Российский нейтронный детектор ЛЕНД для проекта космического орбитального аппарата НАСА «Лунный разведывательный орбитер»

Задачи проекта Вверх

Научная аппаратура «Лунный исследовательский нейтронный детекторов» (НА ЛЕНД) предназначена для установки на борт американской межпланетной миссии "Лунный разведывательный орбитер 2009" (LRO). Программа включает в себя запуск космического аппарата LRO-2009 в мае 2009 года, перелет к Луне, и проведение с помощью научной нагрузки орбитального глобального картографирования поверхности спутника Земли в течение одного года (пресс-релиз НАСА № 04-407 от 22 декабря 2004 г. http://www.nasa.gov/).

Основной целью проекта ЛЕНД является создание высокочувствительной научной аппаратуры для проведения космического эксперимента по поиску водяного льда (предположительно кометного происхождения) в вечно затененных полярных областях Луны. С помощью НА ЛЕНД должны быть построены карты распределения водорода и водородосодержащих соединений (к которым в первую очередь относиться водяной лед) в приповерхностном слое Луны с точностью не менее 0.01% по массовой доле и пространственным разрешением 10 км (для полярных областей). Кроме этого НА ЛЕНД должна предоставить измерения радиационного фона нейтронного альбедо Луны на высоте 30-60 км над ее поверхностью.

Принцип работы Вверх

В основе инструмента ЛЕНД лежит принцип регистрации вторичных нейтронов от Луны, 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.

Конструкция прибора и размещение на борту Вверх

ЛЕНД состоит из девяти детекторов для измерения потоков тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов. Четыре коллимированных детектора эпитепловых нейтронов CSETN1 – CSETN4 имеют максимальную чувствительность и минимальное поле зрения (FOV). Эти детекторы основаны на больших пропорциональных счетчиках, наполненных 3He и защищенных кадмиевым экраном со стороны открытого поля зрения прибора. Коллиматоры из бора и полиэтилена поглощают эпитепловые нейтроны, приходящие не из поля зрения. Методика коллимирования позволяет произвести картографирование потока эпитепловых нейтронов с поверхности Луны с разрешением 10 км с высоты орбиты КА 50 км.

На верхней стороне коллиматора расположены три детектора тепловых нейтронов STN1 – STN3 (рис. 1) и один детектор эпитепловых нейтронов SETN. Эти четыре детектора включают одинаковые пропорциональные счетчики, и все отличие SETN от остальных заключается в наличие кадмиевой оболочки вокруг счетчика. Детекторы STN1 и STN3 объединены в так называемый «Доплеровский фильтр», основанный на сопоставлении скорости тепловых нейтронов со скоростью орбитального КА. Детекторы STN2 и SETN измеряют локальное поле тепловых и эпитепловых нейтронов вокруг КА. Регистрация нейтронов в гелиевых газонаполненных счетчиках происходит благодаря ядерной реакции нейтронного захвата.

Рис. 1. Внешние детекторы

Детектор SHEN расположен во внутреннем пространстве между коллиматорами и измеряет поток нейтронов в диапазоне энергий от 300 кэВ до 15 МэВ. Этот детектор содержит сцинтилляционный детектор на основе кристалла стильбена, окруженный пластиковым сцинтиллятором для защиты его от заряженных частиц космических лучей (рис. 2). Регистрация быстрых нейтронов в органическом кристалле происходит по протонам отдачи вещества кристалла.

Рис. 2. Детекторы внутри

Прибор ЛЕНД обеспечивает измерения следующих физических величин на этапе перелета и на окололунной орбите:

Физическая величина Измеряемые характеристики Детекторы
Поток тепловых нейтронов 16-тиканальный спектр отсчетов в 3He счетчике, возникших под действием нейтронов с энергиями менее 0.4 эВ с разрешением по времени от 1 с Детекторы STN1 – STN3 на базе 3He счетчиков с давлением 20 атм и объемом ~ 100 см3 (производства фирмы LND inc, США)
Поток эпи-тепловых нейтронов 16-тиканальный спектр отсчетов в 3He счетчике, возникших под действием нейтронов с энергиями от 0.4 эВ до ~0.3 МэВ с разрешением по времени от 1 с Детекторы SETN, CSETN1 – CSETN4 на базе 3He счетчиков с давлением 20 атм и объемом ~ 100 см3 (производства фирмы LND inc, США)
Поток нейтронов высоких энергий 16-тиканальный спектр отсчетов в 3He счетчике, возникших под действием нейтронов с энергиями от 0.3 МэВ до > 15 МэВ с разрешением по времени от 1 с Сцинтилляционный детектор SHEN на базе кристалла стильбена с пластиковой антисовпадательной защитой.

ЛЕНД размещается на научной палубе КА LRO, имея простое крепление с восемью посадочными местами (рис.3). Он связан специальным контролируемым тепловым интерфейсом с КА, хорошо изолирован от научной палубы и изолирован слоем экранно-вакуумной термоизоляциеи (ЭВТИ) от открытого космического пространства. За сохранение рабочей температуры инструмента от –20°C до + 50°C отвечают системы корабля. Электрические интерфейсы, интерфейсы данных и команд разработаны в соответствии с требованиями проекта.

