www.iki.rssi.ru

Российский нейтронный детектор ДАН для мобильного посадочного аппарата НАСА «Марсианская научная лаборатория»

Задачи проекта

Научная аппаратура «Динамическое Альбедо Нейтронов» (НА ДАН) предназначена для установки на борт американской межпланетной миссии Марсианская Научная Лаборатория 2011 (MSL-2011). Программа MSL-2011 включает в себя запуск космического аппарата MSL-2011 25 ноября 2011 года, перелет к Марсу (около года), посадку спускаемого аппарата (в состав которого входит мобильный аппарат) на поверхность Марса, проведение длительных (два года) мобильных наблюдений окружающей среды с помощью научной нагрузки, установленной на борту марсохода (пресс-релиз НАСА № 04-398 от 14 декабря 2004 г. http://www.nasa.gov/).

Основной целью проекта ДАН является создание надежного и эффективного космического инструмента для проведения на борту марсианского мобильного посадочного аппарата эксперимента по изучению трехмерной картины (на глубину 0,5 - 1 м и с поверхностным разрешением 1 м) распределения связанной воды/водяного льда в верхних слоях грунта Марса.

Принцип работы

Для определения влагосодержания марсианского грунта предлагается одновременно использовать методы нейтрон-нейтронного зондирования и нейтронной спектрометрии.

Физический принцип таких измерений заключается в следующем: на небольшой высоте над поверхностью (< 1м) находятся импульсный источник быстрых нейтронов и приемник нейтронного излучения в тепловом и эпитепловом диапазонах. Импульсный источник нейтронов генерирует короткие (длительность ~ 1 мкс), но мощные (до 10⁷ нейтронов за один импульс) импульсы нейтронов (с энергией 14 МэВ). Испущенные нейтроны проникают в грунт Марса, где взаимодействуют с ядрами основных породообразующих элементов через ядерные реакции неупругого рассеяния и захвата. В ходе таких взаимодействий быстрые нейтроны замедляются и теряют свою энергию. Часть замедлившихся нейтронов поглощается в грунте, а часть выходит обратно на поверхность, где и регистрируются приемником нейтронного излучения в виде затухающего временного профиля с характерной длительностью ~300 мкс для эпитепловых нейтронов и ~3000 мкс для тепловых нейтронов.

В рамках такого временного профиля время прихода нейтронов в среднем определяется глубиной проникновения (глубина грунта с которой вышел нейтрон), а амплитуда сигнала – составом приповерхностного грунта. Если в грунте присутствует водородосодержащие соединения (в основном связанная вода или водяной лед), то замедление быстрых нейтронов происходит наиболее эффективным образом (при столкновении с ядром водорода нейтрон теряет сразу половину своей энергии), проявляясь в виде значительного увеличения потока тепловых нейтронов и уменьшения потока эпитепловых нейтронов.

Конструкция прибора и размещение на борту

ДАН состоит из двух отдельных блоков: блок детекторов и электроники ДАН-ДЭ (рис. 1) и импульсный нейтронный генератор ДАН-ИНГ (рис. 2). Для блока ДАН-ДЭ применяются промышленные пропорциональные счетчики, наполненные ³He.

Рис. 1. Летный образец блока ДАН/ДЭ

Рис. 2. Летный образец блока ДАН/ИНГ

Электроника блока ДАН-ДЭ так же основана на схемных решениях нашедших свое применение в приборе ХЕНД и прошедших успешную проверку на длительную эксплуатацию в условиях космического полета. Основные отличия конфигурации блока ДАН-ДЭ от прибора ХЕНД касаются использования электроники для быстрой обработки сигнала (для регистрации альбедных кривых нужна точность 1-2 мкс) и создания специальной конфигурации высоковольтной платы (использование высоковольтной заливки) для предотвращения пробоя в разреженной атмосфере Марса. К основным измерительным функциям блока ДАН-ДЭ относится измерение 16-канальных спектров тепловых и эпитепловых нейтронов в энергетическом диапазоне 0.001 эВ – 100 кэВ и регистрация временного профиля альбедного нейтронного излучения в диапазоне 1-1000 мкс с разрешением не хуже 2 мкс.

