Гамма-нейтронный спектрометр и дозиметр АДРОН-ЭМ

 

Назначение прибора Вверх

АДРОН-ЭМ предназначен для физических измерений потоков нейтронов и гамма квантов на поверхности Марса и для мониторинга радиационной обстановки в месте посадки. АДРОН-ЭМ должен обеспечивать измерения физических величин на ее поверхности Марса в соответствии с таблицей:

Физическая величина Измеряемые характеристики Измерительный блок
Поток тепловых и эпитепловых нейтронов Скорость счета от нейтронов в энергетическом диапазоне от 0.025 эВ до 1.0 КэВ Детектор STN
Поток эпитепловых нейтронов Скорость счета от нейтронов в энергетическом диапазоне от 0.4 эВ до 1.0 кэВ Детектор SETN
Спектр гамма-фотонов Спектр гамма-фотонов в энергетическом диапазоне от 200 кэВ до 7 МэВ с энергетическим разрешением не более 4,5% на линии 662 кэВ 137Cs Детектор GRS
Мощность поглощенной дозы Диапазон измерений от 10-6 до 1 Грей/час;
Временное разрешение по дозе 1 мин
Дозиметр
Плотность потока заряженных частиц Диапазон измерений от 0.1 до 50000 част/(см2/с); Временное разрешение по потоку: 1 мин Дозиметр
Спектр передачи энергии в кремний Разрешение не более 100 кэВ в диапазоне от 60 кэВ до 17 МэВ и не более 1 МэВ в диапазоне от 17.1 МэВ до 180 МэВ; Временное разрешение по спектрам передачи энергии: 1час Дозиметр
Спектр ЛПЭ(H2O) Диапазон измерений от 0.1 до 320 кэВ/мкм; временное разрешение по спектрам ЛПЭ: 1час Дозиметр

Основные научные задачи Вверх

  • Поиск и определение содержания воды, связанной в составе подповерхностного грунта Марса на глубину до 0,5−1,0 м;
  • Определение элементного состава подповерхностного грунта на глубину до 0,5 м
  • Исследование физических свойств приповерхностного грунта (слоистая структура, плотность, температурные эффекты);
  • Комплексные измерения прибора АДРОН-ЭМ и прибора АДРОН-РМ, установленного на мобильной платформе для совместного исследования свойств грунта в окрестности места посадки (замеры затухания нейтронного сигнала от импульсного нейтронного генератора по мере удаления марсохода от посадочной платформы);
  • Длительный мониторинг радиационной обстановки в условиях спокойного солнца и в ходе солнечных протонных событий;
  • Длительный мониторинг сезонных изменений (вариации сезонного содержания воды, температурные эффекты в грунте);
  • Совместные физические калибровки и измерения с другими научными приборами.

Аппаратура АДРОН-ЭМ предназначена для проведения активного импульсного нейтронного зондирования приповерхностного слоя грунта Марса в районе посадки посадочной платформы проекта «ЭкзоМарс-2020». Основной целью научного эксперимента АДРОН-ЭМ является определение элементного состава на основе измерений вторичного нейтронного и гамма-излучения.

Степень новизны эксперимента

Для регистрации гамма-излучения в приборе АДРОН-ЭМ используется новый тип сцинтилляционного детектора на основе кристалла CeBr3. Этот детектор имеет более высокое спектральное разрешение (около 4% на энергии 662 кэВ) по сравнению с другими сцинтилляционными детекторами, и является оптимальным выбором между простотой реализацией, предъявления минимальных требований к аппаратным ресурсам (те же, что и у стандартных сцинтилляционных детекторов), и очень высоким энергетическим разрешением достигаемых с помощью полупроводниковых детекторов на основе высокочистого германия (которые требуют больших ресурсов по массе, потреблению и обеспечению тепловых режимов, при этом имея небольшой ресурс работы).

Использование вакуумного импульсного нейтронного генератора (уникальная разработка ВНИИА им Н.Л. Духова специально для исследований на поверхности Марса) позволяет генерировать ультракороткие (2-3 мкс) импульсы быстрых нейтронов. Измерение нейтронного и гамма-излучения в различных временных окнах (в диапазоне 10-10000 мкс) после нейтронного импульса с высоким временным разрешением (единицы микросекунд) позволяет детектировать структуру грунта (до глубины 50 см), разделять гамма-линии неупругого рассеяния и захвата, получать дополнительные гамма-линии от наведенного гамма-излучения, осуществлять возможность оптимального выбора временных окон, где вклад фона от КА минимален.

