一组获得NASA资助的科学家和工程师开发了一种新颖的方法，用于观察近地空间环境中的高能粒子，将微型传感器融入到一种紧凑的、多视角的粒子探测仪器中，这种探测仪器前所未有。该仪器是为NASA的相对论电子大气损失（REAL）立方卫星任务而建造的，这一创新仪器（也称为REAL）能够更全面地测量高能粒子在地球辐射环境中的传输和损失情况，从而为改善对低地球轨道（LEO）空间天气影响的理解开辟了新的途径，同时也使得这些无与伦比的观测结果能够在未来的小型低成本航天器中普及。数十亿个高能带电粒子在地球周围被以面圈形区域中的磁场所困住，这些区域被称为范艾伦辐射带。这些辐射带通常形成两个明显的区域：内带主要由高能质子主导，外带则主要由高能电子构成。它们共同对现代社会所依赖的整个地球轨道中的卫星（包括GPS卫星和提供电话与互联网服务的卫星）构成了持续危害。特别是外带中存在所谓的“杀手电子”——这些粒子的能量足以穿透卫星屏蔽并触发破坏性的电流放电或操作异常。由于这些风险，科学家们已经花费了几十年的时间来更好地了解和预测辐射带的行为。但使这一努力复杂化的是它们的动态特性，尤其是外带，活跃的高能电子群体可以积累然后迅速减少。有时候，这些电子会从辐射带中丢失，有时会以持续仅100毫秒的微突发方式冲入地球大气层，而其他时候则以长达几分钟到几小时的事件方式发生。约翰霍普金斯大学应用物理实验室的物理学家托马斯·索特雷利斯解释道：“辐射粒子可以在范艾伦带中被困很长时间，来回穿梭于磁场线，但如果某种相互作用使它们更靠近地球的磁场线，它们就会冲入大气层。”索特雷利斯是REAL仪器传感器概念的创始人，并担任REAL任务的仪器科学家。这些丢失事件称为高能电子沉降（EEP），是电子从辐射带中丢失的主要方式之一，并在其动态特性中发挥着重要作用。尽管研究人员已经确定等离子体波可能是这些事件的驱动因素，但其背后的物理机制——例如电子散射是通过扩散过程逐渐发生，还是通过非线性相互作用快速发生——仍然不确定。REAL仪器成功于2025年7月23日发射，它能够区分这些潜在模式，使得研究它们的相对重要性成为可能，并确定是否存在导致电子沉降的波动。REAL利用传感器小型化的最新进展，该仪器包括三个传感器头——一个低能、中能和高能传感器头，各自具有两个、五个和四个同时视角，集成了四个电子电路板。它们共同占据REAL立方卫星的约一半，并使用足够的时间分辨率来解决能量范围从40 keV到2 MeV的电子微突发。当其母体3U立方卫星飞行在LEO时，REAL沿着地球的磁场指向，能够同时测量粒子掉入大气层时的数量、能量和角度——这是一项前所未有的能力。达特茅斯学院的空间物理学家罗宾·米兰表示：“大多数立方卫星只能从单一方向观察粒子，因此它们必须旋转以建立完整的图像——这需要几秒钟，而这太慢了，无法捕捉微突发。”她担任REAL任务的首席研究员。“借助REAL，我们成功地将三种传感器（每种具有多个视角）压缩到这个100×100毫米的传感器头顶部，允许我们同时捕捉这些测量结果。我们对此感到非常自豪。”高能传感器头由一个30毫米厚的铝准直器组成，具有四个孔，每个孔跨越20度的倾角。每个孔连接到一个固态探测器（SSD）底部的活跃区域。中能传感器头同样使用SSD底座，但则采用五个活跃区域，连接到一个22毫米厚的铝准直器，具有五个孔，每个孔跨越20度的倾角。另一方面，低能传感器头是一个微型静电分析仪（ESA），由夹在刻蚀硅选择缝之间的钛电极组成。这些电极位于微通道板（MCP）上方。低能传感器头使用36个孔、两个视角（±40度）和15个通道。