В качестве блока ДАН-ИНГ используется модификация промышленного импульсного генератора ИНГ-101, серийно выпускаемого Всероссийским научно-исследовательским институтом автоматики (ВНИИА, г. Москва). Данная модификация специально разработана ВНИИА для проекта ДАН и включает в себя переработку габаритных размеров ИНГ-101 (для соответствия посадочным местам на борту марсохода MSL-2011), расширение теплового диапазона (понижение минимальной рабочей температуры с -20С до -40С) и проведение мероприятий по повышению надежности работы генератора в марсианских условиях.

В качестве источника нейтронов в блоке импульсного нейтронного генератора используется вакуумная нейтронная трубка, представляющая собой стеклянный баллон, внутри которого размещена мишень, насыщенная тритием и источник ионов дейтерия. Фактически нейтронная трубка является миниатюрным линейным ускорителем ионов, в котором ускоряющее напряжение прикладывается между мишенью и источником ионов. Для генерации нейтронов используется ядерная реакция, происходящая при бомбардировке дейтронами мишени, насыщенной тритием.

К основным функциональным особенностям ДАН-ИНГ относиться 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 двух лет на поверхности Марса) должно быть не менее 10⁷.

Блоки прибора ДАН имеют простое крепление на борт с 4-мя посадочными местами для блока детекторов и 6-ю для генератора. НА ДАН будет связан специальным контролируемым тепловым интерфейсом с научной палубой КА, при этом блоки НА ДАН будут закрыты от внешних воздействий специальными коробами с теплоизоляционными сврйствами. За сохранение рабочей температуры посадочных мест блоков инструмента от –40^oC до + 50^oC будут отвечать системы корабля. Электрические интерфейсы, интерфейсы данных и команд разработаны в соответствии с требованиями проекта.

На рис. 3 показано расположение прибора ДАН на борту марсохода.

Рис. 3. Размещение НА ДАН на борту марсохода МНЛ

Основные параметры

Научные результаты

Ниже представлены основные научные результаты прибора ДАН за время его работы на борту марсохода НАСА Куриосити. Показаны профили содержания подповерхностной воды и нейтронных поглотителей (прежде всего таких распространённых химических элементов как хлор и железо) измеренных прибором ДАН. Профиль нейтронных поглотителей представлен в виде эквивалентного содержания хлора, как элемента пространственная переменность которого вносит основной вклад в вариации, наблюдаемые в данных ДАН. Среднее содержание связанной воды вдоль трассы движения марсохода составляет около 2.5%, а хлора около 1% по массовой доле. ДАН проработал на поверхности Марса уже больше 6.5 лет (более 2400 марсианских дней или солов), а марсоход проехал более 20 км от места посадки. Каждый год ДАН совершает примерно 700 измерений в пассивном режиме и 120 измерений в активном режиме (с использованием нейтронного генератора). На это тратится около 1300000 нейтронных импульсов нейтронного генератора. Кроме этого, каждый год выполняется 650 смен управления прибором (каждодневная работа), из которых примерно 75% процентов обеспечивается сотрудниками ИКИ РАН.

Рис. 4. Профиль содержания воды вдоль трассы марсохода «Кюриосити», измеренный НА ДАН, начиная от места посадки.

Рис. 5. Профиль содержания эквивалентного хлора вдоль трассы марсохода «Кюриосити», измеренный НА ДАН, начиная от места посадки.

Разработчики и соисполнители

Заказчик - Федеральное космическое агентство.

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

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

Работы по проекту ДАН ведутся по теме МСП-2001 на основании Госконтракта № 025-5452/04 от 27.02.2004 г. (тема ОКР МСП-2001) и включены в Федеральную космическую программу 2006 - 2016 гг.

Работы по проекту ДАН запланированы на период с 2004 по 20011 гг. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента) и 2011 – 2014 гг. (управление и обработка полученных данных).