www.iki.rssi.ru

Российский нейтронный детектор ХЕНД для космической миссии к планете Марс НАСА «2001 Mars Odyssey»

Задачи проекта

В состав научной нагрузки аппарата "2001 Mars Odyssey" входит комплексный инструмент GRS, включающий несколько независимых экспериментов для изучения состава поверхности Марса методами гамма и нейтронной спектроскопии. Эта научная аппаратура включает, в том числе, и российский прибор ХЕНД для регистрации нейтронов высоких энергий. Название прибора HEND (ХЕНД) образовано сокращением английского названия "High Energy Neutron Detector".

Данные, полученные в рамках ядерной спектроскопии поверхности Марса могут быть адресованы к различным областям марсианской науки. В качестве основной задачи ставится определение химического состава поверхности Марса. Гамма-излучение возникает на глубине в несколько десятков сантиметров, что позволяет определить концентрацию основных породообразующих элементов (H, O, Mg, Al, Si, S, Cl, K, Ca, Mn, Fe, Th, U) в верхних слоях марсианского грунта, пыли, камнях и обломках породы на поверхности Марса. По геологическим меркам это очень тонкий наносной слой полностью не отражающий состав коренной подстилающей породы. Тем не менее, это позволяет получить новую информацию о климатических условиях и эрозийных процессах происходивших и происходящих на Марсе и ставших определяющими при формировании подобного слоя в прошлую и настоящую эпоху.

Проблема подстилающих пород может быть частично решена в результате анализа древних вулканов и метеоритных кратеров. В этих местах верхние слои марсианского грунта содержат большое количество вулканической породы или обломков коренной подстилающей породы выброшенной на поверхность в результате вулканической активности или метеоритного удара.

Информация о процессах, приведших к выплавлению планетной коры из океана расплавленной магмы также может быть получена из данных гамма спектроскопии. Эксперимент GRS обладает достаточной чувствительностью и разрешающей способностью для определения концентрации химических элементов с естественной радиоактивностью и большим периодом полураспада, составляющим миллиарды лет. К таким элементам относится калий, торий и уран. По относительному содержанию этих элементов можно судить о процессах, происходивших в самом начале планетарной эволюции.

Определение абсолютной концентрации химических элементов входящих в состав марсианской поверхности производится по интенсивности ядерных линий, которая в свою очередь зависит от спектральной плотности потока нейтронов взаимодействующих с ядрами основных породообразующих элементов. Здесь на помощь приходит нейтронная спектроскопия поверхности позволяющая измерить нейтронное альбедо Марса в широком диапазоне энергий.

Отсюда следует первая научная задача эксперимента ХЕНД:

• измерение абсолютной величины потока быстрых нейтронов от Марса в разных спектральных диапазонах.

Длительная работа на полярной круговой орбите позволяет решить эту задачу для разных участков марсианской поверхности, т.е. фактически построить карту спектральной плотности потока нейтронов от Марса. В задачу эксперимента ХЕНД входит измерение эпитепловых и быстрых нейтронов (энергетический диапазон 0.4 эВ – 15 МэВ). Это означает, что по данным эксперимента ХЕНД можно восстановить интенсивность гамма-линий, возникающих в результате ядерных реакций неупругого рассеяния.

Нейтронная спектроскопия обладает высокой чувствительностью к присутствию в верхних слоях грунта легких ядер, причем наибольший эффект достигается при определении водородосодержащих соединений. Многолетние исследования Марса показывают, что он является активной гидрологической планетой. В прошлом по его поверхности когда-то текли реки, а большие участки суши, возможно, были заняты океанами. Современные климатические условия исключают длительное существование жидкой воды на поверхности Марса, однако под поверхностью мог сохраниться водяной лед. Наиболее благоприятные условия для этого созданы в полярных и приполярных районах Марса, где глубина залегания ледяной мерзлоты минимальна. Исходя из этого второй задачей эксперимента ХЕНД является:

• картографирование водосодержащих областей на поверхности Марса. Определение массовой доли водяного льда и химически связанной воды, а также оценка глубины залегания водосодержащих слоев.

Эта задача может быть решена независимо, в рамках анализа только данных эксперимента ХЕНД. Идеологически содержание воды в марсианском грунте может быть определено по величине ослабления потока эпитепловых и быстрых нейтронов. Глубина залегания водосодержащих слоев оценивается из сравнительного анализа данных, полученных в разных спектральных диапазонах, так как максимум производства эпитепловых и быстрых нейтроны находится на разной глубине. На практике решение подобной задачи оказывается намного сложнее и требует применения численных методов для моделирования нейтронных потоков на орбите Марса.

