Результаты работы в 2015 году.


ЗАДАЧА 1: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ.
Во второй год реализации Проекта в рамках ЗАДАЧИ 1 были завершены исследования спектрометрических параметров сцинтилляционного детектора гамма-лучей с инновационным кристаллом из бромида церия. Экспериментально показано, что применение бромида церия для спектроскопии гамма-лучей в широком энергетическом диапазоне до 3 МэВ позволяет значительно повысить отношение сигнал-шум для ядерных линий по сравнению с аналогичным детектором из бромида лантана. Сопоставление измеренных спектров гамма-линий, полученных при облучении нейтронами образцов-аналогов планетного вещества со спектрами, измеренными промышленным полупроводниковым детектором гамма-лучей, показало, что сцинтилляционные детекторы на основе бромида церия позволяют отождествить и измерить основные ядерные линии породообразующих элементов. По результатам исследований в рамках проекта РНФ были выработаны рекомендации по применению бромида церия для создания бортовых детекторов гамма-лучей для перспективных космических проектов по изучению Луны, Марса, Венеры и других небесных тел солнечной системы.

Во втором Проекта в рамках ЗАДАЧИ 1 были также проведены лабораторные исследования по изучению применимости полупроводниковых фото-электрических умножителей (ПП-ФЭУ) для светосбора в сцинтилляционных детекторах гамма-лучей и нейтронов. Важными конструктивными преимуществами ПП-ФЭУ для бортовых космических приборов по сравнению с традиционными электронными вакуумными ФЭУ (ЭВ-ФЭУ) являются меньший вес, объем и отсутствие необходимости в высоком напряжении для регистрации отсчетов. Было показано, что изученный опытный образец ПП-ФЭУ пока не обладает необходимой однородностью амплитудных характеристик отдельных регистрирующих элементов, которая соответствовала бы результирующему спектральному разрешению гамма-спектрометра, сопоставимому с разрешением у детекторов на основе ЭВ-ФЭУ. Изучение возможностей применения опытного образца ПП-ФЭУ для детекторов нейтронов с кристаллом из стильбена показало, что от ПП-ФЭУ требуется существенное сокращение времени измерения профилей импульсов отсчетов для того, чтобы обеспечить возможность эффективного разделения отсчетов от гамма-лучей и от нейтронов на основе аналоговой схемы разделения. Таким образом, по результатам исследований второго года проекта выработаны рекомендации по необходимым доработкам ПП- ФЭУ для того, чтобы сделать возможным их применение для спектрометров гамма-лучей и для детекторов нейтронов высоких энергий.

В рамках исследований по ЗАДАЧЕ 1 во втором году проекта также были изучены условия возникновения помех от «микрофонного эффекта» в сцинтилляционных детекторах нейтронов и гамма-лучей с ЭВ-ФЭУ под воздействием вибромеханических нагрузок на борту космических аппаратов. Для конкретного типа ЭВ-ФЭУ установлено, что эффект наступает уже при амплитуде воздействия около 0.05 g. При увеличении амплитуды вибрации эффект наблюдается все в более широком частотном диапазоне, и при амплитуде около 0.3 g он наблюдается практически во всем частотном диапазоне от 300 Гц до 1 кГц. Вибромеханические испытания будут продолжены в третьем году проекта для выбора оптимального ФЭУ для создания перспективного сцинтилляционного детектора космического применения.


ЗАДАЧА 2: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ОТРАБОТКИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ.
Исследования в области ЗАДАЧИ 2 проводились на двух специально созданных экспериментальных установках Объединенном институте ядерных исследований (ОИЯИ). На установке ЭУ-ЯП-1/2 были продолжены начатые в первом году физические измерения вторичного нейтронного излучения от образцов-аналогов планетного вещества под воздействием импульсов нейтронов с энергий 14 МэВ от нейтронного генератора с вакуумной трубкой. Мишень представляла собой массивную стеклянную призму, в которой на глубине от поверхности от 0 до 60 см находился слой полиэтилена, имитирующий слой водяного льда в планетных условиях. Полученные результаты подтвердили теоретические оценки чувствительности метода нейтронного зондирования к наличию водосодержащего слоя на глубинах от 0 до 60 см. Эти результаты нашли свое применение для анализа и интерпретации данных измерений активным нейтронным спектрометром ДАН на борту марсохода НАСА «Кюриосити» в кратере Гейл на Марсе.

После завершения измерений с мишенью ЭУ-ЯП-01/02 она была разобрана и на ее основе была собрана новая мишень ЭУ-ЯП-04 с добавлением между слоями стекла слоев из сплавов алюминия и железа. Кроме того, для моделирования присутствия хлора были использованы листы из полимера. Их количество было подобрано таким образом, чтобы воспроизвести в первом приближении состав основных породообразующих элементов в веществе Марса (~27% кремния, ~38% кислорода, ~13% железа, ~8% натрия, ~5% алюминия, ~5% кальция и ~2% магния). На установке ЭУ-ЯП-04 была начата обширная программа исследований с применением детекторов гамма-лучей и нейтронов для изучения вторичного излучения от мишени под воздействием импульсов нейтронного генератора с вакуумной трубкой. Измерены профили гамма-линий относительно момента импульсного облучения нейтронами. Показано, что на основе анализа этих профилей можно определить элементный состав облучаемого вещества. Эту программу исследований на ЭУ-ЯП-04 предполагается продолжить в третьем 2016 году реализации проекта, причем для нейтронного зондирования будет также применяться как имеющийся в распоряжении импульсный нейтронный генератор с вакуумной трубкой, так и дополнительный генератор с газонаполненной трубкой. Генератор с вакуумной трубкой позволяет регистрировать гамма-линии только от реакций захвата, а генератор с газонаполненной трубкой также позволит регистрировать линии от реакций неупругого рассеяния нейтронов на ядрах вещества мишени. Известно, что для надежного измерения элементного состава вещества по спектру гамма- излучения с поверхности небесного тела под воздействием галактических космических лучей или импульсов нейтронного генератора необходимо иметь в распоряжении базу данных ядерных гамма-линий основных породообразующих элементов и также их изотопов, возникающих вследствие облучения нейтронами. Во втором году проекта в рамках ЗАДАЧИ 2 в ОИЯИ на установке ЭУ-ЯП-03 была продолжена программа лабораторных измерений ядерного гамма- излучения от образцов породообразующих элементов в поле тепловых и эпитепловых нейтронов. Были измерены энергии и относительные интенсивности гамма-линий от хлорида натрия. В третьем 2016 г. проекта эти измерения будут продолжены для оксидов основных породообразующих элементов, таких как SiO2, Al2O3, TiO2, MgO, CaO2, Cr2O3 и др.


