Лунный гамма- и нейтронный спектрометр (ЛГНС) для орбитального космического аппарата Луна-26 проекта «Луна-Ресурс-1»
Назначение прибора 
Прибор ЛГНС предназначен для дистанционного изучения реголита Луны методами ядерной планетологии с целью определения элементного состава реголита на основе измерений вторичного нейтронного и гамма-излучения. Прибор будет установлен на борт орбитального космического аппарата (КА) Луна-26 проекта «Луна-Ресурс-1». Состав и назначение отдельных модулей прибора ЛГНС представлены в таблице ниже. Прообразами спектрометра нейтронного и гамма-излучения ЛГНС могут служить приборы ХЕНД, работающий на околомарсианской орбите с 2001 года в составе научной нагрузки КА НАСА Mars Odyssey, и МГНС, разработанный для исследований Меркурия с борта КА ЕКА BepiColombo.
| № |
Название блока или модуля |
Назначение |
| 1 |
Модуль детектора гамма-лучей ЛГНС-ГД |
ЛГНС-ГД предназначен для регистрации и спектрального анализа потока γ-лучей в условиях пассивных измерений естественного фона γ-излучения, возникающего в грунте Луны под действием высокоэнергичных заряженных частиц космических лучей. |
| 2 |
Модуль детекторов нейтронов ЛГНС-НД |
ЛГНС-НД предназначен для регистрации и спектрального анализа потока нейтронов в условиях пассивных измерений естественного фона нейтронов, возникающего в грунте Луны под действием высокоэнергичных заряженных частиц космических лучей. |
| 3 |
Модуль электроники ЛГНС-МЭ |
ЛГНС-МЭ предназначен для выработки вторичного питания электроники и модулей детекторов, для управления их работой, для обработки и передачи на борт данных служебной и научной телеметрии, для управления работой прибора, для мониторинга и диагностики всех систем и узлов прибора. |
Объект и методы исследования
Прибор ЛГНС предназначен для измерения вторичного нейтронного и гамма-излучения, возникающего в верхнем приповерхностном слое лунного реголита под воздействием энергичных частиц галактических космических лучей (ГКЛ). Основной компонентой ГКЛ являются протоны с энергиями более 100 МэВ. Частицы ГКЛ, проникая в поверхность Луны, взаимодействуют с ядрами породообразующих химических элементов и, в результате ядерных реакций, образуют вторичные заряженные частицы, быстрые нейтроны и возбужденные ядра различных изотопов. Возбужденные ядра породообразующих элементов испускают и гамма-лучи с энергиями, характерными для данного ядра.
В результате хаотичного блуждания (диффузии) образовавшиеся быстрые нейтроны сталкиваются с ядрами породообразующих элементов, в той или иной степени теряют энергию, могут вылететь из поверхности и впоследствии быть зарегистрированными прибором на орбите. Поскольку масса нейтрона очень близка к массе ядра водорода (протон), то водород является наилучшим замедлителем нейтронов. Благодаря этому, проведя спектральный анализ потока выходящих из реголита нейтронов, можно с высокой точностью определить концентрацию в реголите ядер водорода (Рисунок 2). Для решения этой задачи, полезно знать соотношение масс ядер других химических элементов, входящих в его состав. Измерение интенсивности линий в спектрах гамма-лучей от поверхности небесного тела (Рисунок 3), позволяет определить количество и распространенность по поверхности Луны таких химических элементов, как H, O, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Fe, Th.
Рис 1. Зависимость потока эпитепловых нейтронов (указан темп счета в нейтронном детекторе) от поверхности Луны (разным цветом показаны различные типы лунных грунтов) в зависимости от концентрации водорода (Н, в единицах ppm = 10-6 по массе).
Рис 2. Результат численного моделирования спектральной плотности потока гамма-квантов от поверхности Луны.
