www.iki.rssi.ru

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

Задачи проекта

Научная аппаратура «Лунный исследовательский нейтронный детектор» (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

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

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:

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

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 18 статей в реферируемых изданиях и представлено более 110 докладов на международных научных конференциях.

Основные параметры

Разработчики и соисполнители

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 г. – до сих пор (управление и обработка полученных данных).