www.iki.rssi.ru

Активный детектор нейтронов и гамма-лучей АДРОН для космических аппаратов «Луна-Ресурс» и «Луна-Глоб»

Задачи проекта

Прибор предназначен для исследования элементного состава поверхности Луны в месте посадки КА методами активной нейтронной и гамма спектроскопии.

Эксперимент реализуется в рамках российских проектов "Луна-Глоб" и "Луна-Ресурс" в соответствии с Государственными контрактами между ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина" и Федеральным космическим агентством. Запуски аппаратов запланированы в 2021 и 2023 годах.

Назначение АДРОН состоит в обеспечении физических измерений потоков нейтронов и гамма квантов во время межпланетного перелета к Луне и при работе на ее поверхности.

Прибор АДРОН создается для определения состава и содержания основных породообразующих элементов лунного грунта в месте посадки КА, а также для изучения слоистой структуры лунного грунта с пространственным разрешением ~ 1м.

Принцип работы

Для достижения целей назначения используется метод нейтронного зондирования (облучение грунта нейтронами высоких энергий) в сочетании с методами гамма и нейтронной спектроскопии (регистрация нейтронного и гамма отклика в разных энергетических диапазонах с высоким временным разрешением).

Область применения аппаратуры АДРОН состоит в проведении активного эксперимента по импульсному нейтронному зондированию лунного вещества на борту Посадочных Аппаратов. Благодаря использованию этой аппаратуры будут получены данные по составу вещества поверхности Луны на глубине до 1 метра непосредственно в точке расположения стационарного аппарата. Эти данные будут использоваться для выяснения происхождения лунной поверхности, для сопоставления состава образцов лунного вещества доставленных на Землю с средним составом вещества на глубине до 1 метра и также для разведки полезных ископаемых, потенциально пригодных для освоения лунных ресурсов.

Аппаратура АДРОН предназначена для работы в активном и пассивном режимах. Основным режимом является активный. В этом режиме блок нейтронного генератора испускает мощные импульсы нейтронов с энергиями 14 МэВ, в каждом импульсе с продолжительностью до 2 мкс испускается около 10⁷ нейтронов. Эти нейтроны испускаются изотропно, и их значительная часть около 30 – 50% проникает в вещество Луны непосредственно под Посадочным Аппаратом на глубину около 1 метра. Эти нейтроны взаимодействуют с ядрами вещества и возбуждают их в реакциях неупругого рассеяния (при ударе нейтрона ядро возбуждается и затем переходит в основное состояние с испусканием гамма-кванта с определенной энергией) и поглощаются этими ядрами в реакциях захвата (при ударе нейтрона ядро поглощает его и превращается в возбужденное ядро другого изотопа, которое переходит в основное состояние с испусканием гамма-кванта) (рис. 1).

Рис. 1.Физическая схема, иллюстрирующая нейтронное зондирование вещества для выяснения его состава

Испущенные гамма-лучи выходят на поверхность, и их спектральный состав отображает ядерный состав лунного вещества (рис. 2). Сохранившиеся нейтроны замедляются в веществе Луны и выходят с поверхности с энергиями близкими к тепловой энергии этого вещества, причем их поток существенно зависит от содержания в реголите водорода. Ядра водорода – протоны, имеют массу равную массе нейтронов, и поэтому даже небольшая доля водорода в веществе реголита существенно повышает эффективность замедления нейтронов.

Рис. 2.Зависимость потока надтепловых нейтронов (указан темп счета в нейтронном детекторе) с поверхности Луны (разным цветом показаны различные типы лунных грунтов) в зависимости от содержания в ней водорода (Н в единицах ppm)

Чем больше в веществе водорода, тем меньше в выходящем потоке нейтронов надтепловых частиц и тем больше в нем тепловых нейтронов. Поток надтепловых нейтронов круто понижается с повышением концентрации водорода, и поэтому измерение потока надтепловых нейтронов с поверхности под воздействием импульсов нейтронов высоких энергий является достаточно эффективным методом оценки содержания в веществе луны водорода (то есть воды).

Импульсный характер нейтронного облучения предоставляет возможность исследования слоистого характера залегания различных ядер в слое с глубиной до 1 метра. Выходящие замедлившиеся нейтроны достигают поверхности вследствие процесса диффузии в течение заметного времени около 1 миллисекунды, и слоистость залегания водорода существенно влияет на профиль измерения потока выходящих нейтронов.

