Artemis I Lunar任务期间的太空辐射测量

　　DLR M-42电池供电的辐射检测器使用1.22-CM2-AREA和300 µm厚的硅光电二极管，用于测量空间辐射环境。该仪器测量了使用210个能量箱的检测器中的能量沉积光谱（分布在每十年75个垃圾箱的等距对数箱中）。因此，检测器的能量沉积范围（在SI中）范围从0.06到20 MEV。最高通道用作溢流通道。上阈值上方的所有能量沉积均表示为该通道。对于NASA Artemis I任务，使用其中16个M-42探测器来测量母马phantoms（Helga和Zohar）表面上的辐射负荷，或直接位于最放射敏感的器官（肺，胃，胃，子宫，脊柱）上。M-42由两台主电池供电，用于该任务，并在两个非挥发性闪光记忆（主要和次要）中每300 s存储科学和管家（电压，温度）数据。在这项研究中，应用了来自七种M-42仪器的数据，将SN126和SN127安装在表面（皮肤）上（皮肤），SN144-SN148放置在左右肺，胃，子宫，子宫和脊柱中。为了说明在Orion中安装后的时间和NASA Artemis I启动之前，系统配备了加速度计的传感器。电池安装时，系统处于睡眠模式。在NASA ARTEMIS I任务推出后，该工具被唤醒了，然后开始了科学数据获取。因此，NASA Artemis I任务的M-42数据包括能量沉积光谱（在SI中）和源自光谱的吸收剂量。 　　NASA CAD电池供电的辐射探测器使用直接离子存储（DIS）技术将累积剂量存储在水中（H2O）。系统设置以相关时间间隔（180至300 s）和/或在任务期间达到一定的剂量阈值时进行数据进行。对于NASA ARTEMIS I任务，总共使用了其中18个探测器来测量母马女性辐射幻像（Helga和Zohar）表面（皮肤）的剂量。在这项研究中，应用了两个CAD系统，即安装在辐射幻影HELGA的表面（皮肤）上的CAD 0082和CAD 0089。来自CAD检测器的数据包括时间分辨的吸收剂量率。 　　在扩展数据中给出了M-42和CAD仪器在MARE辐射幻影HELGA上和内部的相关位置和安装。 　　ESA EED电池驱动的辐射仪器包括四个辐射探测器：两个0.3-CM2-AREA硅（Si）探测器，厚度为300 µm和7 µm，一个DIS探测器和一个辐射感应场效应晶体管（RADFET）。在这项研究中，重点是来自厚硅二极管的组合的数据。对于300 µm厚的二极管，相关的能量沉积范围为0.055-16.496 MEV，对于7 µm-thin二极管的二极管为0.194–27.613 MEV。能量沉积在两个二极管中都存储在32个等距对数箱中。为了确定Si吸收剂量，将两个二极管数据集组合在一起以说明重叠的能量沉积状态，从而将26个通道与厚二极管的31个通道结合使用。这也使我们能够确定将厚度和薄二极管组合为H2O中的较厚和薄二极管的LET光谱从0.09到1,470 keV µm -1。对于NASA Artemis I任务，其中五个单元安装在猎户座航天器内。每个单元配备了两个主电池。任务期间每300秒存储相关的科学和家政数据。在这项研究中，应用了两个EAD的数据，将EAD MU01安装在Orion的墙壁上，并安装在Orion的暴风雨庇护所中的EAD MU04。为了说明在猎户座和发射前安装后的时间，该系统配备了加速度计传感器（如M-42）。电池安装时，系统处于睡眠模式。在NASA ARTEMIS I任务推出后，该工具被唤醒了，然后开始了科学数据获取。扩展数据图。2和3提供了Orion胶囊内部的单元的位置。 　　NASA HERA检测器是猎户座航天器的飞行辐射探测器。它由三个独立的传感器（HERA处理单元（HPU）和两个HERA传感器单元（HSU1和HSU2）组成）。每个HERA传感器都包含一个TimePix混合像素检测器42,43。TimePix检测器由256×256个像素为55μm，总面积为1.4×1.4 cm（约2 cm2）。混合像素探测器的显着特征是，每个单独的像素都包含一个完整的电子脉冲处理链，包括前置放大器，变形器，阈值判别器和模数转换器拟合到上覆盖的半导体像素的足迹。像素矩阵的效果是，遍历粒子在传感器中创建特征“轨道”或“簇”，可以对其进行处理以揭示有关交叉粒子的信息44。这些数量包括轨道几何形状，例如极/螺距角，轨道长度和沉积能量。反过来，也可以计算每颗颗粒停止功率DE/DX。每个TimePix在较大的能量范围内进行校准，从最小可检测到的5击X射线到500 keV µm-1的重离子，以确保衡量GCR环境的性能45,46,47。对于高剂量速率质子事件，例如太阳粒子事件或辐射带交叉，每个传感器在美国伊利诺伊州内珀维尔的芝加哥质子中心以10 µmin-1至10 mgy min-1的剂量速率进行接受测试。HERA系统被整合到猎户座航天器中。HERA报告了处理的工程，科学，显示和谨慎，并警告遥测车辆，该工具将其发送到任务控制。它还将原始数据保存到板载8-GB存储驱动器上，以进行后Mission分析。完整的HERA系统重约1.5公斤，消耗8 W的功率。赫拉（Hera 当它被关闭时。在整个任务中，赫拉（Hera）在休斯顿的车辆和任务控制中派出了遥测的遥控器。