www.iki.rssi.ru

Детектор эпитепловых нейтронов высокого разрешения ФРЕНД для проекта «ExoMars»

Введение

Прибор ФРЕНД (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector) миссии ExoMars Trace Gas Orbiter 2016 года создаётся для картографирования потоков нейтронов с поверхности Марса с высоким пространственным разрешением. Потоки нейтронов от поверхности планеты позволяют судить о содержании водорода в приповерхностном слое глубиной до одного метра. Создание таких карт необходимо для возможности более точно выбирать места посадки будущих марсианских миссий.

ФРЕНД содержит 4 ³He счетчика, регистрирующих нейтроны с энергиями в диапазоне от 0.4 кэВ до 500 кЭв, сцинтиллятор на основе кристалла стильбена для регистрации высокоэнергетических нейтронов с энергиями до 10 МэВ. Все эти датчики имеют узкое поле зрения с размером пиксела в 40 км на поверхности Марса.

Кроме того, прибор содержит дозиметрический блок, осуществляющий постоянное мониторирование радиационной обстановки на орбите планеты.

Прибор создаётся в рамках совместной миссии Роскосмоса и ЕКА «ЭкзоМарс» для установки на орбитальном аппарате Trace Gas Orbiter 2016го года.

Миссия ЭкзоМарс

Совместная Российско-Европейская миссия «ЭкзоМарс» включает в себя 4 аппарата, два из которых были запущены 16 марта 2016, а ещё два будут запущены ракетой-носителем Протон в 2020 году.

В составе первого запуска к Марсу улетели орбитальный аппарат Trace Gas Orbiter (TGO), на борту которого установлены российские и европейские приборы, и Entry Descent and Landing Demonstrator Module (EDM), созданные ЕКА. TGO в настоящее время продолжает работать на орбите и будет картогорафировать поверхность планеты минимум 2 земных года, EDM планировал осуществить демонстрацию посадки на планету и базовые измерения марсианского климата, но к сожалению разбился (хоть и успел передать целый ряд важных данных во время снижения).

Второй запуск, в 2020 году, отправит к Марсу посадочную платформу с набором научной аппаратуры, создаваемую Роскосмосом, внутри которой на поверхность будет доставлен марсоход Розалинд Франклин, создаваемый ЕКА, и содержащий российские и европейские приборы. Оба аппарата рассчитаны на длительную работу на поверхности Марса.

Наследие

В 2001 году на борту миссии НАСА Марс Одиссей начал свою работу российский прибор ХЕНД (High Energy Neutron Detector), содержащий схожий с ФРЕНДом набор датчиков (3 ³He детектора). За 13 лет работы этого прибора им были созданы подробные карты нейтронных потоков и, как следствие, содержания водорода в приповерхностном слое. ХЕНД имеет всенаправленное поле зрения своих счетчиков и поэтому пространственное разрешение прибора – «от горизонта до горизонта», что в случае с орбитой Марс Одиссея составляет порядка 600 км. Такое разрешение недостаточно для подробного и детального изучения распределения приповерхностного водорода, а также затрудняет процесс выбора мест посадки для планируемых марсианских миссий.

Для сужения поля зрения нейтронного детектора необходимо поместить его внутрь коллиматора, который смог бы ограничить его поле зрения небольшим пятном на поверхности планеты под спутником. Такой коллиматор должен быть непрозрачным для нейтронов, прилетающих из направлений, отличных от надира.

До сих пор коллимация нейтронного потока для сужения поля зрения космического нейтронного прибора была применена лишь однажды, в российском приборе ЛЕНД (Lunar Exploration Neutron Detector на борту миссии НАСА Лунный Разведывательный Орбитер), и доказала свою работоспособность. При помощи этого прибора были созданы карты нейтронных потоков Луны с пространственным разрешением в 5 км.

Прибор ФРЕНД создаётся по образу и подобию двух своих предшественников, приборов ХЕНД и ЛЕНД и максимально использует отработанные и проверенные технологии этих приборов.

Цели и задачи

Основными научными целями прибора ФРЕНД являются:

• Создание карт потоков эпитепловых и быстрых нейтронов от поверхности Марса с пространственным разрешением 40 км
• Создание карт содержания водорода в приповерхностном грунте Марса глубиной до 1.5м с разрешением в 40 км;
• Сопоставление потоков нейтронов от поверхности Марса в зависимости от сезонного цикла;
• Сопоставление данных орбитальных измерений с данными аналогичных приборов других миссий, как орбитальных, так и посадочных;
• Мониторинг потоков нейтронов и заряженных частиц во время солнечной активности и в периоды спокойного солнца;
• Мониторинг радиационной обстановки на орбите вокруг Марса, включая состояние гелиосферы на расстояниях от 1 до 1.5 AU от солнца и на марсианской орбите, изучение индивидуального вклада электронов, протонов и HZE-частиц в дозу на орбите вокруг Марса.

Технические особенности

Метод создания карт высокого разрешения

Для создания карт нейтронов (эпитепловых, тепловых и быстрых) и водорода, ФРЕНД использует набор из 4 ³He детекторов и одного сцинтиляционного кристалла на основе стильбена.