Известно, что атмосфера Марса испытывает сезонные колебания, при которых около четверти всей атмосферной углекислоты конденсируется на поверхность полярных областей Марса в течение осеннее – зимнего периода времени. Толщина слоя осажденной углекислоты может составлять от нескольких десятков сантиметров до одного метра. Это позволяет использовать нейтронную спектроскопию поверхности полярных областей Марса для наблюдения сезонного цикла на Марсе и определения толщины сезонного покрова осажденной углекислоты. В связи с этим возникает третья научная задача, которая должна быть решена при анализе данных эксперимента ХЕНД:

• поиск сезонных вариаций нейтронного альбедо Марса над полярными областями планеты, модельно зависимое восстановление данных для определения поверхностной плотности и состава (в сезонных отложениях атмосферной углекислоты может содержаться примесь воды и пыли) сезонного покрова.

Успешное решение этой задачи позволит получить новую информацию о закономерностях климатических процессов на Марсе, построить карту распределения сезонных отложений по поверхности полярных областей, понять особенности перекачки через атмосферу Марса таких летучих соединений углекислый газ и водяные пары.

Основные приоритеты научных исследований выполняемых в рамках российского эксперимента ХЕНД безусловно связаны с изучением поверхности Марса, однако исходя из условий миссии и детекторных возможностей самого эксперимента, можно сформулировать ряд дополнительных и не менее важных научных задач связанных с изучением космического пространства.

Межпланетный перелет КА 2001 Mars Odyssey составляет около 7 месяцев в условиях повышенной солнечной активности. Во время солнечных вспышек интенсивный поток заряженных частиц с высокими энергиями облучает корпус космического аппарата, в свою очередь, приводя к повышению фона от аппарата регистрируемого детекторами входящими в состав прибора ХЕНД. Анализ временного профиля и спектральной жесткости индуцированного излучения дает возможность изучать солнечную активность, находясь на большом удалении от Земли. Если во время регистрации солнечной вспышки угол между Землей и Марсом будет достаточно большим, то в результате сравнительного анализа данных эксперимента ХЕНД и данных зарегистрированных научными приборами находящимися на орбите Земли можно построить стереоскопическую картину солнечной вспышки. Принципиальная возможность таких наблюдений позволяет сформулировать четвертую научную задачу эксперимента ХЕНД:

• временной и спектральный анализ солнечных событий во время перелета к Марсу и на орбите вокруг Марса. Построение стереоскопической картины отдельных солнечных событий.

На этапе перелета к Марсу и даже после начала основной фазы картографирования поверхности планеты прибором ХЕНД был зарегистрирован целый ряд очень сильных солнечных событий, при которых превышение сигнала над фоном составило несколько порядков. Анализ некоторых из них продолжается до сих пор, однако уже сейчас можно сказать, что получена важная информация являющаяся дополнительной к той, что уже известна по данным наблюдений на Земле.

Детекторы входящие в состав прибора ХЕНД кроме нейтронов регистрируют также мягкое и жесткое гамма излучение в диапазоне от 60 кэВ до нескольких МэВ. Кроме изучения солнечной активности этот диапазон может использоваться для наблюдения гамма-всплесков. Чувствительность прибора ХЕНД позволяет регистрировать только сильные гамма-всплески, однако и этого вполне достаточно, чтобы получить полезную информацию о временных профилях и спектральных свойствах космических гамма-всплесков. Главным преимуществом эксперимента ХЕНД является большая удаленность КА 2001 Mars Odyssey от Земли, благодаря которой гамма данные полученные в этом эксперименте можно использовать для межпланетной триангуляции источников космических гамма всплесков. Это определяет еще одну дополнительную научную задачу, которую можно решать в рамках эксперимента ХЕНД:

• регистрация гамма всплесков и участие в международной триангуляционной сети для определения координат транзиентных источников.

За годы работы прибора ХЕНД было зарегистрировано более сотни гамма всплесков. Для некоторых из них были определены координаты источника и обнаружено послесвечение в рентгеновском и оптическом диапазоне.

Принцип работы

В основе прибора ХЕНД лежит принцип регистрации вторичных нейтронов от Марса, которые рождаются в приповерхностном слое грунта толщиной 1-2 метра, облучаемом космическими лучами. Родившиеся в грунте нейтроны высоких энергий замедляются и поглощаются ядрами основных породообразующих элементов через ядерные реакции неупругого рассеяния и захвата. Выходящий из грунта поток нейтронов зависит от состава вещества и в первую очередь - от присутствия водорода или водородосодержащих соединений. При столкновении с ядром водорода нейтрон теряет сразу половину своей энергии, что приводит к быстрой термализации, а вместе с ней и к значительному увеличению потока тепловых нейтронов и уменьшению потока эпитепловых нейтронов. Измеряя спектральный состав потока нейтронов на околомарсианской орбите можно сделать вывод концентрации ядер водорода в верхнем слое реголита.

