Активный детектор нейтронов и гамма-лучей АДРОН для космических аппаратов «Луна-Ресурс» и «Луна-Глоб»

 

Задачи проекта Вверх

Прибор предназначен для исследования элементного состава поверхности Луны в месте посадки КА методами активной нейтронной и гамма спектроскопии.

Эксперимент реализуется в рамках российских проектов "Луна-Глоб" и "Луна-Ресурс" в соответствии с Государственными контрактами между ФГУП "НПО им. С.А. Лавочкина" и Федеральным космическим агентством. Запуски аппаратов запланированы в 2017 и 2019 годах.

Назначение АДРОН состоит в обеспечении физических измерений потоков нейтронов и гамма квантов во время межпланетного перелета к Луне и при работе на ее поверхности.

Прибор АДРОН создается для определения состава и содержания основных породообразующих элементов лунного грунта в месте посадки КА, а также для изучения слоистой структуры лунного грунта с пространственным разрешением ~ 1м.

Принцип работы Вверх

Для достижения целей назначения используется метод нейтронного зондирования (облучение грунта нейтронами высоких энергий) в сочетании с методами гамма и нейтронной спектроскопии (регистрация нейтронного и гамма отклика в разных энергетических диапазонах с высоким временным разрешением).

Область применения аппаратуры АДРОН состоит в проведении активного эксперимента по импульсному нейтронному зондированию лунного вещества на борту Посадочных Аппаратов. Благодаря использованию этой аппаратуры будут получены данные по составу вещества поверхности Луны на глубине до 1 метра непосредственно в точке расположения стационарного аппарата. Эти данные будут использоваться для выяснения происхождения лунной поверхности, для сопоставления состава образцов лунного вещества доставленных на Землю с средним составом вещества на глубине до 1 метра и также для разведки полезных ископаемых, потенциально пригодных для освоения лунных ресурсов.

Аппаратура АДРОН предназначена для работы в активном и пассивном режимах. Основным режимом является активной. В этом режиме блок нейтронного генератора испускает мощные импульсы нейтронов с энергиями 14 МэВ, в каждом импульсе с продолжительностью до 2 мкс испускается около 107 нейтронов. Эти нейтроны испускаются изотропно, и их значительная часть около 30 – 50% проникает в вещество Луны непосредственно под Посадочным Аппаратом на глубину около 1 метра. Эти нейтроны взаимодействуют с ядрами вещества и возбуждают их в реакциях неупругого рассеяния (при ударе нейтрона ядро возбуждается и затем переходит в основное состояние с испусканием гамма-кванта с определенной энергией) и поглощаются этими ядрами в реакциях захвата (при ударе нейтрона ядро поглощает его и превращается в возбужденное ядро другого изотопа, которое переходит в основное состояние с испусканием гамма-кванта) (рис. 1).

Рис. 1.Физическая схема, иллюстрирующая нейтронное зондирование вещества для выяснения его состава

Испущенные гамма-лучи выходят на поверхность, и их спектральный состав отображает ядерный состав лунного вещества (рис. 2). Сохранившиеся нейтроны замедляются в веществе Луны и выходят с поверхности с энергиями близкими к тепловой энергии этого вещества, причем их поток существенно зависит от содержания в реголите водорода. Ядра водорода – протоны, имеют массу равную массе нейтронов, и поэтому даже небольшая доля водорода в веществе реголита существенно повышает эффективность замедления нейтронов.

Рис. 2.Зависимость потока надтепловых нейтронов (указан темп счета в нейтронном детекторе) с поверхности Луны (разным цветом показаны различные типы лунных грунтов) в зависимости от содержания в ней водорода (Н в единицах ppm)

Чем больше в веществе водорода, тем меньше в выходящем потоке нейтронов надтепловых частиц и тем больше в нем тепловых нейтронов. Поток надтепловых нейтронов круто понижается с повышением концентрации водорода, и поэтому измерение потока надтепловых нейтронов с поверхности под воздействием импульсов нейтронов высоких энергий является достаточно эффективным методом оценки содержания в веществе луны водорода (то есть воды).

