www.iki.rssi.ru

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

Задачи проекта

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

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

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

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 –40^oC до + 40^oC 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

Разработчики и соисполнители

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.

АМС была запущена 9 ноября 2011 года, однако в результате нештатной ситуации, когда не произошло расчётного срабатывания маршевой двигательной установки перелётного модуля, межпланетная станция не смогла покинуть окрестности Земли, оставшись на низкой околоземной орбите. 15 января 2012 года АМС сгорела в плотных слоях земной атмосферы.