Этот прибор представляет собой спектрометр с четырьмя независимыми детекторами нейтронов. Три детектора эпитепловых нейтронов (SD, MD, LD) представляют собой пропорциональные газовые счетчики на основе ³He и четвертый детектор нейтронов высоких энергий (SC) изготовлен из стильбена C₁₄H₁₂, окруженного активной антисовпадательной защитой из кристалла CsI:Tl³⁺.

Конструкция прибора и размещение на борту

Состав комплекса научной аппаратуры

• GRS состоящий из гамма спектрометра (собственно GRS), детектора тепловых нейтронов (NS) и детектора нейтронов высоких энергий (HEND) , созданного в ИКИ РАН по заказу РОСАВИАКОСМОСА (сейчас Федеральное космическое агенство Российской Федерации). Предназначен для изучения элементного состава поверхности Марса и поиска воды.
• Прибор THEMIS предназначен для изучения поверхности Марса в видимой и инфракрасной части спектра излучения.
• Дозиметр MARIE предназначенный для измерения уровня радиации в открытом космосе с последующим анализом его вредного воздействия на человеческий организм.

Физическая концепция прибора ХЕНД была выбрана таким образом, чтобы в условиях ограниченного веса (до 4 кг) "перекрыть" максимально широкий спектральный интервал энергий нейтронов от 0.4 эВ до 15 МэВ с чувствительностью, достаточной для однозначной интерпретации полученных результатов.

Три детектора входящих в состав прибора ХЕНД: SD, MD и LD (LD – Large Detector, MD – Medium Detector, SD – Small Detector) построены на основе пропорциональных счетчиков нейтронов ³Не, окруженных разными слоями замедлителя из полиэтилена (рис.3, 4). Эти счетчики регистрируют тепловые нейтроны в реакциях захвата ядрами изотопа гелия ³Не с образованием трития частицы и протона.

³He + n = ³H + p + 765keV

В качестве пропорциональных счетчиков нейтронов в приборе использовались промышленные счетчики LND 2517. Когда внешние нейтроны попадают в подобный детектор, они замедляются в полиэтилене до тепловых энергий и регистрируются в пропорциональных счетчиках. Эффективность замедления в полиэтилене зависит от его толщины, поэтому детектор LD с самым толстым слоем замедлителя около 30 мм наиболее чувствителен к нейтронам с энергиями 10 эВ - 1 МэВ. Детектор MD с замедлителем толщиной 14 мм лучше всего регистрирует нейтроны с энергиями 10 эВ – 100 кэВ. Детектор SD с самым тонким замедлителем 3 мм регистрирует в основном нейтроны с энергиями от "кадмиевого порога" 0.4 эВ до 1 кэВ. Таким образом, совокупность из трех детекторов SD, MD и LD позволяет "перекрыть" широкий диапазон энергий нейтронов от 0.4 эВ до 1 МэВ.

Для регистрации нейтронов с энергиями выше 1 МэВ в приборе ХЕНД используется детектор IN/SC на основе органического сцинтиллятора из стильбена (рис. 3 нижняя часть). Этот сцинтиллятор регистрирует нейтроны высоких энергий по вспышкам света от протонов отдачи, которые выбиваются нейтронами из кристаллической решетки органического кристалла. Однако в условиях космической среды стильбен будет регистрировать не только протоны отдачи от нейтронов, но также первичные протоны от космических лучей. Кроме этого, в стильбене будут регистрироваться электроны космических лучей и вторичные электроны, произведенные фотонами гамма-излучения.

Проблема разделения импульсов от протонов от импульсов от электронов была решена с помощью специально разработанной электронной схемой разделения созданной на основе анализа формы сигнала от оптических вспышек, которые существенно различаются для этих частиц. В испытаниях прибора ХЕНД было показано, что схема обеспечивает достаточно эффективное разделение импульсов протонов от импульсов электронов. Возможный ошибочный учет электронного сигнала в качестве сигнала от протона соответствует вероятности на уровне 5*10^-4.

На рис. 5 показан общий вид летного образца №2 прибора ХЕНД.