Импульсный характер нейтронного облучения предоставляет возможность исследования слоистого характера залегания различных ядер в слое с глубиной до 1 метра. Выходящие замедлившиеся нейтроны достигают поверхности вследствие процесса диффузии в течение заметного времени около 1 миллисекунды, и слоистость залегания водорода существенно влияет на профиль измерения потока выходящих нейтронов.

В пассивном режиме измерений нейтронный генератор не работает. В этом режиме нейтронные детекторы и гамма-детектор прибора измеряют естественный поток нейтронного и гамма-излучения Луны, который возникает под воздействием потока галактических космических лучей и или потока энергичных частиц от Солнца во время солнечных протонных событий. Данные измерений в пассивном режиме позволят оценить естественный радиационный фон нейтронов и гамма-лучей в полярном районе посадки и сравнить его с данными измерений в других районах Луны и также с данными, полученными на окололунной орбите. Кроме этого, спектральные измерений гамма-лучей в пассивном режиме позволят оценить содержание в полярном реголите естественных радиоактивных изотопов К, Th и U. Известно, что относительное содержание К и Th остается постоянным для всех образцов лунного грунта, доставленных на Землю, и оно также сохраняется аналогичным для данных измерений с орбиты (рис. 3), однако можно ожидать, что в окрестности полюсов это отношение может измениться вследствие особенностей формирования поверхности полярных районов и также близкого расположения к южному полюсу гигантского ударного кратера Эйткин.

Рис. 3.Различие отношения распространенности естественных радиоактивных изотопов на поверхности Луны и Марса

Конструкция прибора и размещение на борту Вверх

Прибор АДРОН является уникальной разработкой ИКИ РАН и не имеет зарубежных аналогов. Прототипом этого прибора является прибор ДАН, разработанный в ИКИ РАН для установки на борту американской автоматической научной лаборатории МНЛ. Прибор ДАН должен провести импульсное нейтронное зондирование вещества поверхности Марса вдоль трассы движения МНЛ для разведки районов с максимальным содержанием воды в веществе планеты. При обсуждении вопроса о включении российского прибора ДАН в состав аппаратуры марсохода МНЛ в НАСА был проведен специальный сравнительный анализ аппаратуры ДАН и других вариантов аналогичной аппаратуры для импульсного нейтронного зондирования, созданных западными научными центрами. Было установлено, что прибор ДАН существенно превосходит зарубежные аналоги по ресурсу работы и интенсивности нейтронного импульса. Эти достоинства в равной мере относятся к нейтронному генератору аппаратуры АДРОН-ИНГ.

Для регистрации гамма-излучения в приборе АДРОН используется новый тип сцинтилляционного детектора на основе LaBr3. Этот детектор имеет очень высокое спектральное разрешение около 3% при энергии 662 кэВ по сравнению с другими сцинтилляционными детекторами, и поэтому модуль гамма-детектора АДРОН-ГД будет соответствовать передовым достижениям мировой науки в этой области.

АДРОН включает в себя блок детекторов (рис. 4), импульсный нейтронный генератор (рис. 5).

Рис. 4.Блок ДЭ прибора АДРОН

Рис. 5.Импульсный генератор прибора АДРОН

Состав аппаратуры АДРОН-ЛР представлен в Таблице 1

Таблица 1

Название блока или модуля Назначение
1. Импульсный нейтронный генератор АДРОН-ИНГ АДРОН-ИНГ является отдельным блоком, он предназначен для генерации импульсов нейтронов с энергиями около 14 МэВ для облучения вещества поверхности Луна в районе посадки
2. Модуль детекторов нейтронов АДРОН-ДН АДРОН-ДН входит в блок АДРОН-ДЭ, он предназначен для регистрации потоков эпитепловых и тепловых нейтронов в условиях активной работы с генератором и также в условиях пассивных измерений естественного нейтронного фона в районе посадки
3. Модуль детектора гамма-лучей АДРОН-ГД АДРОН-ГД входит в блок АДРОН-ДЭ, он предназначен для регистрации и спектрального анализа потока гамма-лучей в условиях активной работы с генератором и также в условиях пассивных измерений естественного фона гамма-излучения в районе посадки
4. Модуль электроники АДРОН-МЭ АДРОН-МЭ входит в блок АДРОН-ДЭ, он предназначен для выработки вторичного питания модулей аппаратуры, для управления ее работой, для обработки и передачи на борт данных служебной и научной телеметрии, для управления работой аппаратуры, для мониторинга и диагностики всех систем и узлов аппаратуры

Прибор обеспечивает измерение физических величин на этапе перелета к Луне и на ее поверхности в соответствии с таблицей 2.

