光る塩の結晶がアルテミス I の宇宙放射線を記録
アルテミス I ミッションで宇宙船オリオンに搭載された2体の人型マネキンの全身に数百個の放射線センサーが埋め込まれていた。これらのダミーは人間の骨と軟組織を模倣して設計されており、マトロシカ・アストロラッド放射線実験（Matroshka AstroRad Radiation Experiment）の一部として機能していた。
ポーランド科学アカデミー原子核物理研究所（IFJ PAN）のパウェウ・ビルスキ が率いる研究チームが、この実験結果に関する論文を学術誌『Radiation Measurements』に発表した。注目すべきは、研究チームがフッ化リチウムからなる新型の長期受動放射線検出器を開発・検証したことである。
深宇宙の放射線を測定する課題
地球の磁場を離れた宇宙飛行士が直面する宇宙放射線は、光速近くで飛行する水素陽子から鉛イオンに至るまで、非常に広い範囲の原子核を含んでいる。科学者たちはこうした粒子の危険性を線エネルギー伝達（linear energy transfer）という指標で測定する。これは帯電粒子が物質に与えるエネルギー量を示すもので、大型の重い粒子ほど短い距離で莫大なエネルギーを放出し、生物に重大な損傷をもたらす。
従来、深宇宙における重イオンの追跡には、ポリアリルジグリコールカーボネート（CR-39）などのポリマーからなるプラスチック核検出器が使用されてきた。これらの透明な検出器は宇宙線が通過する際に物理的な裂け目を生じさせ、地球に帰還後、研究者たちは数時間にわたって熱い苛性ソーダに浸す化学処理を加え、裂け目をエッチングして円錐形や凹みを可視化させ、顕微鏡で測定していた。しかしこの方法は検出器を破壊し、有害廃棄物を発生させ、専門的な労力を要するという課題があった。
フッ化リチウム結晶による新しい測定手法
ビルスキーらは、ミリメートル単位の大きさのフッ化リチウム結晶を用いた蛍光核飛跡検出器に着目した。粒子がこの結晶構造に衝突すると、電子が放出され、結晶格子構造が変形する。最も重要な点は、この過程で「色中心」と呼ばれる永続的な光学的欠陥が生成されることである。後に顕微鏡下でレーザーを結晶に照射すると、粒子が通った軌跡に沿って色中心が青色に発光する。
深宇宙では放射線があらゆる角度から到来するため、特定の光線がどの方向から来たかを区別することは難しい。研究チームは、マイクロメートル単位で分離された複数の顕微鏡画像を重ね合わせ、結晶全体を通じた軌跡を追跡する数学的枠組みを構築した。マネキン「ゾハル」に並べて設置した従来型プラスチック検出器との比較では、中程度のエネルギー伝達範囲では良好な一致が得られた。
ただし高エネルギー伝達域では新型センサーが従来型より約30パーセント多く放射線量を過大評価する現象が生じた。研究チームはこの不一致がフッ化リチウム結晶の核物理学に起因すると考えている。高エネルギーの二次中性子が結晶内のリチウム原子核と衝突した際、リチウム原子が格子構造から外れることで、放射線の軌跡と区別困難な独立した発光軌跡が生成されうるという。
この問題に対処するため、研究チームは二次反応を抑制するためリチウム-7を用いた試験結晶を使用した。天然リチウム検出器のデータは二次反応が理由で除外された。リチウム-7はノックオン衝突を完全には止められないが、それを軽減させることができる。
較正上の課題は残るものの、本論文は宇宙搭載用の受動線量測定技術における大きな前進を示しており、長期宇宙ミッションの重要性が高まる中で、この技術開発はますます意義を持つようになると考えられる。
出典: Universe Today
