Что такое AMS и где он обитает?

В закладки

15 ноября 2019 состоится первый из серии выходов в открытый космос, целью которых будет ремонт установки AMS (Alpha Magnetic Spectrometer, Магнитный альфа-спектрометр). О том, для чего нужна эта установка, как она работает и почему её нужно ремонтировать, читайте в этой статье.

AMS-02 после установки на МКС.
Credit: Ron Garan, STS-134 Crew, Expedition 28 Crew, NASA

Эксперимент AMS-02 — это современный детектор элементарных частиц, который сконструирован, испытан и эксплуатируется международной группой, в которую входят учёные и специалисты из 56 институтов из 16 стран, организованной при поддержке Министерства энергетики США (DOE). Главным исследователем проекта выступает нобелевский лауреат Сэмюэль Тинг.

Проект начался в 1994 году, когда профессор Сэмюэль Тинг разработал новый эксперимент по физике высоких энергий. Концепция Международной космической станции была анонсирована в 1993 году, и Тинг со своими коллегами увидели возможность для революционного эксперимента в космосе. Эта группа физиков-ядерщиков под названием The Antimatter Study Group опубликовала концепцию «Спектрометр антиматерии в космосе». В 1995 году Министерство энергетики США согласилось финансировать эксперимент доктора Сэмюэла Тинга по регистрации частиц антиматерии и «скрытой массы» во Вселенной, а НАСА согласились разместить его в космосе.

Из чего это сделано

Сердцем AMS является постоянный магнит, который представляет собой цилиндр длиной 0,8 метра и внутренним диаметром 1,1 метра, состоящий из 64 секторов собранных из более чем 6000 блоков размером 2x2x1 дюйм из NdFeB-магнитов (Неодим-Железо-Бор, неодимовый магнитный сплав) и склеен эпоксидной смолой. Этот магнит обеспечивает AMS магнитным полем, в 3000 раз более сильным, чем земное. Однако это магнитное поле не ощущается за пределами AMS – в противном случае оно могло бы изменить ориентацию космической станции или нарушить работу аппаратуры.

Магнит AMS

Магнитное поле используется, чтобы направить заряженные космические частицы через детекторы установки:

  • Детектор переходного излучения – позволяет ученым отличать протоны и позитроны в поисках антиматерии. Когда электрон проходит через этот детектор, он испускает рентгеновское излучение, а протон нет. С другой стороны, позитроны – аналог антиматерии электронов – также будут излучать рентгеновские лучи. Позитроны имеют такую ​​же массу, как и электроны, но имеют положительный заряд, как протоны.
  • Детектор времени полета – два детектора расположены сверху и снизу магнита. Когда один из них активируется частицей, попадающей в магнит, он запускает другие детекторы; когда частица выходит с противоположной стороны, остальные детекторы останавливаются. Также измеряется время и направление пролета частиц через AMS, что важно для идентификации частиц.
  • Кремниевые трекеры – предоставляют данные о кривизне траектории, по  которой частица проходит через AMS. В установке расположено девять плоскостей слежения — одна сверху, одна снизу и семь внутри магнита.
  • Кольцевой Черенковский детектор – одной из отличительных характеристик частицы является ее масса, однако в AMS нет прибора, который может измерить массу частицы. Вместо этого масса определяется косвенно, используя формулу, которая требует кривизны траектории частицы, ее заряда и скорости. Кольцевой Черенковский детектор обеспечивает скоростную часть уравнения.
  • Электромагнитный калориметр – определяет энергии частиц, проходящих через AMS. Это свинцовый блок размером 3 на 3 на 0,75 фута, через который проходят тысячи волоконно-оптических линий. В зависимости от энергии частицы, когда она проходит через свинец, она может распасться и произвести электромагнитный или адронный поток. Формы этих двух пучков очень разные, и из этой формы ученые могут выбрать один позитрон из 100 000 протонов или один антипротон из 100 электронов.

Также AMS содержит вспомогательные системы, которые помогают улучшить работу установки:

  • Система выравнивания трекера – проверяет точность измерения nкремниевых трекеров. Система выравнивания трекера контролирует положениеn самих кремниевых трекеров, используя 20 (10 направленных вверх и 10 nвниз) лазерных лучей, которые имитируют следы частиц. Он способен nобнаруживать изменения в положениях трекера до пяти микрометров и nвносить коррективы в производимые измерения.
  • Счетчики антисовпадений – исключает получение неполной nинформации. Хотя космические частицы будут проходить через AMS во всех nнаправлениях, только те, которые входят сверху и выходят снизу, nобязательно пройдут через все детекторы. Таким образом, вместо того, nчтобы собирать неполную информацию и рисковать исказить данные, счетчикиn антисовпадений действуют как детектор времени полета, но наоборот- он nсообщает другим детекторам, не отслеживать эти частицы.
  • Чтобы сопоставить результаты наблюдений AMS с данными других научных приборов в космосе, важно знать, где находится AMS. Для отслеживания своего местоположения и направления AMS имеет два звездных трекера (направленных в разные стороны, так что, когда один направлен на солнце и, следовательно, ослеплен, другой все еще может предоставлять информацию), и GPS-приемник.

Всего было изготовлено 10 магнитов: 7 образцов для отработки конструкции, чтобы магнит не имел крутящего момента или утечки поля, и мог быть изготовлен без железа и три полноразмерных магнита для космических испытаний, испытания на разрушение и полетный образец.

История исследований

Первый опытный образец (AMS-01) было решено опробовать в ходе миссии STS-91 на челноке Discovery по программе «Мир–Шаттл». В течении 10-дневной миссии, со 2 по 12 июня 1998 года, AMS-01 собрал около 80 миллионов событий, которые были проанализированы после возвращения на землю. Это был первый большой магнитный спектрометр, когда-либо работавший в космосе. Результаты анализа этих данных были опубликованы в ряде цитируемых работ, в том числе в Physics Report.

AMS-01 в грузовом отсеке челнока Discovery миссии STS-91 перед стыковкой со станцией «Мир»

Для создания сильного однородного магнитного поля (~ 0,8 Тесла) на большом объеме (~ 1 м³) в магните AMS-01 применялся криогенный сверхтекучий гелий (температура 1,8°K или −271,35°C).

Этот же магнит был использован для AMS-02, но уже без охлаждения жидким гелием. В 2010 году было проведено детальное трехмерное измерение магнитного поля. Поле было измерено в 120 000 мест с точностью до 1%. Сравнение с аналогичным измерением, выполненным с тем же магнитом в 1997 году, перед инженерным полетом AMS-01, показывает, что изменения магнитного поля не превышают 1%, что ограничено точностью измерения 1997 года.

Запуск второй версии (AMS-02) был произведён 16 мая 2011 года в рамках миссии STS-134. На четвёртый день полёта, 19 мая, началась выгрузка и установка AMS на сегмент S3 правой верви ферменной конструкции станции. Астронавты выполнили задание своей миссии — доставили и установили прибор стоимостью два миллиарда долларов, весящий около семи с половиной тонн (15 251 фунтов). С этого момента магнитный альфа-спектрометр начал круглосуточно вести регистрацию космических лучей.

Предназначенный для трехлетней миссии изучения частиц космических лучей, AMS регистрирует количество частиц, которые проходят через все его детекторы (более 140 миллиардов частиц на сегодняшний день), тип частиц и их характеристики, такие как масса, скорость, заряд и направление движения. Цель работы установки состоит в том, чтобы помочь ученым проследить источники появления этих частиц, понять темную материю и происхождение вселенной.

Первые результаты работы магнитного альфа-спектрометра были обнародованы в начале апреля 2013 года. Лидер проекта Сэмюэль Тинг на семинаре ЦЕРН сообщил, что им удалось засечь увеличение доли позитронов в космических лучах с ростом их энергии. Это стало независимым подтверждением результатов, полученных ранее экспериментом PAMELA и телескопом «Ферми». Возможным объяснением этого эффекта может быть излучение пульсаров или аннигиляция гипотетических частиц тёмной материи, вимпов.

За более чем восемь лет на станции установка AMS-02 значительно пережила ожидаемый трехлетний срок службы. AMS начал демонстрировать признаки старения в 2014 году. Он имеет четыре охлаждающих насоса, предназначенных для поддержания температуры кремниевого трекера, одного из нескольких детекторов в AMS. При температурах, которые колеблются на сотни градусов при вращении вокруг Земли, для поддержки трекера требуется функционирующая система терморегуляции, а данные трекера, в сочетании с данными других приборов, необходимы для продолжения исследований AMS.

Схема трекера AMS и системы юстировки с 20 ИК-лазерами для внутренних трекеров

Хотя для работы системы терморегуляции требуется только один из этих насосов, несколько насосов уже вышли из строя. В марте 2014 года один из охлаждающих насосов перестал работать, а другой, как оказалось, имел неисправности. В марте 2017 года исследователи переключились на последний полностью функциональный насос, чтобы продолжать исследования. Команда AMS поняла, что им необходимо принять меры, чтобы научный инструмент продолжал работать.

