сб. тезисов XI Конф. по косм. биол. и авиакосм, мед., М., 22-26 июня 1998, Т.П., с.263-265.

30. Труханов К.А., «О некоторых возможных механизмах появления фосфенов при воздействии тяжелых ионов на ретину», Доклады МОИП, 1999, депонировано в ВИНИТИ 29.6.2000, № 1844-В-00.

31. Bidoli, V., ., Avdeev, S., et al., «Experimental beam test of the SilEye2 apparatus», Nucl. Instr. Meth., A399,p.477,1997.

32. Furano, G., ., Avdeev, S., et al., «Measurements of Nuclear Mass Distribution of Primary and Recoil Heavy Ions inside Mir Space Station with SilEye Silicon Detector», Proc. 26th ICRC, Salt Lake City, OG 4.2.13, V.5, p.128,1999.

33. Galper, A.M., ., Avdeev, S. V., et al., «Sileye on MIR first active detector for study of light flashes in space», Proc. 6th European Symp. On Life Sciences Research in Space, Trondheim, Norway, 1996,p. 159.

34. Morselli, A., ., Avdeev, S., «On behalf of the SilEye collaboration», Proc. 25th ICRC, Durban, South Africa, 1997, OG 10.2.8, vol. 5 ,p. 45.118

35. R.Brun, F.Carminati, GEANT Detector Discription and Simulation Tool, CERN Program Library Long Writeup, 1994, Geneva, Switzerland.

36. Отчет no 2 этапу 1998 года темы 95-3-007-562. (ИН-ОТ98.2.562-093098) «Расчет физических характеристик телескопа частиц аппаратуры «Силай-2», 1998, МИФИ, Москва.

37. Вавилов Н.Р. Дипломная работа «Калибровка аппаратуры и обработка данных в эксперименте «Силай-2», Московский государственный инженерно-физический институт (технический университет), Москва, 1999.

38. V.N. Nguyen et.al. «Real Time Quality Factor and Dose Equivalent Meter «CIRCE» and Its Use On-Board the Soviet Orbital Station «MIR», Proc. Inter. Acad. Astron. 8th Symp. Tashkent, USSR, 1989.

39. V.D. Nguyen, C. Luccioni, N. Parmentier, «Average Quality Factor and Dose Equivalent Meter based on Microdosimetry Technique» Radiation Protection Dosimetry, V.10, N1-4, pp.227-282,1985.

40. V.V. Benghin et.al., «Space radiation quality factor investigations with «NAUSICAA»-device onbourd the «MIR» space station», Adv. Space Res., Vol.18, No 12, pp. 167-170, 1996.

41. Badhwar G.D. et.al., Nucl. Tracks Radiat. Meas., 20 (1), (1992), p.13.

42. Badhwar G.D. et.al., Nucl. Tracks Radiat. Meas., 20 (3), (1992), p. 447.

43. Badhwar G. D. et.al., «In-flight radiation measurements on STS-60», Radiat. Meas., Vol. 26, No. 1, pp. 17-34,1996.119

44. Badhwar G.D. et.al., «Intercomparison of radiation measurements on STS-63», Radiat.Meas., Vol.26, No.6, pp. 901-916,1997.

45. R.Beaujeant, J.Kopp and G.Reitz, «Active dosimetry on recent space flights», Radiation Protection Dosimetry, Vol.85, N.l-4, pp.223-226, 1999.

46. T. Sakaguchi et.al., «LET distribution measurements with a new real-time radiation monitoring device-Ill onbourd the Space Shuttle STS-84», Nuclear Instruments and methods in physics research, A 437, (1999), pp.75-87.

47. Casolino, M.,., Avdeev, S. et al., «Light Flash observation in space: Experiment ELFO», И Nuovo Cimento, 19 D, N.10, (1997).

48. Picozza, P., ., Avdeev. S. et al., «Cosmic ray studies on the MIR space station», Proc. Of the 24th ICRC, OG 10.2.8, vol. 5, (1997).

49. Bidoli, V., ., Avdeev, S., et al., «Study of cosmic rays and light flashes on bord space station MIR: The Siffiye experiment», Adv. Space Res., 10,2075, (2000).

50. Casolino, M., ., Avdeev, S., et al., «The nervous system: space flight environmental factor effects present results and new perspectives», Proceedings of COSPAR, 33 - rd COSPAR scientific assembly, Warsaw, 16-23 July, 2000, session F1.3 - F2.3.

51. C.Caso, et. al., «Review of Particle Physics», The European Physical Journal, C3, (1998).

52. Гальпер A.M.,., Авдеев C.B. и др., «Результаты исследования возникновения световых вспышек в глазах космонавтов на станции «Мир», сборник научных трудов, научная сессия МИФИ-2000, том 7, Астрофизика и космофизика, стр.53-54.

53. Авдеев С.В.,., Ходарович A.M. и др., «Исследование характеристик частиц, вызывающих офтальмологические явления в космическом полете», сборник научных трудов, научная сессия МИФИ-2001, том 7, Астрофизика и космофизика, стр.53-54.

54. Гальпер A.M.,., Авдеев С.В. и др., «Разделение ядер космического излучения и определение их энергий в эксперимент «Силай», сборник научных трудов, научная сессия МИФИ-98, часть 2, Астрономия и исследование космического пространства, стр.22-23.