Результаты работы в 2016 году.
ЗАДАЧА 1: ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДЕТЕКТОРЫ
С использованием созданной измерительной аппаратуры БУС и построенной экспериментальной установки ЭУ-ЯП-04 были проведены лабораторные работы по сопоставлению возможностей нейтронных генераторов на газонаполненных и вакуумных трубках для изучения состава планетного вещества методом нейтрон-активационного анализа. Показано, что оценку массовой доли породообразующих элементов С, O, Fe, Al, Si, N целесообразно проводить по реакциям неупругого рассеяния быстрых нейтронов активным гамма спектрометром с применением нейтронных генераторов с газонаполненными трубками. С другой стороны, генераторы с вакуумными трубками имеют преимущества при определении массовой доли таких элементов как H, O, Na, Mg, Al, Si, Са, Cl, Fe, Mn на основании изучения гамма линий радиационного захвата и активационных гамма линий. По результатам исследований было предложено применять разные типы нейтронных генераторов для исследований Венеры и Марса: с газонаполненной и вакуумной трубками, соответственно.
Планируется провести серию лабораторных испытаний на ЭУ-ЯП-04 с промышленным газонаполненным генератором ИНГ-27 меченых нейтронов с встроенным детектором альфы-частиц с целью изучения возможности понижения фона при измерениях ядерных гамма-линий породообразующих элементов. Это предложение включено в Заявку на продолжение данного проекта в 2017 – 2018 гг.
В экспериментах по облучению аналогов планетного вещества тепловыми и быстрыми нейтронами с применением аппаратуры БУС были проведены лабораторные работы по сопоставлению сцинтилляционного детектора на кристалле CeBr3 и детектора на высокочистом германии (HPGe) для планетных исследований. Показано, что несмотря на гораздо худшее энергетическое разрешение, сцинтилляционный детектор позволяет отождествить и измерить с высокой статистической значимостью базовый набор гамма-линий основных породообразующих элементов (H, O, Na, Mg, Al, Si, Са, Cl, Fe) и тем самым определить состав до 90% массовой доли планетного вещества. По результатам работы было предложено разработать и испытать лабораторный макет низкофонового гамма спектрометра, использующего метод меченных заряженных частиц галактических космических лучей для исследований на поверхности небесных тел. Это предложение также включено в Заявку на продолжение данного проекта в 2017 – 2018 гг.
В 2016 году изучались эксплуатационные свойства упрочнённых ФЭУ и пропорциональных счетчиков нейтронов, которые используются в космических экспериментах. Основное внимание уделялось возникновению шумов в измеряемом сигнале вследствие слабого (но постоянного) вибромеханического воздействия на борту космического аппарата (микрофонный эффект). Было обнаружено, что один из исследованных образцов ФЭУ (Hammamatsu R1840) проявляет указанный эффект при вибромеханическом воздействии с амплитудой выше 0.07 g. В связи с этим была разработана и испытана конструкция виброизоляторов, которые устанавливаются на посадочные места прибора и исключают вредное воздействие вибрации на измерительный тракт.
ЗАДАЧА 2: ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ЛАБОРАТОРНЫЕ ОТРАБОТКИ И МОДЕЛИРОВАНИЕ
Проведена физическая обработка данных экспериментов с «толстой мишенью» по облучению аналогов планетного вещества быстрыми нейтронами от вакуумного и газонаполненного импульсных генераторов (ЭУ-ЯП-04). В соответствующем разделе базы данных проекта РНФ размещены описание программы и методики проведенных работ, интегральные спектры измеренного гамма излучения от облучаемых мишеней-аналогов планетного вещества, профили гамма линий для основных породообразующих элементов H, O, Na, Mg, Al, Si, Са, Cl, Fe, зарегистрированные детекторами CeBr3 и HPGe. В базу данных также добавлены итоговые таблицы, показывающие статистическую значимость для всех зарегистрированных гамма линий.