Детекторы ³He – пропорциональные счётчики, наполненные гелием под давлением в 6 атм, расположены в 4х отверстиях коллиматора ФРЕНД. Каждый из детекторов ведет независимое накопление отсчетов нейтронов, что позволяет повысить статистику измерений (и таким образом повысить статистическую достоверность карт), а так же повышает отказоустойчивость прибора.

Данный вид детекторов измеряет потоки нейтронов с энергиями в диапазоне от 0.4 до 500 кэВ. Сцинтиляционный счетчик – счетчик на основе кристалла стильбена, измеряющий потоки быстрых нейтронов с энергиями от 0.5 до 10 МэВ. Он так же расположен внутри коллиматора. В сцинтиляционном блоке предусмотрена антисовпадательная защита, обеспечивающая разделение сигнала выскоэнергетичных заряженных частиц и нейтронов.

Коллимационный модуль ФРЕНД представляет собой полностью пассивный элемент конструкции, внутри которого располагаются все пять детекторов прибора. Наружный слой коллиматора выполнен из полиэтилена высокой плотности, внутренний – из порошка обогащенного бора (B₁₀). Нейтроны, попадающие на стенки коллиматора, сначала затормаживаются полиэтиленовым слоем, содержащим большое количество атомов водорода. Далее термализованные нейтроны попадают в слой B₁₀ и поглощаются этим материалом.

Угол раскрытия коллиматора позволяет сузить поле зрения детекторов прибора до пятна диаметром 40 км на поверхности Марса с круговой орбиты в 400 км, предусмотренной TGO. Это позволит улучшить пространственное разрешение существующих нейтронных карт Марса в 7,5 раз по сравнению с картами прибора ХЕНД.

Дозиметрия

Дозиметрический модуль «Люлин-МО» осуществляет измерение потока, поглощенной дозы и мощности дозы заряженных частиц космического излучения, а также спектра их ионизационных потерь на борту КА TGO. По спектру ионизационных потерь, регистрируемому в детекторах дозиметра, определяется спектр линейной передачи энергии (ЛПЭ) в веществе тканей тела человека, что необходимо для определения эквивалентной дозы космического излучения.

Основными задачами, решаемыми дозиметром являются:

• Радиационное зондирование трассы Земля-Марс, околомарсианской орбиты и поверхности Марса применительно к задаче обеспечения радиационной безопасности перспективных космических аппаратов.
• Проведение ЛКИ системы детектирования потока, дозы и спектра линейной передачи энергии космического излучения с целью использования подобных систем в составе средств радиационного контроля перспективных КА.
• Уточнение сведений о радиационной обстановке в межпланетном пространстве и на поверхности Марса применительно к задаче оценки уровня облучения систем космического аппарата и обеспечения радиационной безопасности экипажей при проведении пилотируемых межпланетных полетов.

«Люлин-МО» измеряет поток, поглощенную дозу и мощность поглощенной дозы заряженных частиц космического излучения, а также спектр их ионизационных потерь и спектры энерговыделений в детекторах прибора. Детекторная система блока представляет собой два телескопа детекторов, каждый из которых состоит из 2-х кремниевых полупроводниковых детекторов с чувствительной площадью 2 см². Энергетическое разрешение дозиметра не хуже 100 кэВ в диапазоне энерговыделений в детекторе 100 кэВ÷8 МэВ и не хуже 350 кэВ в диапазоне 8 МэВ÷70 МэВ.

Конструкция

Общий вид прибора ФРЕНД представлен на рисунке 1:

Рис. 1. Общий вид ФРЕНД

Прибор состоит из блоков электроники и дозиметрии, отдельно располагающихся в верхней части рисунка, блока коллиматора (несколько составных секций), закрывающего детекторы прибора от излучения вне направления в надир, и собственно пяти детекторов (на рисунке не видны).

Крепление прибора к аппарату осуществляется через посадочные места, изображенные в нижней части рисунка. На противоположной стороне прибора находится радиатор, обеспечивающий тепловой режим прибора.

Рисунок 2 показывает сечение прибора и внутреннюю структуру коллиматора и детекторов:

Рис. 2. Внутренняя структура ФРЕНД

Основные параметры

Основные результаты

Научная фаза миссии КА ТГО началась в мае 2016 года продлится минимум один марсианский год, до мая 2020 года. За это время ожидается, что прибор ФРЕНД составит карту распределения воды в приповерхностном грунте на глубине до 1м с пространственным разрешением до 60 км в отдельных областях, а дозиметрический модуль составит профиль радиационной обстановки на орбите марса за всё время измерений. В настоящий момент измерения только начались, но опубликованы результаты измерений на перелёте – ФРЕНДом и дозиметром.

Разработчики и соисполнители

Заказчик - Федеральное космическое агентство.

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

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

Работы по проекту ФРЕНД ведутся на основании Госконтракта 025-8120/13/446 от 23.12.2013 (тема ОКР ЭкзоМарс-ЯФ)

Работы по проекту ФРЕНД запланированы на период с 2012 по 2018 гг. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента) и 2018 – 2020 гг. (управление и обработка полученных данных).