Таблица 2

Физическая величина Измеряемые характеристики Измерительный блок
Поток тепловых и эпитепловых нейтронов Скорость счета от нейтронов в энергетическом диапазоне 0.025 эВ-1.0 КэВ Детектор STN
Поток эпитепловых нейтронов Скорость счета от нейтронов в энергетическом диапазоне 0.4 эВ–1.0 кэВ Детектор SETN
Спектр гамма-фотонов Спектр гамма-фотонов в энергетическом диапазоне 100КеВ – 8 МэВ с энергетическим разрешением не хуже 3% на линии 662 кэВ 137Cs с временным разрешением до 1 мкс. Детектор GRS

Для блока АДРОН-ДЭ применяются промышленные пропорциональные счетчики 3He (для регистрации нейтронного излучения), аналоги которых были использованы в российских приборах ХЕНД, НС ХЕНД, ДАН, МГНС (разработаны в ИКИ РАН). Электроника блока АДРОН-ДЭ основана на схемных решениях нашедших свое применение в указанных выше приборах и прошедших успешную проверку на длительную эксплуатацию в условиях космического полета и/или наземных испытаниях. Основные отличия конфигурации блока АДРОН-ДЭ от блока ДАН-ДЭ касаются использования сцинтиллятора на основе кристалла LaBr3.

Блок ДЭ включает в себя следующие основные узлы:

  • Два детектора STN, SETN, выполненные на основе пропорциональных счетчиков нейтронов. Отличие детекторов друг от друга - внешние экраны из кадмия (для SETN) и свинца (для STN).
  • Сцинтиблок, состоящий из детектора на основе кристалла LaBr3 выполненного в виде цилиндра и ФЭУ.
  • Узлы электроники.

Основные параметры Вверх

Масса : 3.8 кг - АДРОН-ДЭ
2.6 кг - АДРОН-ИНГ
Потребление : 4.5 Вт - ДЭ
14 Вт - ИНГ
Размеры : 270 x 215 x 110 мм - ДЭ
340 x 125 x 45 мм - ИНГ
Диапазон энергий : 0.025 эВ - 1.0 КэВ (нейтроны)
100КэВ – 6 МэВ (гамма)
Энергетическое разрешение (гамма) : 3% на 660 кэВ
Разрешение по времени : от 1 мкс
Разрешение на поверхности : ~3 м
Разрешение по глубине : ~1 м
Объем телеметрии : 20 Мб в день

Разработчики и соисполнители Вверх

Заказчик - Федеральное космическое агентство.

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

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

Работы по проекту АДРОН ведутся на основании Госконтракта № 361-9870/09 от 16.03.2009 г. (тема ОКР МСП«Луна-Ресурс»).

Работы по проекту АДРОН запланированы на период с 2009 по 2015 гг. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента) и 2015 – 2017 гг. (управление и обработка полученных данных).

 
ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова
(г. Москва)
Создание блока нейтронного генератора для прибора АДРОН.
Всероссийский научно-исследовательский институт минеральных ресурсов
(г. Москва)
Разработка сцинтилляционных блоков для регистрации быстрых нейтронов и гамма-квантов.
Объединенный Институт Ядерных Исследований
(г. Дубна, Московская обл.)
Математическое моделирование счетных характеристик прибора АДРОН; участие в разработке физической схемы прибора АДРОН, подготовка и проведение калибровок образцов прибора.
Институт Машиноведения РАН им. А.А. Благонравова
(г. Москва)
Создание математической модели механической конструкции прибора; участие в создании испытательной базы для прибора АДРОН в соответствии с требованиями НАСА; в подготовке методик проведения механических испытаний образцов и сопровождение испытаний образцов прибора.
Яндекс.Метрика

Redmine