Гамма-нейтронный спектрометр и дозиметр АДРОН-ЭМ
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Эксплуатационные характеристики
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
АДРОН-ЭМ предназначен для физических измерений потоков нейтронов и гамма квантов на поверхности Марса и для мониторинга радиационной обстановки в месте посадки. АДРОН-ЭМ должен обеспечивать измерения физических величин на ее поверхности Марса в соответствии с таблицей:
Физическая величина | Измеряемые характеристики | Измерительный блок |
Поток тепловых и эпитепловых нейтронов | Скорость счета от нейтронов в энергетическом диапазоне от 0.025 эВ до 1.0 КэВ | Детектор STN |
Поток эпитепловых нейтронов | Скорость счета от нейтронов в энергетическом диапазоне от 0.4 эВ до 1.0 кэВ | Детектор SETN |
Спектр гамма-фотонов | Спектр гамма-фотонов в энергетическом диапазоне от 200 кэВ до 7 МэВ с энергетическим разрешением не более 4,5% на линии 662 кэВ 137Cs | Детектор GRS |
Мощность поглощенной дозы | Диапазон измерений от 10-6 до 1 Грей/час; Временное разрешение по дозе 1 мин |
Дозиметр |
Плотность потока заряженных частиц | Диапазон измерений от 0.1 до 50000 част/(см2/с); Временное разрешение по потоку: 1 мин | Дозиметр |
Спектр ЛПЭ(кремний) | Разрешение не более 100 кэВ в диапазоне от 60 кэВ до 17 МэВ и не более 1 МэВ в диапазоне от 17.1 МэВ до 180 МэВ; Временное разрешение по спектрам передачи энергии: 1час | Дозиметр |
Спектр ЛПЭ(H2O) | Диапазон измерений от 0.1 до 320 кэВ/мкм; временное разрешение по спектрам ЛПЭ: 1час | Дозиметр |
Аппаратура АДРОН-ЭМ предназначена для проведения активного импульсного нейтронного зондирования приповерхностного слоя грунта Марса в районе посадки посадочной платформы проекта «ЭкзоМарс-2020». Основной целью научного эксперимента АДРОН-ЭМ является определение элементного состава на основе измерений вторичного нейтронного и гамма-излучения.
Степень новизны эксперимента
Для регистрации гамма-излучения в приборе АДРОН-ЭМ используется новый тип сцинтилляционного детектора на основе кристалла CeBr3. Этот детектор имеет более высокое спектральное разрешение (около 4% на энергии 662 кэВ) по сравнению с другими сцинтилляционными детекторами, и является оптимальным выбором между простотой реализацией, предъявления минимальных требований к аппаратным ресурсам (те же, что и у стандартных сцинтилляционных детекторов), и очень высоким энергетическим разрешением достигаемых с помощью полупроводниковых детекторов на основе высокочистого германия (которые требуют больших ресурсов по массе, потреблению и обеспечению тепловых режимов, при этом имея небольшой ресурс работы).
Использование вакуумного импульсного нейтронного генератора (уникальная разработка ВНИИА им Н.Л. Духова специально для исследований на поверхности Марса) позволяет генерировать ультракороткие (2-3 мкс) импульсы быстрых нейтронов. Измерение нейтронного и гамма-излучения в различных временных окнах (в диапазоне 10-10000 мкс) после нейтронного импульса с высоким временным разрешением (единицы микросекунд) позволяет детектировать структуру грунта (до глубины 50 см), разделять гамма-линии неупругого рассеяния и захвата, получать дополнительные гамма-линии от наведенного гамма-излучения, осуществлять возможность оптимального выбора временных окон, где вклад фона от КА минимален.
Научная аппаратура (НА) АДРОН-ЭМ предназначена для работы в активном и пассивном режимах. В активном режиме блок нейтронного генератора излучает интенсивные импульсы нейтронов с энергиями 14 МэВ. В каждом импульсе с продолжительностью до 2 мкс испускается около 107 нейтронов. Эти нейтроны испускаются изотропно, и часть из них проникает в грунт Марса (непосредственно под посадочной платформой) на глубину около 1 метра. В пассивном режиме измерений быстрые нейтроны имеют естественное происхождение, образуясь на глубине около 1-2 м в результате взаимодействия высокоэнергетичных заряженных частиц галактических лучей (они могут проникать сквозь тонкую атмосферы Марса и бомбардировать его поверхность) с ядрами породообразующих элементов.
Нейтроны взаимодействуют с ядрами вещества посредством реакций неупругого рассеяния и захвата, в которых ядро сначала переходит в возбужденное состояние, а затем и в основное состояние с испусканием гамма-кванта с определенной энергией. Кроме этого, в процессе облучения грунта быстрыми нейтронами от блока АДРОН-ИНГ образуются короткоживущие изотопы, которые также распадаются с излучением гамма кванта с характерной энергией (рисунок 1).
Рис. 1.Схема взаимодействия нейтронов с ядрами изотопов с образованием характеристических гамма-квантов
В результате образуется спектр гамма излучения с определенным набором гамма-линий, соответствующим элементному составу приповерхностного слоя грунта. Регистрация такого гамма спектра с помощью модуля АДРОН-ГД позволит определить элементный состав марсианского грунта.