Научная аппаратура (НА) АДРОН-ЭМ предназначена для работы в активном и пассивном режимах. В активном режиме блок нейтронного генератора излучает интенсивные импульсы нейтронов с энергиями 14 МэВ. В каждом импульсе с продолжительностью до 2 мкс испускается около 107 нейтронов. Эти нейтроны испускаются изотропно, и часть из них проникает в грунт Марса (непосредственно под посадочной платформой) на глубину около 1 метра. В пассивном режиме измерений быстрые нейтроны имеют естественное происхождение, образуясь на глубине около 1-2 м в результате взаимодействия высокоэнергетичных заряженных частиц галактических лучей (они могут проникать сквозь тонкую атмосферы Марса и бомбардировать его поверхность) с ядрами породообразующих элементов.

Нейтроны взаимодействуют с ядрами вещества посредством реакций неупругого рассеяния и захвата, в которых ядро сначала переходит в возбужденное состояние, а затем и в основное состояние с испусканием гамма-кванта с определенной энергией. Кроме этого, в процессе облучения грунта быстрыми нейтронами от блока АДРОН-ИНГ образуются короткоживущие изотопы, которые также распадаются с излучением гамма кванта с характерной энергией (рисунок 1).

Рис. 1.Схема взаимодействия нейтронов с ядрами изотопов с образованием характеристических гамма-квантов

В результате образуется спектр гамма излучения с определенным набором гамма-линий, соответствующим элементному составу приповерхностного слоя грунта. Регистрация такого гамма спектра с помощью модуля АДРОН-ГД позволит определить элементный состав марсианского грунта.

В процессе взаимодействия с ядрами вещества быстрые нейтроны теряют свою энергию и также могут выйти обратно на поверхность с энергиями, соответствующими эпитепловому En = [0,4 эВ –1,0 кэВ] и тепловому [En < 0,4эВ] диапазонам. Эти нейтроны эффективно регистрируются модулем АДРОН-ДН с высоким временным разрешением. Форма и амплитуда временного отклика, зарегистрированного нейтронными детекторами модуля АДРОН-ДН, при совместной работе с модулем АДРОН-ИНГ (в течение 1 мс после нейтронного импульса) сильно зависит от содержания и распределения водорода (как правило, в составе воды или гидратированных минералов). Кроме этого, на форму кривой влияют вариации плотности и температуры грунта и наличие поглощающих элементов (таких как, например, хлор и железо). Эти зависимости в совокупности могут быть использованы для определения распределения воды в верхнем слое вещества и определению физических характеристик грунта.

Конструкция прибора Вверх

ОПрибор АДРОН-ЭМ состоит из трех блоков: АДРОН-ЭМ-ДЭ (блок детекторов и электроники), АДРОН-ЭМ-ИНГ (импульсный нейтронный генератор) и АДРОН-ЭМ-ДМ (дозиметр). Прибор АДРОН-ЭМ после включения питания и завершения режима инициализации находится в дежурном режиме, собирая только служебную информацию и сохраняя её во внутренней памяти прибора. Далее накопленная информация после опроса передаётся через телеметрический интерфейс в БИП. Режимы и продолжительность работы прибора меняются по командам согласно циклограмме работы прибора на КА.

Состав научной аппаратуры с описанием узлов прибора и выполняемых задач АДРОН-ЭМ представлен в таблице

Таблица 1

Название блока или модуля Назначение
Блок импульсного нейтронного генератора
АДРОН-ИНГ

АДРОН-ИНГ представляет собой отдельный блок, предназначенный для генерации ультракоротких (длительность 2-3 микросекунды) импульсов нейтронов с энергиями 14 МэВ для облучения вещества поверхности.