Проблема разделения протонов отдачи от первичных протонов космических лучей была решена методом анти-совпадательной защиты с использованием дополнительного сцинтилляционного детектора OUT/SC из CsI. Он окружает детектор IN/SC из стильбена со стороны «открытого неба», но оставляет открытыми те направления, где находится поверхность Марса. При прохождении заряженной частицы через внешний детектор OUT/SC в приборе вырабатывался логический сигнал veto, который запрещает в этот момент регистрацию импульса от внутреннего детектора IN/SC.

Прибор ХЕНД разработан таким образом, чтобы все 4 детектора нейтронов были максимально разнесены и развернуты друг относительно друга и при этом имели наилучшие поля зрения в условиях полета космического аппарата по круговой полярной орбите с высотой около 400 км.

Конструктивные особенности прибора ХЕНД

Главными требованиями предъявляемыми к прибору ХЕНД кроме необходимой чувствительности были ограничения по массе, потреблению, требования по теплу и механической прочности.

Вес прибора не должен был превышать 4 кг (вместе с кабелями питания и передачи данных), его потребление в рабочем режиме было ограничено 6 Вт. В случае отключения средняя мощность подогрева не должна была превышать 3 Вт. Кроме этого ставились жесткие условия по теплообмену между прибором ХЕНД и научной палубой КА 2001 Mars Odyssey на которой находились посадочные места прибора. Механическая прочность также являлась важным критерием, поскольку при старте ракеты и выводе КА 2001 Mars Odyssey на земную орбиту возникают существенные вибрационные и ударные перегрузки.

Для уменьшения веса прибора была проведена комплексная процедура, позволившая оптимизировать вес детекторов. Она включала как выбор детекторов среди ведущих отечественных и зарубежных производителей по соотношению чувствительность/масса, так и многоступенчатый (методом проб и ошибок) процесс согласования максимально компактной и облегченной конструкции корпуса прибора с учетом требований по механической прочности. В итоге после двух лет поисков был найден разумный компромисс между чувствительностью детекторов необходимой для решения поставленных научных задач и ограничениями по весу предъявляемыми проектом.

Электроника прибора ХЕНД также создавалась с учетом ограничений по массе, радиационной стойкости, а также по количеству выделяемого тепла. Она включала аналоговую электронику (первичная обработка сигнала с детекторов, рис. 6а), высоковольтные платы (подача высокого напряжения на детекторы, рис. 6б) и цифровую электронику (цифровая обработка сигнала, рис. 6в) реализованную на базе микросхемы Actel (не перепрограммируемая логика). Энергопотребление было равномерно поделено между высоковольтной и цифровой электроникой: половина всей выделяемой мощности приходилась на цифровую электронику, а оставшаяся часть на высоковольтные платы.

С точки зрения теплообмена конструкция прибора ХЕНД была разработана таким образом, что тепловая схема прибора была полностью изолирована от аппарата. Это достигалось с помощью тепловых изоляторов установленных между посадочными местами ХЕНД и научной палубой. Таким способом исключалась передача тепла с помощью теплопроводности. Радиационный обмен между КА и прибором ХЕНД был сведен к минимуму благодаря тому, что ХЕНД был окружен экранно-вакуумной тепловой изоляцией (ЭВТИ). Необходимые тепловые режимы прибора ХЕНД реализуются за счет компенсации внутреннего тепловыделения (~ 6 Вт в рабочем режиме) и радиационными потерями через пассивный тепловой радиатор направленный в открытое космическое пространство. В нормальном режиме стационарные температуры прибора ХЕНД для электроники составляют около 12^oС, а корпуса около 0^oС.

Заранее было известно, что входе миссии будут ситуации, когда научная нагрузка будет полностью отключаться. Предполагалось, что это будут плановые отключения (например во время старта или вывода на орбиту вокруг Марса) или спонтанные, вызванные переходом аппарата в так называемую safe mode (холостой режим при котором отключена вся научная нагрузка). Во избежание чрезмерного охлаждения научной аппаратуры была предусмотрена резервная шина питания через которую можно было бы осуществлять подогрев приборов. При этом проект выдвигал требования, что среднее энергопотребление при подогреве научной аппаратуры не должно превышать 3 Вт. Для решения этой задачи в случае ХЕНД был установлен специальный нагреватель (мощность ~ 4.5 Вт) который включался при температуре -25^oС, а выключался при температуре -22^oС. Таким образом при выключении основного питания и подачи резервного напряжения, предназначенного для подогрева установленных на борту научных приборов, внутри прибора ХЕНД периодически включается нагреватель (со средним энергопотреблением около 3 Вт), поддерживающий электронику и детекторы в диапазоне температур (-25^oС, -22^oС).