Кроме космических лучей другой причиной возникновения гамма-излучения от поверхности небесного тела является наличие нестабильных изотопов химических элементов (естественная радиоактивностью). Некоторые изотопы имеют период полураспада достаточно большой, чтобы сохраниться с тех пор как они образовались в результате ядерного синтеза миллиарды лет назад. Например, изотоп калия 40K имеет период полураспада 1.25×109 лет. При распаде ядра 40К образуется ядро 40Ar в возбужденном состоянии, которое в дальнейшем переходит в основное состояние с излучением гамма-кванта с энергией 1.461 МэВ. Интенсивность линии с этой энергией в измеренном спектре отражает концентрацию изотопов 40К в реголите. К другим химическим элементам с естественной радиоактивностью, которые могут быть обнаружены в результате гамма-спектроскопии поверхности небесного тела, относятся такие элементы как торий и уран. Некоторые изотопы, образующиеся в процессе цепочек распада этих элементов, также излучают гамма линии. Например, торий может быть обнаружен по гамма-линии 2.615 МэВ, излучаемой одним из продуктов распада - 208Tl. Кроме этой гамма-линии существуют еще несколько сильных гамма-линий возникающих в процессе распада 232Th. В цепочке распада 238U наибольшие потоки гамма-излучения фиксируются в гамма-линиях 1.764, 1.120, и 0.609 МэВ.
Известно, что относительное содержание К и Th (так называемое отношение K/Th) остается постоянным для всех образцов лунного грунта, доставленных на Землю, и оно, также, сохраняется аналогичным для данных измерений, выполненных с орбиты (Рисунок 3). Однако, можно ожидать, что в окрестности полюсов Луны это отношение может измениться вследствие особенностей формирования поверхности полярных районов и близкого расположения к южному полюсу гигантского древнего ударного бассейна Южный полюс – Эткин. Измерение отношения содержания К и Th может дать важную научную информацию о условиях формирования Луны.
Рис 3. Различие отношения распространенности естественных радиоактивных изотопов калия и тория на поверхности Луны и Марса.
Ожидаемые результаты
Благодаря орбитальным измерениям потоков нейтронов и гамма-лучей различных энергий с помощью прибора ЛГНС будут получены данные о составе вещества (в том числе о концентрации водорода) поверхности Луны на глубине до 1 метра. Эти данные могут быть использованы для выяснения происхождения лунной поверхности, для сопоставления состава образцов лунного вещества доставленных на Землю со средним составом вещества на глубине до 1 метра и, также, для разведки полезных ископаемых, потенциально пригодных для освоения лунных ресурсов. Одним из важнейших полезных ископаемых является водяной лед, вероятно, присутствующий в приполярных районах Луны.
Ниже представлены основные измерения, которые планируется выполнить с прибором ЛГНС, и соответствующие им результаты, которые позволят исследовать свойства вещества Луны.
| Измерения |
Исследования Луны на основе данных измерений прибора ЛГНС |
| Спектр потока вторичного гамма-излучения, обусловленный облучением поверхности Луны Галактическими и Солнечными Космическими Лучами |
Карта содержания основных породообразующих элементов |
| Поток гамма-излучения от естественных радиоактивных изотопов K, Th и U |
Карта содержания естественных радиоактивных изотопов K, Th и U |
| Соотношение потока тепловых нейтронов с потоком нейтронов средних и высоких энергий. |
Карта среднего содержания водорода в реголите на глубину ~ 1 м. |
| Измерение естественного радиационного гамма-фона Луны в условиях активного и спокойного Солнца |
Измерение радиационного фона на орбите вокруг Луны и сопоставление с данными измерений для районов посадок в полярных районах и на средних широтах. |
Область применения прибора ЛГНС состоит в проведении космического эксперимента по пассивному зондированию лунного реголита с борта орбитального КА Луна-26 проекта «Луна-Ресурс-1». Результаты, полученные в ходе проведения эксперимента ЛГНС, будут применяться для построения полной физической модели процессов формирования и эволюции поверхности Луны в районе полюсов. Эти результаты могут также иметь большое практическое значение – на основе данных измерений аппаратуры ЛГНС и других научных приборов КА Луна-26 («Луна-Ресурс-1») будут отбираться районы для развертывания лунной космической инфраструктуры. По данным измерений прибора ЛГНС будет выполнена оценка химического состава грунта и содержания воды в полярном лунном реголите. В дальнейшем на основе этой оценки будут разрабатываться космические технологии для снабжения лунных обитаемых и автоматических комплексов непосредственно на месте водой, кислородом и водородом.
Технические характеристики
Состав прибора
Научный прибор ЛГНС состоит из следующих модулей:
- модуль детектора гамма-лучей (ЛГНС-ГД);
- модуль детектора нейтронов (ЛГНС-НД);
- модуль электроники (ЛГНС-МЭ).
Все модули объединены в один моноблок (см. рисунок ниже).