Мы начали работать над планированием выхода в открытый космос, чтобы продлить жизнь AMS и на это ушло 4 года.

Брайан Мэдер, руководитель программы NASA по выходам в открытый космос

Ремонт того, что никогда не предназначалось для ремонта

AMS должен был прожить свою трехлетнюю жизнь в космосе без технического обслуживания. Выполнив свою задачу его должны были демонтировать. Так как AMS никогда не планировалось обслуживать, на нем не установлено никаких подушек для ног или поручней, чтобы помочь астронавтам перемещаться по нему для доступа к системе охлаждения во время выхода в открытый космос. Он также был разработан без учета типичных инструментов, использующихся во время выхода в открытый космос, поскольку в нём более 300 000 каналов данных, он считался слишком сложным для ремонта.

В дополнение к общей сложности прибора, космонавты во время выхода в открытый космос никогда ранее не отрезали и не переподключали жидкостные линии, подобные тем, которые являются частью системы терморегуляции. В течение последних четырех лет ученые и инженеры со всего мира решали эти проблемы, чтобы подготовиться к предстоящим выходам в открытый космос. Теперь их процедуры, инструменты и обучение должны быть проверены.

Планируется обойти старую систему терморегуляции, установить новую рядом с AMS и подключить ее к существующей системе.

Это звучит просто, если вы находитесь на земле и у вас есть много разных инструментов, которые вам нужны, но это не так, когда речь идет о выходе в открытый космос.

Тара Йохим, менеджер проекта по ремонту AMS

Работы по подготовке к выходу в космос включали создание, тестирование и отправку более 20 новых инструментов для космической станции. Многие из них специализируются на конкретных этапах работ, таких как снятие защитного экрана AMS или работа на линиях охлаждения. Сюда также входят сантехнические инструменты для врезки в линии охлаждения, новые насадки для отверток и устройства для фиксации крепежа, который астронавты снимают с AMS.

Эти инструменты прошли годы итераций и испытаний на Земле учеными, инженерами и астронавтами. Потребовалась значительная изобретательность, чтобы разработать идеальные инструменты для очень специфических потребностей. Повторное проектирование, создание прототипа, эксперименты и проверки были необходимы для создания всех инструментов, которые теперь готовы к использованию. Астронавт ЕКА (Европейское космическое агентство) Лука Пармитано и астронавт НАСА Дрю Морган проведут все ремонтные работы на AMS. Они провели много тренировок в бассейне Гидролаборатории симуляции невесомости (NBL) в космическом центре имени Джонсона в НАСА в Хьюстоне, штат Техас.

Члены экипажа МКС 60-й экспедиции Лука Пармитано и Эндрю Морган проводят испытания оборудования в NBL
Credits: NASA

Несколько других членов отряда космонавтов также помогли провести другие испытания инструментов, которые будут использоваться на выходах в открытый космос. Астронавт НАСА Крис Кэссиди и астронавт Канадского космического агентства Джереми Хансен оказали помощь в разработке инструмента, выполнив испытания как в NBL, так и в системе гравитационной разгрузки с активным откликом (ARGOS), которая имитирует среду с пониженной гравитацией.

В течении следующих нескольких месяцев будет проведена серия сложных выходов в открытый космос. Запуск космического корабля Northrop Grumman Cygnus (NG-12) 2 ноября обеспечил последние поставки, необходимые для выхода в открытый космос. Эти материалы включают в себя последние инструменты, необходимые для выполнения ремонта.

Этот ремонт станет, возможно, самой сложной работой выполненной человеком в открытом космосе. Остается только пожелать удачи в этом нелегком деле астронавтам и их коллегам на земле.

Дополнено 15.11.2019

Астронавты добираются до места проведения работ на манипуляторе CANADARM-2

Командир 61-й экспедиции МКС Лука Пармитано из Европейского космического агентства (ESA) и бортинженер НАСА Эндрю Морган завершили первый выход в открытый космос. Выход длился 6 часов 39 минут. Астронавты успешно доставили и разместили материалы для ремонта возле AMS, сняли защитную крышку и установили поручни для будущих выходов в открытый космос. Защитную крышку и несколько других ненужных частей Эндрю Морган выбросил.

Использованы материалы:

  • NASA — Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США
  • ams02.space — Официальный сайт эксперимента The Alpha Magnetic Spectrometer
  • ESA — Европейское космическое агентство
  • wikipedia.org

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

22
Войдите, чтобы читать и оставлять комментарии и не видеть рекламу.
Показать скрытые комментарии

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам:

[X]
Если не получается зайти отсюда, попробуйте по ссылке.