Этот блок также предполагается использовать в совместной работе прибора АДРОН-ЭМ и приборов, установленных на марсоходе (АДРОН и WISDOM)
Модуль детекторов нейтронов
АДРОН-ДН
АДРОН-ДН предназначен для регистрации потоков эпитепловых и тепловых нейтронов в активном режиме (совместная работа с блоком АДРОН-ИНГ) и пассивном режиме (регистрация естественного нейтронного фона)
Модуль детектора гамма-излучения АДРОН-ГД АДРОН-ГД предназначен для регистрации и спектрального анализа потока гамма-излучения в условиях активной работы с нейтронным генератором и в условиях пассивных измерений естественного фона гамма-излучения.
Модуль электроники АДРОН-МЭ АДРОН-МЭ предназначен для выработки вторичного питания для всех модулей научной аппаратуры, для управления ее работой, для обработки и передачи на борт данных служебной и научной телеметрии
Блок дозиметра АДРОН-ДМ АДРОН-ДМ предназначен для мониторинга радиационной обстановки (определение радиационной дозы по заряженным частицам)

Модули АДРОН-ДН, АДРОН-ГД и АДРОН-МЭ конструктивно объединены в один блок детекторов и электроники АДРОН-ДЭ, который связан с блоками АДРОН-ИНГ и АДРОН-ДМ посредством межблочных кабелей.

Рис. 2.Внешний вид блока АДРОН-ЭМ-ДЭ

Рис. 3.Внешний вид блока Люлин-МЛ

Рис. 4.Внешний вид блока ИНГ-10М

Основные параметры Вверх

Масса : <2,5 кг - АДРОН-ЭМ-ДЭ
<2,7 кг - АДРОН-ЭМ-ИНГ
<0,55 кг - АДРОН-ЭМ-ДМ
Потребление : Не более 7 Вт - ДЭ
Не более 14 Вт - ИНГ
Не более 3,5 Вт - ДМ
Размеры : 269 x 200 x 86 мм - ДЭ
340 x 125 x 45 мм - ИНГ
174 x 114 x 46 мм - ДМ

По данным, полученным с помощью детекторов блока ДЭ, будут определены следующие параметры марсианского грунта и окружающей среды:

  • Нейтронная составляющая естественного радиационного фона (абсолютная плотность нейтронного потока) с относительной точностью 10%;
  • Среднее содержание воды на глубине до 50 см с точностью 0,1%;
  • Элементный состав приповерхностного слоя грунта (основные породообразующие и редкие элементы H, Si, O, Al, Fe, K, U, Th, Cl, Mg, Mn, Ca, Na) с относительной погрешностью 1-20%;
  • Распределение воды и состава вещества по глубине до 50 см с шагом -10 см; плотность грунта с относительной погрешностью 10%;
  • Суточные и сезонные вариации нейтронного потока (обусловленных температурными вариациями и вариациями содержания воды) с относительной точностью лучше 1%.

К основным функциональным особенностям АДРОН-ЭМ-ИНГ относится импульсная генерация нейтронов с энергией 14 МэВ как в режиме одиночных импульсов, так и с частотой до 10 Гц. Количество нейтронов за один импульс должно быть не менее 107 нейтронов, а полное количество излученных импульсов за время работы (в течение года на поверхности Марса) должно быть не менее 107.

Модуль детектирования дозиметра Люлин-МЛ представляет собой систему из 2-х телескопов, содержащих по два полупроводниковых детектора каждый. Оси телескопов расположены взаимно перпендикулярно. Детекторная система блока дозиметра имеет следующие характеристики:

  • Тип детектора – полупроводниковый на основе кремния;
  • Чувствительная площадь – 2 см2;
  • Количество детекторов – 4.

Включение и выключение Люлин-МЛ осуществляется через блок ДЭ. Текущая информация о мощности дозы, плотности потока частиц и спектре ЛПЭ накапливается в микроконтролере «Люлин-МЛ» с периодической передачей ее в блок ДЭ для последующей передачи на Землю. Передача информации о бортовом времени и выдача управляющих воздействий КА «ЭкзоМарс-2020» на блок Люлин-МЛ также осуществляется через блок ДЭ.

Эксплуатационные характеристики Вверх

Срок службы НА АДРОН-ЭМ должен быть не менее 7 лет, из них:

  • Испытания и хранение в наземных условиях – 4 года;
  • Эксплуатация в дежурном режиме в натурных условиях на участке перелёта к Марсу – 1 год;
  • Эксплуатация на поверхности Марса – 2 года.
Яндекс.Метрика

Redmine