Чувствительность

Функции отклика детекторов прибора ХЕНД были получены в результате наземных калибровок и численных расчетов.

Физические калибровки прибора ХЕНД проводились в различных российских ядерных центрах, включая Объединенный Институт Ядерных Исследований (г. Дубна Московской обл.), Институт им Курчатова (г. Москва) и Арзамас-16 (г. Нижний Новгород). Для этого использовались стационарные калиброванные источники нейтронов с известным спектром и потоком (Калифорний и Плутоний-Бериллий). Калибровки проводились также на ускорителях, где создавались монохроматические пучки нейтронов с заданной энергией.

Кроме непосредственных измерений использовались численные методы расчета на основе методов Монте-Карло. В численном моделировании использовались как самописные программы (Физтех, С-Петербург), так и общепринятые программы расчета ядерных процессов (MCNPX, Los Alamos National Laboratory).

Результирующие функции эффективности детекторов прибора ХЕНД в сборе в зависимости от энергии приведены на рис. 7. Из этого рисунка видно, что при измерении нейтронного излучения эксперимент ХЕНД равномерно покрывает широкий диапазон энергий от 0.4 эВ до 10-15 МэВ.

Результаты

Марсианская научная экспедиция стартовала 7 апреля 2001 года. В этот день с мыса Канаверал был запущен американский межпланетный аппарат NASA "2001 Mars Odyssey", который спустя 7 месяцев (24 октября 2001 года) был успешно выведен на орбиту вокруг Марса.

Для получения и обработки информации поступающей с КА Mars Odyssey создана научная группа эксперимента ХЕНД, в которую входят российские и американские специалисты.

Ниже представлены основные результаты эксперимента ХЕНД которые включают высокоширотные карты распределения водяного льда на севере (Рис. 8) и юге (рис. 9), а также наблюдение за сезонными шапками Марса (рис 10-11).

Основные параметры

Масса вместе с кабелями	3695 г
Полное энергопотребление	энергопотребление 5.7 Вт при напряжении питания 28 В
Детекторы на основе пропорциональных 3He счетчиков	Малый детектор (SD) с тонким замедлителем из полиэтилена и внешним экраном из кадмия Средний детектор (MD) со средним замедлителем из полиэтилена и внешним экраном из кадмия. Большой детектор (LD) с толстым замедлителем из полиэтилена и внутренним экраном из кадмия
Сцинтилляционный блок	Внутренний сцинтилляционный детектор на основе кристалла стильбена (SC/IN) Внешний сцинтилляционный детектор на основе кристалла CsI для антисовпадательной защиты (SC/OUT)
Тепловые характеристики	Прибор имеет собственную систему обеспечения теплового режима с радиатором и подогревом для поддержания температуры прибора от –30°C до +40°С во всех режимах работы
Режимы работы	Режим подогрева Дежурный режим Режим картографирования Режим измерений с регистрацией всплесков
Телеметрическая Информация	По каждому сигналу синхронизации с гамма спектрометра GRS с промежутком времени от 12 сек до 1 часа прибор выдает в систему телеметрии: Кадр служебной информации с размером 92 байта в Дежурном режиме Стандартный кадр с 6 спектрами с размером 212 байт в Режиме картографирования Профильный кадр с 6 спектрами и 2 профилями с размером 512 байт в Режиме измерений с регистрации всплеска

Разработчики и соисполнители

Заказчик - Федеральное космическое агентство.

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

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

Работы по проекту ХЕНД 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 ХЕНД запланированы на период с 2002 по 2004 гг. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента) и 2002 – 2014 гг. (управление и обработка полученных данных).

Объединенный Институт Ядерных Исследований (г. Дубна, Московская обл.)	Математическое моделирование счетных характеристик прибора ХЕНД; участие в разработке физической схемы прибора ХЕНД, подготовка и проведение калибровок образцов прибора на естественных и искусственных источниках нейтронов и на модельном стенде.
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН (ИМАШ, г. Москва)	Создание математической модели механической конструкции прибора; участие в создании испытательной базы для прибора ХЕНД в соответствии с требованиями НАСА; в подготовке методик проведения механических испытаний образцов и сопровождение испытаний образцов прибора.
Всероссийский НИИ минерального сырья им. Н.М. Федоровского Министерства природных ресурсов РФ (г. Москва)	Упаковка сцинтилляционных нейтронного и гамма матариалов с ФЭУ в соответствии с требованиями к космической технике.
Открытое акционерное общество "Специализированный научно-исследовательский институт приборостроения" (г. Москва)	Разработка схемных решений по электронике в части сцинтилляционного тракта регистрации быстрых нейтронов.