Нейтронный спектрометр НС-ХЕНД для космического аппарата «Фобос-Грунт»

Задачи проекта Вверх

Исследование элементного состава поверхности Фобоса методами нейтронной и гамма спектроскопии. Полученные данные распределения основных породообразующих элементов и возможных ледяных отложений на Фобосе позволит выяснить условия его образования и характер эволюции. Кроме того, прибор может использоваться для выбора наиболее перспективного и интересного места для посадки КА «Фобос-грунт» на спутник Марса и забора грунта для возврата на Землю.

Назначение НС ХЕНД состоит в обеспечении физических измерений потоков нейтронов высоких энергий и гамма квантов во время межпланетного перелета, на орбите вокруг Марса, на этапе работы около Фобоса и при посадке на его поверхность.

Принцип работы Вверх

В основе инструмента НС-ХЕНД лежит принцип регистрации вторичных нейтронов и гамма-квантов, которые рождаются в 1–2 метровом приповерхностном слое грунта Фобоса, свободно облучаемого заряженными частицами космических лучей.

Родившиеся в грунте нейтроны высоких энергий замедляются и поглощаются ядрами основных породообразующих элементов через ядерные реакции неупругого рассеяния (в основном для быстрых нейтронов) и захвата (в основном для медленных и тепловых нейтронов), порождая "лес" ядерных линий гамма-излучения с характерными энергиями, соответствующими определенным химическим элементам. Линейчатый спектр гамма-излучения является уникальным "отпечатком пальцев" содержащим информацию об элементном составе поверхности этого спутника Марса.

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.

Потому присутствие водорода или воды, как основного широко распространенного водородосодержащего соединения влияет как на спектральный состав нейтронного альбедо, так и на спектр гамма линии, в котором, в этом случае начинают доминировать линии поглощения нейтронов.

Конструкция прибора и размещение на борту Вверх

НС-ХЕНД сконструирован в виде моноблока состоящего из узлов управляющей электроники, детекторов тепловых, эпитепловых и быстрых нейтронов. Кроме этого в состав НС-ХЕНД включен узел гамма-спектрометра для измерения ядерных линий основных породообразующих элементов.

Прибор НС-ХЕНД включает в себя следующие основные узлы:

  • Три детектора SD, SD/Cd и MD, выполненные на основе пропорциональных счетчиков нейтронов. Отличаются детекторы внешними экранами – замедлителем из полиэтилена для детектора MD и кадмиевым экраном для детектора SD/Cd.
  • Нейтронный сцинтиблок NS, состоящий из двух детекторов IN и OUT. Детектор IN (стильбен), выполнен в виде цилиндра, находится внутри пластикового детектора OUT (POPOP), выполненного в форме стакана с толстыми стенками. Каждый детектор состоит из сцинтиллятора и ФЭУ.
  • Гамма сцинтиблок GRS, состоящий из детектора на основе кристалла LaBr3 выполненного в виде цилиндра и ФЭУ.
  • Узлы электроники:
    • Узел основного электронного блока (Узел Actel);
    • Узел вторичного источника питания;
    • Узел детектора на основе кристалла LaBr3 (плата GreenStar);
    • Узел FRE - электроника детекторов SD, MD и LD;
    • Узел высоковольтного питания (плата HV);
    • Узел детектора OUT на основе ФЭУ DR5611 (узел DR5611);
    • Узел детектора IN на основе ФЭУ DR1840 (узел DR1840);
    • Электроника ФЭУ DR5611;
    • Электроника ФЭУ DR1840;
    • Плата разделения сигнала (селектора импульсов) от ФЭУ DR1840.

Изделие обеспечивает измерения физических величин на этапе перелета к Марсу и на орбите вокруг Марса, около Фобоса и на его поверхности согласно табл. 1.

Таблица 1

Физическая величина Измеряемые характеристики Измерительный блок
Поток тепловых и эпи-тепловых нейтронов Поток отсчетов от нейтронов в энергетическом диапазоне 0.01 - 1.0 КэВ Детектор SD
Поток эпи-тепловых нейтронов Поток отсчетов от нейтронов в энергетическом диапазоне 0.4 эВ – 1.0 кэВ Детектор SD/Cd
Поток резонансных нейтронов Поток отсчетов от нейтронов в энергетическом диапазоне 1.0 кэВ –1.0 МэВ Детектор MD
Поток нейтронов высоких энергий Спектр отсчетов от протонов отдачи регистрируемых нейтронов в энергетическом диапазоне 1.0 МэВ - 10 МэВ Детектор IN
Спектр гамма-фона Спектр отсчетов от гамма-фотонов в энергетическом диапазоне 300 кэВ - 10 МэВ Детектор IN
Спектр фонового потока рентгеновских лучей Спектр отсчетов от рентгеновских лучей в энергетическом диапазоне 30 кэВ - 1.0 МэВ Детектор OUT
Спектр гамма-фотонов Спектр отсчетов от гамма-фотонов в энергетическом диапазоне 100КеВ – 8 МэВ с энергетическим разрешением не хуже 4% на линии Cs137. Детектор GRS

На рис. 1 показан общий вид прибора НС-ХЕНД.

