www.iki.rssi.ru

Меркурианский гамма и нейтронный спектрометр МГНС для проекта ЕКА «БепиКоломбо»

Задачи проекта

Меркурий – самая маленькая и одна из самых загадочных и малоизученных планет Солнечной системы. Расположенный очень близко к Солнцу, он тонет в его сиянии и виден лишь за час до восхода или после захода Солнца. Вести наблюдения за планетой может орбитальный телескоп «Хаббл», но при этом велик риск повреждения аппаратуры ионизирующими частицами солнечного ветра, т.к. телескоп будет направлен в сторону планеты, постоянно находящейся рядом с Солнцем.

Поэтому единственным способом изучения Меркурия остается запуск к нему космических исследовательских аппаратов. В 1974-75гг. американский зонд «Маринер-10» трижды облетел Меркурий и сделал его фотографии. Следующим направленным к планете аппаратом стал «Мессенджер», в 2008г. дважды пролетевший мимо Меркурия и вышедший на постоянную орбиту 18 марта 2011г.

Следующим аппаратом, направленным к Меркурию, станет проект Европейского космического агентства «БепиКоломбо», запуск которого запланирован на 2016 г. Цель проекта – изучение планеты, картографирование элементного состава ее поверхности, изучение магнитосферы, создание мультиволновой карты поверхности. Прибытие к планете и работа на орбите ожидается в 2024-2026гг.

Для установки на борту межпланетной миссии Европейского космического агентства (ЕКА) "BepiColombo" отделом создается научная аппаратура «Меркурианский гамма и нейтронный спектрометр» (НА МГНС). Проект МГНС является многофункциональной научной аппаратурой, включающей в себя гамма-спектрометр и нейтронный детектор. Прототипом прибора стал разработанный отделом для космической миссии НАСА к планете Марс «2001 Марс Одиссей» нейтронный детектор «ХЭНД».

Назначение научной аппаратуры МГНС состоит в обеспечении физических измерений потоков нейтронов в широком энергетическом диапазоне (от тепловых до 10 МэВ) и гамма-квантов с высоким энергетическим разрешением (около 3,5% на энергии 662 кэВ) в диапазоне энергий от 300 КэВ до 10 МэВ во время межпланетного перелета и на орбите вокруг Меркурия.

Основные задачи космического эксперимента МГНС:

• поиск остатков водяного льда в вечно затененных полярных областях Меркурия;
• определения элементного состава приповерхностных слоев грунта на глубине до 1 м;
• проведение измерений альбедо нейтронов и гамма-квантов на поверхности Меркурия с пространственным разрешением около 400 км;
• построение карты элементного состава для различных областей поверхности Меркурия на основе измерений ядерных линий основных породообразующих элементов, потоков тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов и линий радиоактивных элементов с точностью около 10-30% и пространственным разрешением около 400 км.;
• измерение нейтронной компоненты радиационного фона на орбите около Меркурия;
• построение карты распределения водорода и водородосодержащих соединений (к которым в первую очередь относится водяной лед);
• поиск районов с содержанием летучих отложений в полярных областях Меркурия, находящихся постоянно в тени Солнца, а также построение карты поверхностной плотности этих отложений с точностью около 0,1 г см^-2 и с пространственным разрешением около 400 км.

Принцип работы

Из-за того, что Меркурий не обладает атмосферой и имеет слабое магнитное поле, космические лучи, а это преимущественно протоны, беспрепятственно достигают поверхности планеты. При их взаимодействии с ядрами химических элементов входящих в состав грунта в приповерхностном слое толщиной 1-2 м образуется большое количество нейтронов (рис. 1). Эти нейтроны покидают грунт, по пути взаимодействуя с ядрами элементов, производя при этом вторичные нейтроны и гамма кванты. Каждый химический элемент имеет свой характерный набор гамма -линий, что позволяет, используя гамма -спектроскопические методы, получить информацию о составе грунта Меркурия.

Вторичные нейтроны, покидая грунт, замедляются и поглощаются ядрами элементов, также производя характеристические линии захвата, что дополняет информацию об элементном составе. Также, по соотношению количеств быстрых и замедлившихся (тепловых и эпитепловых) нейтронов можно судить о наличии в грунте ядер легких элементов (H, He и пр.). Ядра водорода, имеющие массу равную массе нейтронов – наиболее эффективный замедлитель нейтронов, поэтому о количестве водорода или водородсодержащих соединений в грунте можно судить по спектру вторичных нейтронов, который меняется в сторону увеличения медленных и уменьшения быстрых нейтронов.

Рис 1. Образование нейтронного и гамма -альбедо в грунте Меркурия под действием космических лучей и при распаде ядер естественных радиоактивных изотопов K, Th и U

Для целей определения интенсивности гамма-линий для различных элементов, помимо прямой генерации гамма -излучения при бомбардировке грунта космическими лучами, необходимо знать потоки нейтронов на поверхности планеты для учета интенсивности образования гамма- квантов в реакциях с нейтронами (неупругими реакциями для быстрых нейтронов и захват для медленных). Т.о. необходимо знать также и глубинный профиль рождения нейтронов в грунте.