ЗАДАЧА 3: АНАЛИЗ СОСТАВА ПЛАНЕТНОГО ВЕЩЕСТВА.
Численное моделирование ядерных процессов в рамках ЗАДАЧИ 3 проекта является необходимым элементом экспериментальных ядерно-физических исследований состава поверхности небесных тел. При этом для получения достоверных результатов в космических ядерно-физических исследованиях пакеты программ для численного моделирования необходимо отрабатывать и верифицировать на основе сопоставления численных расчетов с результатов лабораторных измерений. В рамках исследований по ЗАДАЧЕ 3 были проведены расчеты потоков нейтронов для разной глубины залегания слоя полиэтилена в мишени стекло+полиэтилен под воздействием импульсов нейтронного генератора с вакуумной трубкой. Было показано хорошее согласие результатов расчетов потока вторичных нейтронов с экспериментальными данными, полученными на установке ЭУ-ЯП-01/02. Также были проведены численные расчеты вторичного нейтронного и гамма-излучения для мишени со слоями из сплавов алюминия, железа и полимера на установке ЭУ-ЯП-04. Хорошее согласие численных и экспериментальных результатов потоков гамма-лучей и нейтронов на ЭУ-ЯП-04 подтвердило высокую достоверность выполненных расчетов по моделированию ядерно-физических процессов в образце-аналоге планетного вещества. Для обработки данных космического эксперимента ЛЕНД на борту лунного спутника НАСА ЛРО в рамках исследований по ЗАДАЧЕ 3 были проведены расчеты потока излучения нейтронов с поверхности Луны для двухслойной модели распределения водосодержащего реголита под поверхностью. На основе этих расчётов было установлено, что в веществе лунного полярного кратера Кабео содержание воды в водосодержащим слое под верхним слоем сухого реголита составляет от 0,54% по массе для пренебрежимо тонкого верхнего слоя до 11% по массе в том случае, если толщина верхнего сухого слоя составляет 100см.

В первый и второй годы реализации проекта численные вычисления проводились на высокопроизводительных персональных компьютерах, которые, тем не менее, не позволяли получить численный результат для интерпретации данных одного измерения за время, меньшее одних суток. Существовала парадоксальная ситуация, при которой время около 15 минут, необходимое для одного измерения, оказывалось примерно в 100 раз меньше времени, необходимого для численного моделирования этого измерения и интерпретации полученных экспериментальных данных. Эта ситуация была особенно неблагоприятной для проведения эксперимента ДАН на Марсе – после получения данных измерений в сеансе связи с марсоходом требовалось около двух суток для их научной интерпретации – за это время марсоход мог уехать на несколько сотен метров от района измерений. Ситуация принципиально изменилась в конце второго года выполнения этого проекта, когда за средства РНФ для работ по ЗАДАЧЕ 3 была закуплена и введена в строй вычислительная кластерная система ВКС-ЯП. Проведенные тестовые расчеты по численному моделированию параметров нейтронного и гамма-излучения вещества небесных тел показали, что ВКС-ЯП позволяет в 60 раз сократить время расчетов и обеспечить практически синхронную обработку данных измерений. С применением ВКС-ЯП была проведена детальная обработка данных космического эксперимента ДАН по активному нейтронному зондированию вещества поверхности Марса с борта марсохода НАСА «Кюриосити». На основе совместной обработки данных для 412 отдельных активных измерений вдоль трассы продолжительностью около 11 км было установлено, что примерно в 78% изученных районов распределение воды по глубине можно считать однородным, а ее средняя массовая доля в верхнем слое толщиной около 60 см составляет 2.1 ± 0.5%. В 22% случаев измерений данные достоверно указывают на двухслойный характер распределения воды в грунте до глубины около 60 см. Во всех этих районах среднее содержание воды в верхнем слое составляет около 2–3% по массе и близко к значению для однородного распределения воды по глубине. В 8% районов массовая доля воды в нижнем слое на глубине 27 ± 18 см увеличивается до 5.6 ± 2.7%. Напротив, в 14% районов в нижнем слое на глубине 14 ± 7 см наблюдается уменьшение массовой доли воды до 1.2 ± 0.5%. Для интерпретации результатов измерений для трассы протяженностью около 11 км сделан вывод о существовании в кратере Гейл районов с высоким и низким содержанием воды в грунте, которые соответствуют древним горизонтам осадочных пород, образовавшимся в различные эпохи в истории Марса в процессах осаждения частиц вещества на поверхность, которое имело место в водной и атмосферной средах, соответственно.