Рис. 3. Размещение аппаратуры на борту КА

На рис. 4 показан прибор ЛЕНД без ЭВТИ.

Рис. 4. Фотография прибора ЛЕНД без ЭВТИ

На рис. 5 показан прибор ЛЕНД в ЭВТИ.

Рис. 5. Фотография прибора ЛЕНД в ЭВТИ

Летные образцы прибора ЛЕНД поставлены в GSFC NASA (ЛЕНД ЛО-1 в марте 2008 г.; ЛЕНД ЛО-2 в декабре 2008 г.) и прошли все необходимые испытания в составе космического аппарата ЛРО. 18 июня 2009 г. прибор ЛЕНД был запущен к Луне. Включение прибора в штатный режим было произведено 20 июня 2009 г.

Научные результаты Вверх

Данные прибора ЛЕНД полученные только за первые два месяца его работы на борту ЛРО дали возможность изучить распределение воды в приполярных областях Луны – в местах потенциально важных с точки зрения её освоения. Анализ уже первых данных измерений позволил обнаружить локальные районы со слабым излучением нейтронов на южном полюсе Луны, где с большой вероятностью имеется высокое содержание водорода в реголите. Было установлено, что такие районы не совпадают с известными ранее вечно-затененными областями на дне лунных полярных кратеров. Этот результат является неожиданным, так как до последнего времени считалось, что возможные локальные районы с высоким содержанием водорода на Луне должны совпадать с вечно-затененными областями в окрестности ее полюсов.

Преимущественно на основании данных ЛЕНД и с учетом результатов измерений другими приборам на борту ЛРО, NASA выбрала приполярный кратер Кабеус для бомбардировки космическим аппаратом ЛКРОСС для прямого изучения при выбросе грунта состава лунного реголита и поиска водяного льда.

15 сентября 2009 г. после официального завершения летных испытаний ЛЕНД приступил к выполнению основной программы полета – построению глобальной карты нейтронного излучения Луны с пространственным разрешением около 10 км.

В ИКИ РАН и в GSFC NASA регулярно проводятся заседания российско-американской научной группы эксперимента ЛЕНД с обсуждением результатов работы прибора и планированием работ. Представители проекта ЛЕНД также участвуют в планировании работы миссии на заседаниях научной группы проекта ЛРО.

В настоящее время прибор ЛЕНД работает штатно. Телеметрические и научные данные поступают в ИКИ РАН, архивируются и обрабатываются в научной группе эксперимента ЛЕНД. Также научные данные поставляются в Planetary Data System https://starbrite.jpl.nasa.gov/pds4/about/ для доступа научной общественности. По результатам космического эксперимента опубликовано 7 статей и сделано более 10 презентаций на научных конференциях.

Основные параметры Вверх

Объем телеметрии :250 Мб в день
Масса : 26.3 кг
Потребление : 13 Вт
Размеры : 460 x 460 x 440 мм
Диапазон энергий : от тепловых энергий до 15 МэВ
Разрешение по времени : переменное, > 1 c
Разрешение на поверхности : 5 км на орбите в 50 км
Разрешение по глубине : 1-2 м

Разработчики и соисполнители Вверх

Заказчик - Федеральное космическое агентство.

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

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

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

Работы по проекту ЛЕНД запланированы на период с 2004 по 2008 г.г. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента) и 2009 – 2011 г.г. (управление и обработка полученных данных).

 
Научно – исследовательский институт атомных реакторов
(г. Димитровград-10, Ульяновская обл.)
Создание коллиматора на основе карбида бора с обогащением по изотопу 10В.
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
(ИМАШ, г. Москва)
Создание математической модели механической конструкции прибора; участие в создании испытательной базы для прибора ЛЕНД в соответствии с требованиями НАСА; в подготовке методик проведения механических испытаний образцов и сопровождение испытаний образцов прибора.
Объединенный Институт Ядерных Исследований
(г. Дубна, Московская обл.)
Математическое моделирование счетных характеристик прибора ЛЕНД; участие в разработке физической схемы прибора ЛЕНД, подготовка и проведение калибровок образцов прибора на естественных и искусственных источниках нейтронов и на модельном стенде.
Государственный Астрономический институт им. П.К. Штернберга МГУ
(г. Москва)
Моделирование геологической обстановки на поверхности Луны для оптимизации конструкции ЛЕНД и обработки научных данных; создание базы данных по грунтам и районам Луны для обработки научных данных.
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе
(г. Санкт-Петербург)
Анализ условий образования нейтронного альбедо Луны и зависимость его спектра от температуры для обработки научных данных.
Научно-инженерный центр "Специализированный научно-исследовательский институт приборостроения"
(г. Москва)
Разработка схемных решений по электронике в части сцинтилляционного тракта регистрации быстрых нейтронов.
Центр космических полетов им. Годдарда НАСА
(GSFC, USA)
Испытания инструмента в составе КА, обработка данных совместно с данными других экспериментов.
Университет Аризоны
(UofA, USA)
Управление прибором в полете и подготовка данных.
Университет Мериленда
(UMD, USA)
Исследование физики процессов ядерных реакций в приповерхностном слое грунта в присутствии водорода.
Католический университет
(CU, USA)
Подготовка данных, моделирование водяного льда в приповерхностном слое грунта Луны.
Яндекс.Метрика

Redmine