Модуль детектора гамма-лучей ЛГНС-ГД
Основным элементом детектора является сцинтилляционный кристалл CeBr3, обладающий хорошей чувствительностью в диапазоне энергий 300 кэВ – 6 МэВ и спектральным разрешением ≤ 5% (на энергии 661 кэВ) при нормальных температурах и низким естественным собственным фоном. Для регистрации сцинтилляций, возникающих в кристалле при попадании в него гамма-лучей, используется фотоумножитель, электроника делителя и оцифровки амплитуды сигнала.
Модуль детектора нейтронов ЛГНС-НД
Данный модуль состоит из трёх пропорциональных детекторов, заполненных газом 3He, два из которых экранированы кожухами из кадмия, толщиной 0.5 – 1 мм. Один детектор помещен в полиэтиленовый экран, что обеспечивает возможность детектирования эпитепловых нейтронов с энергией в диапазоне 0.4 эВ – 500 кэВ. Каждый детектор имеет алюминиевый кожух, предохраняющий детектор от механических воздействий.
Детектор нейтронов высоких энергий (> 400 кэВ) основан на органическом сцинтилляторе стильбен и окружен антисовпадательной защитой из пластикового сцинтиллятора для предотвращения регистрации заряженных частиц внутренним детектором. Модуль помещен в алюминиевый кожух для предотвращения механических воздействий.
Модуль электроники ЛГНС-МЭ
Модуль электроники состоит из следующих узлов:
- Узлы аналоговой электроники (зарядочувствительный усилитель, дискриминатор нижнего порога, усилитель-формирователь входного сигнала, пиковый детектор, преобразователь входного сигнала в цифровой код);
- Узел высоковольтного питания содержит шесть преобразователей низкого напряжения в высокое для питания детекторов, входящих в модули детектора нейтронов и гамма-лучей;
- Узел низковольтного питания формирует необходимые прибору напряжения питания - +5, +12, -12 вольт;
- Узел основной электроники содержит систему управления высоковольтными источниками питания, приемники и передатчики внешних сигналов, схему управления работой прибора, оперативную память для хранения информационных массивов;
- Система измерения температур – термодатчики, установленные внутри корпуса прибора и в критических точках печатных плат. Термодатчики предназначены для измерения температуры и записи в телеметрические данные.
Основные характеристики
Общие характеристики прибора ЛГНС приведены в таблице ниже. Внешний вид детекторного блока прибора приведён на Рисунке 4.
Основной измерительной функцией модулей детекторов ЛГНС является:
- измерение спектров гамма-излучения (4096 каналов) в энергетическом диапазоне 300 кэВ – 6 МэВ с временем накопления 1 сек и временной привязкой ко всемирному времени (UTC) не хуже 10 мс;
- измерение 16-канальных спектров тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов.
Прибор ЛГНС будет размещён на выносном элементе конструкции КА (штанге) для понижения вклада в регистрируемые сигналы вторичного излучения, возникающего в элементах конструкции КА под действием ГКЛ.
| Масса : |
≤ 7 кг |
| Потребление дежурное : |
< 6.5 Вт |
| Напряжение питания : |
27 В |
| Размеры : |
342.6 x 140.5 x 258 мм |
| Скорость передачи данных от прибора : |
6 Мбит/сек |
| Информативность : |
< 770 Мбайт/сут |
| Объем внутренней памяти : |
2*512 Кбайт |
| Частота опроса прибора : |
1 раз в 1 секунду |
| Синхронизация по времени : |
Не хуже 10 мсек. |
Рис 4. Внешний вид прибора ЛГНС.
Разработчики и соисполнители
Головной исполнитель – отдел 63, Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН).
Руководитель проекта МГНС – д.ф.-м.н. И.Г. Митрофанов.
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
(ИМАШ, г. Москва) |
Создание математической модели механической конструкции прибора; участие в создании испытательной базы для прибора ЛГНС, в подготовке методик проведения механических испытаний образцов и сопровождение испытаний образцов прибора. |
Объединенный Институт Ядерных Исследований
(ОИЯИ, г. Дубна, Московская обл.) |
Математическое моделирование счетных характеристик прибора ЛГНС; участие в разработке физической схемы прибора, подготовка и проведение калибровок образцов прибора на источниках нейтронов и гамма-квантов. |
Всероссийский научно-исследовательский институт минеральных ресурсов
(ВИМС, г. Москва) |
Разработка сцинтилляционных блоков для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов. |