В пассивном режиме измерений нейтронный генератор не работает. В этом режиме нейтронные детекторы и гамма-детектор прибора измеряют естественный поток нейтронного и гамма-излучения Луны, который возникает под воздействием потока галактических космических лучей и или потока энергичных частиц от Солнца во время солнечных протонных событий. Данные измерений в пассивном режиме позволят оценить естественный радиационный фон нейтронов и гамма-лучей в полярном районе посадки и сравнить его с данными измерений в других районах Луны и также с данными, полученными на окололунной орбите. Кроме этого, спектральные измерений гамма-лучей в пассивном режиме позволят оценить содержание в полярном реголите естественных радиоактивных изотопов К, Th и U. Известно, что относительное содержание К и Th остается постоянным для всех образцов лунного грунта, доставленных на Землю, и оно также сохраняется аналогичным для данных измерений с орбиты (рис. 3), однако можно ожидать, что в окрестности полюсов это отношение может измениться вследствие особенностей формирования поверхности полярных районов и также близкого расположения к южному полюсу гигантского ударного кратера Эйткин.

Рис. 3.Различие отношения распространенности естественных радиоактивных изотопов на поверхности Луны и Марса

Конструкция прибора и размещение на борту

Прибор АДРОН является уникальной разработкой ИКИ РАН и не имеет зарубежных аналогов. Прототипом этого прибора является прибор ДАН, разработанный в ИКИ РАН для установки на борту американской автоматической научной лаборатории МНЛ. Прибор ДАН должен провести импульсное нейтронное зондирование вещества поверхности Марса вдоль трассы движения МНЛ для разведки районов с максимальным содержанием воды в веществе планеты. При обсуждении вопроса о включении российского прибора ДАН в состав аппаратуры марсохода МНЛ в НАСА был проведен специальный сравнительный анализ аппаратуры ДАН и других вариантов аналогичной аппаратуры для импульсного нейтронного зондирования, созданных западными научными центрами. Было установлено, что прибор ДАН существенно превосходит зарубежные аналоги по ресурсу работы и интенсивности нейтронного импульса. Эти достоинства в равной мере относятся к нейтронному генератору аппаратуры АДРОН-ИНГ.

Для регистрации гамма-излучения в приборе АДРОН используется новый тип сцинтилляционного детектора на основе LaBr₃. Этот детектор имеет очень высокое спектральное разрешение около 3% при энергии 662 кэВ по сравнению с другими сцинтилляционными детекторами, и поэтому модуль гамма-детектора АДРОН-ГД будет соответствовать передовым достижениям мировой науки в этой области.

АДРОН включает в себя блок детекторов (рис. 4), импульсный нейтронный генератор (рис. 5).

Рис. 4.Блок ДЭ прибора АДРОН

Рис. 5.Импульсный генератор прибора АДРОН

Состав аппаратуры АДРОН-ЛР представлен в Таблице 1

Таблица 1

Прибор обеспечивает измерение физических величин на этапе перелета к Луне и на ее поверхности в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2

Для блока АДРОН-ДЭ применяются промышленные пропорциональные счетчики ³He (для регистрации нейтронного излучения), аналоги которых были использованы в российских приборах ХЕНД, НС ХЕНД, ДАН, МГНС (разработаны в ИКИ РАН). Электроника блока АДРОН-ДЭ основана на схемных решениях нашедших свое применение в указанных выше приборах и прошедших успешную проверку на длительную эксплуатацию в условиях космического полета и/или наземных испытаниях. Основные отличия конфигурации блока АДРОН-ДЭ от блока ДАН-ДЭ касаются использования сцинтиллятора на основе кристалла LaBr₃.

Блок ДЭ включает в себя следующие основные узлы:

• Два детектора STN, SETN, выполненные на основе пропорциональных счетчиков нейтронов. Отличие детекторов друг от друга - внешние экраны из кадмия (для SETN) и свинца (для STN).
• Сцинтиблок, состоящий из детектора на основе кристалла LaBr₃ выполненного в виде цилиндра и ФЭУ.
• Узлы электроники.

Основные параметры

Разработчики и соисполнители

Заказчик - Федеральное космическое агентство.

Головной исполнитель – Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН).

Руководитель проекта АДРОН – д.ф.-м.н. И.Г. Митрофанов.

Работы по проекту АДРОН ведутся на основании Госконтракта № 361-9870/09 от 16.03.2009 г. (тема ОКР МСП«Луна-Ресурс»).

Работы по проекту АДРОН запланированы на период с 2009 по 2020 гг. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента) и 2021 – 2022 гг. (управление и обработка полученных данных).