В процессе взаимодействия с ядрами вещества быстрые нейтроны теряют свою энергию и также могут выйти обратно на поверхность с энергиями, соответствующими эпитепловому En = [0,4 эВ –1,0 кэВ] и тепловому [En < 0,4эВ] диапазонам. Эти нейтроны эффективно регистрируются модулем АДРОН-ДН с высоким временным разрешением. Форма и амплитуда временного отклика, зарегистрированного нейтронными детекторами модуля АДРОН-ДН, при совместной работе с модулем АДРОН-ИНГ (в течение 1 мс после нейтронного импульса) сильно зависит от содержания и распределения водорода (как правило, в составе воды или гидратированных минералов). Кроме этого, на форму кривой влияют вариации плотности и температуры грунта и наличие поглощающих элементов (таких как, например, хлор и железо). Эти зависимости в совокупности могут быть использованы для определения распределения воды в верхнем слое вещества и определению физических характеристик грунта.
ОПрибор АДРОН-ЭМ состоит из трех блоков: АДРОН-ЭМ-ДЭ (блок детекторов и электроники), АДРОН-ЭМ-ИНГ (импульсный нейтронный генератор) и АДРОН-ЭМ-ДМ (дозиметр). Прибор АДРОН-ЭМ после включения питания и завершения режима инициализации находится в дежурном режиме, собирая только служебную информацию и сохраняя её во внутренней памяти прибора. Далее накопленная информация после опроса передаётся через телеметрический интерфейс в БИП. Режимы и продолжительность работы прибора меняются по командам согласно циклограмме работы прибора на КА.
Состав научной аппаратуры с описанием узлов прибора и выполняемых задач АДРОН-ЭМ представлен в таблице
Таблица 1
Название блока или модуля | Назначение |
Блок импульсного нейтронного генератора АДРОН-ИНГ |
АДРОН-ИНГ представляет собой отдельный блок, предназначенный для генерации ультракоротких (длительность 2-3 микросекунды) импульсов нейтронов с энергиями 14 МэВ для облучения вещества поверхности. Этот блок также предполагается использовать в совместной работе прибора АДРОН-ЭМ и приборов, установленных на марсоходе (АДРОН и WISDOM) |
Модуль детекторов нейтронов АДРОН-ДН |
АДРОН-ДН предназначен для регистрации потоков эпитепловых и тепловых нейтронов в активном режиме (совместная работа с блоком АДРОН-ИНГ) и пассивном режиме (регистрация естественного нейтронного фона) |
Модуль детектора гамма-излучения АДРОН-ГД | АДРОН-ГД предназначен для регистрации и спектрального анализа потока гамма-излучения в условиях активной работы с нейтронным генератором и в условиях пассивных измерений естественного фона гамма-излучения. |
Модуль электроники АДРОН-МЭ | АДРОН-МЭ предназначен для выработки вторичного питания для всех модулей научной аппаратуры, для управления ее работой, для обработки и передачи на борт данных служебной и научной телеметрии |
Блок дозиметра АДРОН-ДМ | АДРОН-ДМ предназначен для мониторинга радиационной обстановки (определение радиационной дозы по заряженным частицам) |
Модули АДРОН-ДН, АДРОН-ГД и АДРОН-МЭ конструктивно объединены в один блок детекторов и электроники АДРОН-ДЭ, который связан с блоками АДРОН-ИНГ и АДРОН-ДМ посредством межблочных кабелей.
Рис. 2.Внешний вид блока АДРОН-ЭМ-ДЭ
Рис. 3.Внешний вид блока Люлин-МЛ
Рис. 4.Внешний вид блока ИНГ-10М
Масса : | <2,5 кг - АДРОН-ЭМ-ДЭ <2,7 кг - АДРОН-ЭМ-ИНГ <0,55 кг - АДРОН-ЭМ-ДМ |
Потребление : | Не более 7 Вт - ДЭ Не более 14 Вт - ИНГ Не более 3,5 Вт - ДМ |
Размеры : | 269 x 200 x 86 мм - ДЭ 340 x 125 x 45 мм - ИНГ 174 x 114 x 46 мм - ДМ |
По данным, полученным с помощью детекторов блока ДЭ, будут определены следующие параметры марсианского грунта и окружающей среды:
К основным функциональным особенностям АДРОН-ЭМ-ИНГ относится импульсная генерация нейтронов с энергией 14 МэВ как в режиме одиночных импульсов, так и с частотой до 10 Гц. Количество нейтронов за один импульс должно быть не менее 107 нейтронов, а полное количество излученных импульсов за время работы (в течение года на поверхности Марса) должно быть не менее 107.
Модуль детектирования дозиметра Люлин-МЛ представляет собой систему из 2-х телескопов, содержащих по два полупроводниковых детектора каждый. Оси телескопов расположены взаимно перпендикулярно. Детекторная система блока дозиметра имеет следующие характеристики:
Включение и выключение Люлин-МЛ осуществляется через блок ДЭ. Текущая информация о мощности дозы, плотности потока частиц и спектре ЛПЭ накапливается в микроконтролере «Люлин-МЛ» с периодической передачей ее в блок ДЭ для последующей передачи на Землю. Передача информации о бортовом времени и выдача управляющих воздействий КА «ЭкзоМарс-2020» на блок Люлин-МЛ также осуществляется через блок ДЭ.
Эксплуатационные характеристики
Срок службы НА АДРОН-ЭМ должен быть не менее 7 лет, из них: