Säteilyn mittausta maalla, merellä ja ilmassa
Ilmaisinlaboratoriolla on projekti yhdessä Ilmatieteen laitoksen ja Säteilyturvakeskuksen tutkijoiden kanssa, jonka tavoitteena oli kehittää mahdollisimman kevyt ja itsenäisesti toimiva mittausjärjestelmä. Alkuperäinen tarkoitus oli suunnitella laitteisto, joka voitaisiin kiinnittää säähavaintopalloon mittaamaan säteilyn spektriä eri korkeuksilla.
Työn tuloksena valmistettiin Balloon-borne Instrument for Spectral Scanning of high-altitude Environments (BISSE). Mittausjärjestelmä toimii käynnistyksen jälkeen täysin itsenäisesti. Säteilynilmaisimen lisäksi laitteistossa on anturit muun muassa ilmanpaineen ja magneettikentän muutoksien mittaamiseen. Lisäksi laitteisto mittaa myonitiheyttä laskemalla sen läpi kulkeneet korkeaenergiset hiukkaset. Merenpinnan tasalla tuo lukema on noin 1–2 myonia neliösenttimetriä kohden minuutissa.
Laitteiston säteilyanturina on kadmiumsinkkitelluridikide (cadmium zinc telluride, CZT). CZT on puolijohdemateriaali, jonka tiheys noin kaksinkertainen tavallisemmin käytettävään piihin verrattuna. Tämän vuoksi materiaalin vaikutusala on paljon suurempi ja sillä voidaan mitata myös korkeaenergisiä gammasäteitä. Lisäksi materiaalin kielletty energiavyö on noin 1.5 eV, minkä ansiosta se toimii puolijohteena myös huoneenlämmössä.
Puolijohteet tarvitsevat käyttöjännitteen, joka BISSEn tapauksessa on lähemmäs tuhat volttia. Tämä muodostuu ongelmaksi noin 40 kilometrin korkeudessa, jossa kaasunpaine on lähellä Paschenin rajaa. Tällöin laitteen jännite voi muodostaa valokaaren tai läpilyönnin ilmaisimen yli vaurioittaen sitä. Tutkimusteknikkomme Raimo suunnittelikin laitteelle tämän vuoksi paineistetun koteloinnin, joka pitää anturin normaalipaineessa koko lennon ajan. Kotelointia testattiin Ilmaisinlaboratoriossa alipaineastiassa.
Ylöspäin noustaessa myös lämpötilanvaihtelut ovat suuria. Tämän vuoksi laitteistoa testattiin useampaan otteeseen Ilmaisinlaboratorion sääkaapissa. Laitteisto altistettiin lämpötilasyklille, joka laski kaapin sisätilan lämpötilan kahdessa tunnissa -40 asteeseen, piti sen vakaana kaksi tuntia ja nosti lämpötilan takaisin huoneenlämpöön tunnissa. Tällä simuloitiin pallolennon vaikutuksia laitteistoon ja erityisesti akun kestoon.
Monikäyttöisyytensä ansiosta laitteisto voitiin kytkeä suoraan Ilmatieteen laitoksen drooniin ja testata anturien toimintaa eri korkeuksilla. Droonilennon ongelmana oli tällä kertaa pilvinen sää, joka rajoitti maksimilentokorkeuden 200 metriin. Tällä korkeudella ympäristön taustasäteily ei juurikaan poikkea maan pinnan tasosta, joten merkittäviä muutoksia spektrinvaihteluun ei havaittu.
BISSE on optimoitu säähavaintopallon kuljetettavaksi, jolloin tärkeimmät ominaisuudet ovat keveys ja lämpötila- ja painevaihtelun kesto. Tämän vuoksi jouduimme muokkaamaan laitteistoa meren pohjassa tehtäviä mittauksia varten. Lighweight Aranda-borne Gamma-ray and Environmental Radiation detector (LAGER) on muokattu versio edellisestä, jotta se mahtuu Ilmatieteen laitoksen merien mittauksessa käyttämään säiliöön. Laitteisto on suunniteltu upotettavan Itämereen, jolloin voidaan mitata säteilyä merenpohjasta. Tässä versiossa suunnittelun pohjana oli laitteiston fyysinen koko, koska kokonaispainolla ei ole suurta merkitystä.
Kuten BISSE-laitteisto, LAGER mittaa myös myoneja. Meren vaimennuksen ansiosta ympäristön taustasäteily vähenee huomattavasti, mutta suurienergisten kosmisten hiukkasten energia on riittävän suuri läpäisemään vesikerroksen. Tällöin taustan häiriövaikutus pienenee. Voidaksemme arvioida laitteistojen toimintaa eri ympäristöissä mittasimme kadmiumtelluridi-ilmaisimella säteilyn spektriä erilaisissa ympäristöissä. Vertailukohteiksi valittiin 1400 metriä korkean vuoren sisällä sijaitseva Gran Sasson laboratorio, taustamittaus Physicumissa, sekä mittaus 12 000 metrin korkeudella lentävässä lentokoneessa.
Ensimmäiset mittaukset BISSEllä ja LAGERilla on suunnitteilla huhtikuun 2025 aikana. LAGER otetaan mukaan merentutkimusalus Arandalle ja lasketaan mittaamaan Itämeren pohjan säteilyä. BISSE puolestaan saa ensilentonsa Sodankylässä mahdollisesti vielä tänä vuonna, mikäli kevään sää on suotuisa. Mittausten jälkeen laitteisto palautetaan Ilmaisinlaboratorioon, jossa analysoimme kerätyn datan ja arvioimme mittausten onnistumisen.
Laitteistosta voi lukea lisää tuoreesta julkaisusta:
Matti Kalliokoski
Yliopistotutkija
Fysiikan tutkimuslaitos
