Űrkutatási célú fejlesztés az MTA Atomkiban
(Rovat: Hazai kutatóhelyek és űripar - 2013.11.15 07:15.)

Cikkünk a Magyar Tudományos Akadémia debreceni Atommagkutató Intézetében (MTA Atomki) folyó űrkutatási vonatkozású fejlesztéseket mutatja be.

Az MTA Atomki is részt vesz abban a programban, melyet 2010-ben hirdetett meg a Nemzeti Kutatási és Technológiai Hivatal a magyar űrkutatás fejlesztésének támogatása céljából. Az MTA Atomki projektje 2013 májusában kezdődött. A hat hónapig tartó projekthez a Nemzeti Fejlesztési Ügynökség a Kutatási és Technológiai Innovációs Alapból (KTIA) adott támogatást. Az URKUT_10-1-2011-0005 pályázat keretében az MTA Atomki az űrkutatási célú sugárkárosodási vizsgálatokhoz kapcsolódó alapkutatásokat végez, és jelentős mértékben korszerűsíti a besugárzásos alkalmazások radiometriai hátterét is.

Cikkünk célja annak a bemutatása, hogy a projekt miért fontos az MTA Atomki és az űrkutatásban és űripari fejlesztésekben érdekelt partnerei számára.

A fejlesztés előzményei

Az MTA Atomkiban több évtizede folynak olyan kutatások, melyek során az ionizáló és nem ionizáló részecskék hatásainak kitett élettelen és élő rendszerekben végbemenő változásokat tanulmányozzák. A elemirészecske- és atomfizika, a dozimetria, az anyagtudomány, a sugárbiológia, az orvosi biológia és agrobiológia módszereivel folyó vizsgálatok során számos olyan alapkutatási eredmény született és olyan kompetenciák is kifejlődtek az MTA Atomkiban, amelyek a hazai űrkutatási programok és az űripar számára is hasznosíthatóak.

Az intézet kutatói több űrkutatási vonatkozású programban is közreműködtek már. Az 1980-as évek végéig döntően Interkozmosz programok keretében folytak a kutatások és jelentős eredmények születtek a nukleáris nyomdetektorok fejlesztése terén, valamint űrdozimetriai és űrorvostani témákban. Az 1980-as évek második felétől végzett sugárbiológiai és orvosi biológiai célú sugárkárosodási kutatásoknak űrorvostani vonatkozásai is voltak.

Az 1990-es évek elejétől napjainkig a hangsúly az elektronikai és fotonikai eszközök, valamint új fejlesztésű vékonyréteg szerkezetek (pl. műholdak burkolására szolgáló multi-fóliák, CVD gyémánt alapú szerkezetek) sugárkárosodásának vizsgálatára tevődött át. Az MTA Atomki kutatói és fejlesztői által elért eredmények az Európai Űrügynökség (ESA) svéd partnereinek néhány programjában (ld. alább) hasznosultak.

A 2000-es években az MTA Atomki az Európai Unió keretprogramjai során kapcsolódott be több olyan kutatási programba is, melyek CVD gyémánt alapú foton- és részecskedetektorok fejlesztését, továbbá az alkalmazási lehetőségeik kutatását tűzték ki célul. Szilárdtestfizikai okok miatt a gyémánt alapú detektorok sugárzástűrése kiemelkedően jó és ezért nagy intenzitású sugárzási terekben is használhatók, ráadásul dozimetriai szempontból bio-kompatibilisek. A detektorpixelekből on-line kiolvasható mátrix is összeállítható, ami lehetővé teszi nagy térbeli felbontású dozimetriai térképek gyakori automatikus kiolvasását a fedélzeten (űrállomás, Hold-bázis, stb.) végzett hosszú idejű sugárbiológiai vizsgálatok során is. Mindezek miatt a CVD gyémánt alapú detektormátrixok űrkutatási alkalmazásai perspektivikusak.

Az űrkutatási célú sugárkárosodási vizsgálatok fontossága

A sugárkárosodási vizsgálatok azért fontosak az űrkutatás és az űripar számára, mert a világűr sugárzási környezetében az űreszközök fedélzetén üzemelő rendszerek és az űrhajósok ionizáló és közvetlenül nem ionizáló részecskék sugárhatásainak is ki vannak téve.

A komplex fedélzeti sugárzási környezet létrehozásáért a Naprendszeren kívüli és a Naprendszeren belüli forrásokból származó nagyenergiájú részecskék és atommagok egyaránt felelősek. A nagy energiával rendelkező részecskék részecskezáporokat válthatnak ki és atomkilökődési kaszkádokat kelthetnek az űreszköz falában és minden más fedélzeti közegben, amin áthaladnak. A közegek sugárkárosodásához a közegekkel kölcsönható részecskék által kiváltott maradandó elektromágneses hatások (gerjesztések, ionizáció) és az atomkilökődések vezethetnek.

A küldetést úgy kell megtervezni és végrehajtani, hogy e hatások mellett is el lehessen érni a kívánt eredményeket. A fejlesztési fázisban egyaránt jelentős szerepe van a számítógépes szimulációknak, modellkísérleteknek és teszteknek.

Számos műhold és űrszonda kering már hosszú ideje az űrben, néhány eszköz eljutott a Naprendszer távoli régióiba, egyesek pedig légkörrel nem rendelkező égitestjeinek felszínére szálltak le. A hosszú idejű űrutazások és az ember nélküli korábbi küldetések során szerzett tapasztalatokat természetesen hasznosítják az újabb missziók előkészítése során.