Проведена физическая обработка данных экспериментов с «гамма-станцией» при облучении аналогов планетного вещества тепловыми нейтронами (ЭУ-ЯП-03). В соответствующем разделе базы данных проекта РНФ размещены описание программы и методики проведенных экспериментальных работ, интегральные спектры измеренного гамма излучения от мишеней-аналогов планетного вещества для детекторов CeBr3 и HPGe, перечень отождествленных ядерных гамма-линий с оценками их интенсивностей для всех исследованных образцов, включая сопоставление данных измерений с результатами численного моделирования.
ЗАДАЧА 3: АНАЛИЗ СОСТАВА ПЛАНЕТНОГО ВЕЩЕСТВА
Выполнено численное моделирование различных экспериментов, проведенных на установке ЭУ-ЯП-04, для верификации пакета программ АСПВ-Поверхность, позволяющего определять чувствительность метода нейтронного зондирования планетного вещества с помощью нейтронных генераторов разных типов и стационарных источников нейтронов высоких энергий для определения элементного состава основных породообразующих элементов и степени неоднородности их залегания в толще планетного грунта. Было проведено более десятка расчетов, позволяющих сопоставить результаты численных предсказаний с результатами измерений с помощью гамма-спектрометра CeBr3 интенсивности активационных гамма-линий основных породообразующих элементов (O, Na, Al, Mg, Si, Fe), образующихся при облучении планетного вещества импульсами нейтронного генератора. Была также определена чувствительность метода нейтронного зондирования для изучения неоднородностей (прежде всего в распределении H/H2O) в вертикальной структуре планетного вещества. Полученные результаты будут использованы для разработки перспективных гамма-спектрометров для будущих лунных и венерианских миссий.
По данным измерений на экспериментальной установке ЭУ-ЯП-03 и используя модификацию пакета программ АСПВ-Поверхность-ГКЛ была проведена первичная верификация пакета программ АСПВ-Орбита. Было проведено более 30 расчетов, позволяющих сопоставить результаты численного моделирования с измеренными при помощи гамма-спектрометров CeBr3 и HPGe интенсивностями гамма-линий радиационного захвата различных породообразующих элементов (Cr, Ti, Si), возникающих при облучении образцов и природных аналогов планетного вещества потоком тепловых нейтронов.
Таким образом, в 2016 году была завершена разработка и верификация пакетов программ для обработки данных космических экспериментов на борту посадочных аппаратов с использованием сквозных численных расчетов с целью определения состава планетного вещества на основе регистрации вторичного нейтронного и гамма-излучения поверхности планеты вследствие бомбардировки ГКЛ (АСПВ-Поверхность-ГКЛ) и вследствие облучения поверхности импульсами энергичных нейтронов от нейтронных генераторов (АСПВ-Поверхность-ИНГ). Кроме этого, создан пакет программ АСПВ-Орбита для численного моделирования данных нейтронных и гамма-спектрометров на борту орбитальных космических аппаратов.
На основе пакета программ АСПВ-Поверхность-ИНГ была разработана и верифицирована специальная модификация пакета программ АСПВ-Поверхность-ДАН. Эта модификация позволяет проводить сквозной численный расчет процесса измерений научной аппаратуры ДАН, работающей на поверхности Марса в составе марсохода Кьюриосити. На основе сопоставления данных эксперимента и численных расчетов, пакет АСПВ-Поверхность-ДАН даёт возможность оценить массовую долю воды и хлора для различных типов марсианских грунтов, отличающихся по структуре, плотности и элементному составу. С помощью этого пакета программ в настоящее время проводятся оценки содержания воды и хлора вдоль трассы движения марсохода в бассейне кратера Гейла, а также исследуются отдельные участки поверхности с индивидуальными характеристиками марсианского грунта (например, активные песчаные дюны).
Было проведено сравнение результатов численного моделирования лабораторных и космических экспериментов с помощью наиболее часто используемых в мировой практике ядерно-физических программных кодов MCNPX и Geant4. Было показано, что при общей сходимости результатов применение открытого программного кода Geant4 позволяет более гибко подходить к моделированию ядерно-физических процессов и получать большее разнообразие физических характеристик. Принято решение о целесообразности перевода указанных выше пакетов программ на Geant4.