Существуют также естественно радиоактивные ядра K, Th и U, концентрации которых характеризуют историю образования планеты и ее эволюции. Знание их концентраций позволит выбрать модель развития Меркурия из протопланетного облака.

И последняя задача – определение содержания водорода в приповерхностном слое грунта, который накопился в нем за миллиарды лет бомбардировки Меркурия солнечным ветром и космическими лучами.

В основе инструмента МГНС лежит принцип регистрации вторичных нейтронов и гамма-квантов от Меркурия, которые рождаются в 1–2 метровом приповерхностном слое грунта, свободно облучаемого заряженными частицами космических лучей. Родившиеся в грунте нейтроны высоких энергий замедляются и поглощаются ядрами основных породообразующих элементов через ядерные реакции неупругого рассеяния и захвата, порождая "лес" ядерных линий гамма-излучения с характерными энергиями, соответствующими определенным химическим элементам.

Выходящий из грунта поток нейтронов также 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. Даже присутствие всего 1% водяного льда по массовой доле может вызвать понижение потока эпитепловых нейтронов на десятки процентов. Это позволяет использовать орбитальную нейтронную спектрометрию как наиболее эффективный способ для поиска распределения водяного льда по поверхности планеты.

В свою очередь линейчатый спектр гамма-излучения является уникальным "отпечатком пальцев", содержащим информацию об элементном составе поверхности планеты.

Конструкция прибора и размещение на борту

Как уже говорилось выше, научная аппаратура МГНС является продолжением прибора отдела ХЭНД и состоит из блока нейтронных детекторов и гамма-спектрометра, объединенных единым узлом электроники (см. Рис. 2).

Рис 2. Прибор МГНС в сборе

Нейтронная часть прибора состоит из детектора нейтронов высоких энергий и детекторов тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов. Первый представляет собой сцинтилляционный детектор на основе кристалла стильбена диаметром 21.5 дюйма, окруженного антисовпадательной защитой из пластика, и предназначен для регистрации нейтронов с энергиями выше 500 КэВ (см. Рис. 3 и Рис. 4).

Рис. 3. Детектор нейтронов высоких энергий прибора МГНС

Три детектора выполнены на основе пропорциональных счетчиках He³ (типа LND 25281):

• неэкранированный;
• экранированный кадмиевой фольгой толщиной 0,5-1 мм (для регистрации нейтронов с энергией 0.4 эВ – 1 кэВ);
• экранированный кадмиевой фольгой толщиной 0,5-1 мм и полиэтиленом (для регистрации нейтронов с энергией 0.1 k кэВ – 500 кэВ).

Использование кадмия позволит разделить регистрируемые нейтроны по энергиям. Кадмий эффективно поглощает тепловые нейтроны с энергией ниже 0.4 эВ, т.о. вычитанием отчетов в неэкранированном кадмием детекторе и детекторе с кадмиевой фольгой можно получать поток тепловых нейтронов.

Рис. 4. Нейтронные детекторы прибора МГНС на основе пропорциональных счетчиков

Гамма-спектрометр предназначен для регистрации гамма-излучения с высокой чувствительностью и энергетическим разрешением не хуже 3.5% на энергии 662 кэВ. В спектрометре используется кристалл CeBr₃, имеющий максимально достижимые на сегодня спектральное разрешение и эффективность регистрации гамма-квантов в диапазоне энергий 100 кэВ – 10 МэВ среди сцинтилляционных кристаллов (см. Рис. 5). Применение германиевого спектрометра, который обладает значительно лучшим энергетическим разрешением (около 0.3% на энергии 662 кэВ), не рассматривалось из-за жёстких ограничений проекта «БепиКоломбо» к прибору МГНС по массе и потребляемой мощности.

Рис. 5. Гамма-спектрометр прибора МГНС

Миссия «БепиКоломбо» состоит из двух орбитальных космических аппаратов, доставляемых одним транспортным модулем - Mercury Planet Orbiter (MPO, далее МПО), предназначенным для фотографирования и глобального картографирования планеты, и Mercury Magnetospheric Orbiter (MMO), главной задачей которого будет изучение магнитосферы.

Научная аппаратура МГНС будет расположена на космическом аппарате МПО, с ориентацией в надир. Прибор расположен на максимально возможном удалении от водородосодержащих материалов, преимущественно это баки с топливом, что важно для оценки фоновой компоненты нейтронного сигнала. Размещение МГНС на борту МРО показано на рис. 6. Орбита космического аппарата МПО предполагается полярной и эллиптической с расстояниями до поверхности около 400 км и 1500 км в перицентре и апоцентре, соответственно.

Рис. 6. Размещение прибора МГНС на борту космического аппарата МПО проекта «БепиКоломбо»

Основные параметры

Разработчики и соисполнители

Заказчик - Федеральное космическое агентство.

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

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

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

Работы по проекту МНГС запланированы на период с 2004 по 2016 гг. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента) и 2016 – 2026 гг. (управление и обработка полученных данных).