LiF荧光核径迹探测器在MARE实验中用于月球轨道宇宙辐射测量的应用

《Radiation Measurements》：Application of LiF fluorescent nuclear track detectors for measurements of cosmic radiation at the lunar orbit within the MARE experiment

　　

研究人员将LiF（氟化锂）荧光核径迹探测器（FNTD）用于月球轨道宇宙辐射测量，该工作依托NASA Artemis I任务框架下的Matroshka AstroRad辐射实验（MARE）。研究人员重建了复杂宇宙辐射场的线性能量转移（LET）注量谱，评估了吸收剂量与品质因子。LiF FNTD基于带电粒子在晶体中产生的色心光致发光原理，可记录致密电离粒子径迹；为消除6Li(n,α)反应干扰，采用7Li富集晶体。以塑料核径迹探测器（PNTD）为参考，建立荧光径迹最大强度与LET关系并引入入射角修正，从各向同性宇宙辐射中提取LET。结果显示FNTD与PNTD在LETH2O<100 keV/μm区间剂量与品质因子吻合较好（剂量差百分之几，品质因子差≤15%），高LET端FNTD偏高，可能与Li反冲核有关。研究证明LiF FNTD具备在深空任务中被动剂量学潜力。

研究背景方面，空间宇宙辐射主要由致密电离粒子构成，长期依赖化学蚀刻塑料核径迹探测器（PNTD）结合热释光探测器（TLD）进行被动剂量学，PNTD可给出LET注量谱并计算品质因子Q，但荧光核径迹探测器（FNTD）此前虽能反映LET信息，却从未被用于重建宇宙辐射LET谱。近年来基于LiF晶体的FNTD被开发出来，可用于α谱学、质子束表征与中子剂量学，但在各向同性宇宙场中的系统分析方法尚缺。2022年IFJ PAN团队参与Artemis I任务下MARE实验，在Orion飞船搭载的两具拟人女性体模Helga与Zohar（Zohar穿AstroRad防护背心）上布放被动探测器包，借此机会研究人员将新开发的LiF FNTD置入该复杂辐射场以填补方法学空白。论文发表于《Radiation Measurements》。

关键技术方法上，研究人员使用Czochralski法生长天然Li与⁷Li富集LiF单晶，切磨抛光后近熔点退火；以Nikon Eclipse Ni宽场显微镜100×物镜采集20层、层距1 μm的影像堆栈，用ImageJ/Fiji及自研BackgroundRemover插件去背景，取径迹最大强度/采集时间与入射角β为参数；通过地面不同角度离子束辐照建立最大强度–LET_LiF标定曲线（公式4），并用经验公式（公式1、2）修正各向同性入射的角依赖效应，数值求解每根径迹LET；以PADC（TASTRAK）PNTD经NaOH 70℃蚀刻12 h作参考，按V=V_T/V_B法给出来LET_H2O>10 keV/μm谱；样本直接来自MARE任务中Zohar体模背心内外位置的探测器。

研究结果部分，材料与方法小节已述晶体制备、显微观测、径迹几何（最大强度投影MIP重建线状径迹，低LET呈点状）、PNTD参考方法与Artemis I/MARE任务布局。第三部分Extracting LET data from fluorescent tracks（从荧光径迹提取LET数据）中，研究人员指出垂直入射径迹因离焦光贡献强度偏高，角效应随LET增大而增强，据此用R=I_⊥/I_‖经验式与归一化角修正函数将垂直束标定数据折算为平行束标定，再对每根宇宙径迹解算LET_LiF并换算LET_H2O。Track images of cosmic radiation（宇宙辐射径迹图像）小节显示⁷LiF中可见重离子长径迹、核反应多分支径迹及大量低LET点迹，^natLiF中⁶Li(n,α)产生的α与氚径迹易与宇宙离子混淆，故定量谱仅用⁷LiF。LET spectra measured at MARE phantoms（MARE体模处LET谱）下，线性径迹直方图在低端因点状结构漏计而跌落，研究人员按无临界角公式将选定层（2–6层）径迹数转为微分LET注量谱，与PNTD相比形状相似但统计涨落大（FNTD约150条对PNTD近2000条），<20 keV/μm低估、>100 keV/μm高估，后者或源于高能中子打Li核反冲成微径迹；依ICRP 60算得Zohar体模处水吸收剂量D、品质因子Q与剂量当量H，当限定LET_H2O<100 keV/μm时FNTD与PNTD的D差百分之几、Q差≤15%。Point tracks（点状径迹）小节尝试用ImageJ分析点迹强度分布，借任意乘因子1.6折算最大强度比对PNTD谱，仅作潜力和方法指示，非定标结论。

讨论与结论翻译：研究人员开发了利用荧光径迹参数重建复杂宇宙辐射场LET注量谱的方法，并用于MARE实验月球轨道曝光数据；尽管计数统计低，FNTD与经典蚀刻探测器谱形满意吻合。LET_H2O>100 keV/μm端谱偏高导致品质因子高估约15%、剂量高估至多30%，可能由Li反冲核造成；限定LET_H2O<100 keV/μm时剂量一致在百分之几内、品质因子在15%内。未来工作包括建立点状低LET径迹分析法以拓宽能区、研制自动扫描系统、细化离子束标定。该研究证实LiF FNTD可作为深空被动剂量学候选工具。