HERA还将高分辨率的原始框架数据保存在其板载存储中以进行后期分析。HERA数据由每分钟的剂量组成，让光谱以及详细的像素数据和“集群/轨道”数据组成。扩展数据图4提供了HERA仪器的图片。 　　来自Artemis I中传感器围绕的屏蔽分布是根据Artemis I Orion船员胶囊的可用高保真CAD模型确定的（扩展数据图6）。将一万个均匀分布的射线施放在每个传感器位置，并且将每个射线相交的材料的厚度，密度和类型都列为列表。基于密度将材料细分为铝样和聚乙烯样材料，每个射线都被分配为铝和聚乙烯面积密度（G cm-2的单位）。我们注意到这些模型在NASA Artemis I太空飞行期间的一般可靠性，因为“机组人员”在任务过程中没有移动，并且没有将质量移入或移出储物柜。该分析仅针对NASA HERA仪器进行，该乐器在很大程度上支撑着机组人员的辐射环境。 　　Oltaris是一种在线工具，网址为https://oltaris.nasa.gov（参考文献31）。它提供了一个方便的界面，用于运行对空间辐射环境的HZETRN模拟研究及其与屏蔽的相互作用。主文本中描述的Oltaris模拟使用了单个球形壳，其检测器屏蔽深度是猎户座屏蔽分布的近似值。Badhwar-O’Neill 2020（BON2020）33 GCR通量模型用于创建主要的能量谱。使用ICRP60质量因子和NASA质量因子，将Oltaris设置为在组织中输出剂量，并在组织中剂量等效。使用的几何形状设置为“球”，以使用最新的3DHzetrn28,29传输代码进行计算。1DHZETRN29用于通过猎户座车辆的详细屏蔽模型来运输输入BON2020 GCR环境。在Hzetrn中，通过通过铝和聚乙烯平板层的不同厚度将颗粒在1D中传输颗粒来生成两层查找表。将粒子通量与深度表乘以材料停止功率表，以使硅生成剂量与深度查找表。每个传感器的点剂量是通过插值查找表和计算每个射线的面积密度的剂量，然后取出每个射线粒子通量的总和加权其实体角度加权的总和。本文使用的GEANT432模拟使用了从15 cm直径球形壳产生的余弦辐射来产生各向同性空间辐射。输入粒子光谱是从Artemis I任务上运行的BON2020模型生成的，并且通过使用Geant4一般粒子源在Geant4中生成。这些光谱通过11厘米直径的球体铝壳运输， 其中密度在不同的运行中变化，以说明HERA仪器周围屏蔽的不同厚度。假定所得的let和颗粒光谱是上述运行的线性组合（也就是说，对于具有10％5 g cm-2和90％10 g cm-2的假设屏蔽分布，将结果加权10-g模拟的90％，而5 g仿真的10％）。Livermore模型用于模拟电磁物理学和HADRONIC PHACTORICS的含含义模型。物理切割设置为2μm。将TimePix传感器建模为简单的硅平板，并在传感器数字化的传感器中产生的能量沉积。为了模拟TimePix的每个颗粒跟踪样式测量值，该轨道长度是根据蒙特卡洛模拟中的单个能量沉积事件计算得出的，DE/DX以每粒子为基础。为了确保从低LET颗粒的TimePix中有合理数量的命中，执行了5μm的步长。TimePix传感器的尺寸为14 mm×14 mm×500μm，因此这些极限被认为比几何形状小得多，因此合理。根据主要文本计算水和质量因子的剂量（即，扁平的1.24转化因子）。Geant4代码可应要求提供，以及用于输入粒子光谱的宏和仿真结果的组合。与扩展数据中的测量数据相比，提供了模拟的结果图7。 　　我们估计剂量测量中的系统误差为所有检测器的10％。国际空间站上的各种辐射探测器的先前比较通常显示在5-10％以内的一致性。对于HERA探测器，尤其是在质子设施的仪器接受测试期间，我们要求我们的飞行仪器与剂量测量相一致，该剂量测量是从独立校准的离子室与国家标准和技术研究所（NIST）可追溯至10％以内的国家标准和技术研究所（NIST）的能源范围内的水范围100-200 mev中的剂量。10％是保守的估计，这种不确定性捕获了不同仪器校准技术的许多变化。但是，作者指出，在详细的比较中，硅探测器（M-42，EAD和TimePix）通常以比10％更高的精度相互同意。 　　硅对水（SI/H2O）转换因子是一些讨论空间测量的主题。我们对这些结果使用1.24的系数，与以前在空间站和鸟检测器上用于REM检测器的结果相同，与DLR/CAU Dostel仪器相似。以下参考。8，我们将这种转换的不确定性设置为5％。剂量率系统误差是通过将正交中的10％和5％误差结合在一起的，估计为11.1％。整个任务中所有检测器的剂量率测量值的统计误差非常小。 　　质量因子的误差是通过Monte Carlo Boottagping发现的。在这里，基于尝试实际量化我们测量中的错误的尝试重新采样。假定三种错误。第一个是与系统误差相对应的那些，它们的重量与蒙特卡洛的单个运行相同。第二个是在直方图中计数（泊松语）错误，第三个是按每次打/粒子施加的误差，即，与Lier> 50 keVμm-1的粒子相一致，颗粒的颗粒的命中能量分辨率为10％，而粒子的颗粒对于高度让劳动的损失损失了，粒子的颗粒为30％，而粒子的颗粒的能量分辨率为30％。通过将剂量速率和质量因子分数误差组合在一起，可以发现剂量当量率的分数误差。以上信息在扩展数据表3中总结了。