Az új fejlesztésű eszközök első teszteléseit rendszerint földi körülmények között kell elvégezni. A világűrben nem végezhető sugárkárosodási vizsgálatokhoz mesterséges sugárforrások szükségesek, hiszen a Föld magnetoszférája és légköre miatt a kozmikus sugárzásnak csak nagyon kis része jut el a Föld felszínéig. A kutatási célú atomreaktorok, magfúziós reaktorok, elemirészecske- és atommagfizikai kísérletek céljára megépített részecskegyorsítók, sugárterápiás célú gyorsítók, nagyaktivitású radioizotópokat tartalmazó sugárforrások, stb. sugárzási környezete külön-külön csak részben alkalmas a világűrben fennálló viszonyok modellezésére, ezért általában több sugárforrást is igénybe kell venni a vizsgálatokhoz.

A sugárkárosodási célú vizsgálatok lehetőségei az MTA Atomkiban

Az ionizációs folyamatokra visszavezethető sugárkárosodási hatások (angolul TID effects) az MTA Atomki ⁶⁰Co radioizotópos gamma-foton forrásánál tanulmányozhatók. A forrás 1173 keV-os és 1332 keV-os gamma-fotonokat bocsát ki.

Az atomkilökődésekből származó sugárkárosodási folyamatok (angolul atomic displacement effects) tanulmányozásához egy berillium céltárgyas széles spektrumú nagyintenzitású gyorsneutron forrás (ATOMKI HI-FNS) valamint egy besugárzó hely áll rendelkezésre az MTA Atomki Részecskegyorsító Centrum MGC-20E típusú ciklotronjánál. A berillium céltárgyat protonokkal bombázva p+Be neutronok, deuteronokkal bombázva pedig d+Be neutronok termelhetők. A berendezés ún. stratégiai kutatási infrastruktúra (SKI) a Nemzeti Kutatási Infrastruktúra Fejlesztési Útiterv (NEKIFUT) program Nemzeti Kutatási Infrastruktúra Regiszterében. A p+Be neutronok esetén a besugárzó berendezéssel előállítható kevert neutron-gamma mezők hasonlóak a világűr sugárzási környezetében üzemelő rendszerek fedélzetén mérhető sugárzási tér alacsony energiájú (E_n < 20 MeV) neutron- és gamma-komponenséhez.

A nagyintenzitású gyorsneutronokkal történő sugárkárosodási vizsgálatok céljára használt besugárzó berendezés az MTA Atomki Ciklotron Laboratóriumban. A berillium céltárgyas neutronforrás a nyalábcsatorna végén, a kép bal oldalán látható.

Közelségérzékelők, elektrolitikus dőlésmérők és optikai szálak sugárkárosodási tesztelése az MTA Atomki berillium céltárgyas nagyintenzitású gyorsneutron forrásánál a Ciklotron Laboratóriumban.

Az MTA Atomki további besugárzó helyekhez is hozzáfér (pl. nehézionokkal történő besugárzások céljára) nemzetközi együttműködések keretében. Az 1990-es évek elejétől az MTA Atomki az Európai Nukleáris Kutatási Szervezet (CERN, Genf, Svájc) több kutatási-fejlesztési projektjében is közreműködik, a CERN-ben elektromágneses és hadronzáporokkal végzendő tesztekre is van mód. Fontos megemlíteni, hogy a CERN-i Nagy Hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) detektorrendszereinek sugárzási környezete hasonló az űreszközök sugárzási környezetéhez. A repülőgépipar és az űripar ezért kapcsolatokat ápol a CERN több K+F projektjével is.

Az MTA Atomki több kutatómérnöke valójában éppen a CERN-i fejlesztések révén került kapcsolatba az Európai Űrügynökség (ESA) programjaiban közvetlenül vagy közvetett módon közreműködő külföldi szakemberekkel. Az MTA Atomki kutatói egyes űreszközökhöz (a svéd HUGIN és MUNIN ún. nanoműholdak, az ESA SMART-1 ionhajtóműves Hold-kutató szondája) készülő elektronikák fejlesztésében működtek közre, valamint elvégezték a szükséges sugárkárosodási vizsgálatokat is.

Egy multi-chip integrált áramkörről (ASIC) készült radiogram. Az ASIC besugárzása p(18 MeV)+Be gyorsneutronokkal történt az MTA Atomkiban. A nyíllal jelölt helyen alumínium vezetőcsíkok kötik össze a szomszédos chipeket. Az ²⁷Al(n,α)²⁴Na magreakcióból kilépő erősen ionizáló alfa-részecskék és ²⁴Na atommagok veszélyeztethetik a szomszédos chipek működését.

Műholdak külső burkolása céljára tervezett többrétegű anyag sugárkárosodása ⁶⁰Co gamma-fotonok hatására. Az MTA Atomkiban végzett tesztek alapján a rétegszerkezet alkalmatlannak bizonyult a feladata ellátására.

Az URKUT_10-1-2011-0005 projekt fő céljai

Az elmúlt négy-öt év évben végzett sugárkárosodási vizsgálatok során többször is felmerült, hogy

• lehetségessé vált és célszerű is a radiometriai mennyiségek (neutronspektrum, neutron- és gamma-dózisteljesítmények, az E_n = 1 MeV energiájú neutronok ekvivalens fluxusa) pontosságának növelése,
• szükséges egy mobil adatgyűjtő és naplózó rendszer kifejlesztése, amely az egyedi felhasználói igényeknek megfelelően könnyen konfigurálható,
• bizonyos esetekben szükséges lehet nagy gyakorisággal (pl. tíz másodpercenként) naplózni a besugárzási körülményeket.

Az igények teljesíthetősége érdekében alapkutatások és fejlesztések kezdődtek és folynak a hamarosan lezáruló URKUT_10-1-2011-0005 projekt keretében. A projekt eredményeiről egy másik cikkben számolunk be.

Fenyvesi András
(MTA Atomki, Debrecen)