Рис. 1.Общий вид прибора НС-ХЕНД

Детекторы тепловых и эпитепловых нейтронов основаны на пропорциональных счетчиках, наполненных 3He с использованием кадмия и полиэтилена в качестве внешней оболочки для регистрации эпитепловых нейтронов. Регистрация нейтронов в гелиевых газонаполненных счетчиках происходит благодаря ядерной реакции нейтронного захвата:

3He + n= 3H + p + 765keV

Аналоги таких детекторов были использованы в российском приборе ХЕНД разработанном в ИКИ РАН, который до сих пор успешно работает на борту межпланетной станции «Mars Odyssey».

Детектор быстрых нейтронов в диапазоне энергий от 300 кэВ до 15 МэВ содержит сцинтилляционный детектор на основе кристалла стильбена, окруженный внешним пластиковым сцинтиллятором для защиты его от заряженных частиц космических лучей. Регистрация быстрых нейтронов в органическом кристалле происходит по протонам отдачи вещества кристалла. Аналог такого детектора был использован в российском приборе ХЕНД.

Узел гамма-спектрометра включает измерительный многоканальный измерительный тракт и детектор гамма – излучения на сцинтилляционном кристалле нового поколения LaBr3, превосходящего своих классических предшественников (таких как CsI) по энергетическому разрешению и эффективности регистрации.

НС-ХЕНД размещается на научной палубе посадочного модуля космического аппарата «Фобос-Грунт». Он будет связан специальным контролируемым тепловым интерфейсом с КА, и будет изолирован слоем ЭВТИ от открытого космического пространства. За сохранение рабочей температуры инструмента от –40oC до + 40oC будут отвечать системы посадочного аппарата. Электрические интерфейсы, интерфейсы данных и команд разрабатываются в соответствии с требованиями проекта. Предварительное размещение НА НС-ХЕНД показано на рисунке 2.

Рис. 2.Размещение прибора НС-ХЕНД на борту аппарата «Фобос-Грунт»

Основные параметры Вверх

Гарантийный срок :5 лет
Масса : 3.8 кг
Потребление : 9 Вт
Размеры : 230 x 290 x 240 мм
Диапазон энергий : от тепловых энергий до 15 МэВ
Энергетическое разрешение (гамма) : 3% на 660 кэВ
Разрешение по глубине : 1-2 м
Объем телеметрии : 30 Мб в день

Разработчики и соисполнители Вверх

Заказчик - Федеральное космическое агентство.

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

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

Работы по проекту НС-ХЕНД ведутся на основании Госконтракта № 025-5443/02 от 12.04.2006 г. между Роскосмосом и ИКИ РАН и включены в Федеральную космическую программу России на 2006-2015 гг. Включение ОКР по разработке НС ХЕНД в проект КА «Фобос - Грунт» принято на основании Решения Совета по космосу РАН.

Работы по проекту НС-ХЕНД запланированы на период с 2005 по 2011 гг. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента) и 2011 – 2014 гг. (управление и обработка полученных данных).

 
Научно-производственное объединение им С.А. Лавочкина
(г. Химки, Московская обл.)
Заказчик прибора. Испытания инструмента в составе комплексного стенда «Фобос - Грунт». Интеграция прибора в состав КА. Управление работой. Получение телеметрии и научных данных с борта. Контроль телеметрии и обработка данных.
Объединенный Институт Ядерных Исследований
(г. Дубна, Московская обл.)
Математическое моделирование счетных характеристик прибора НС-ХЕНД. Участие в разработке физической схемы прибора НС-ХЕНД. Подготовка и проведение калибровок образцов прибора на естественных и искусственных источниках нейтронов.
Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН
(ИМАШ, г. Москва)
Создание математической модели механической конструкции прибора. Участие в создании испытательной базы для прибора НС-ХЕНД в соответствии с требованиями проекта и в подготовке методик проведения механических испытаний образцов. Сопровождение испытаний образцов прибора.
Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе
(г. Санкт-Петербург)
Анализ условий образования нейтронного альбедо Фобоса и зависимости его спектра от температуры для обработки научных данных.
ФГУП Научно-инженерный центр "Специализированный научно-исследовательский институт приборостроения"
(г. Москва)
Разработка схемных решений по электронике в части сцинтилляционного тракта регистрации быстрых нейтронов.
Всероссийский институт минеральных ресурсов Министерства природных ресурсов РФ
(г. Москва)
Разработка сцинтилляционного блока для регистрации быстрых нейтронов.
Яндекс.Метрика

Redmine