月球(火星)中子(水冰)探测仪初步方案研究

郭文瑾 吴先明 王 俊

(兰州物理研究所,兰州 730000)

1 引言

开展对月球、火星等星体的水冰探测具有重要的工程与科学意义。水是支持生命系统的基本要素之一,水冰的发现有助于载人登月工程的实施;水冰等已在月球上封存几十亿年,能够提供月球演化历史以及月球与彗星等小型天体碰撞的记录和信息。火星上是否能找到水或者水冰,将直接回答火星上是否存在生命或曾经存在过生命这一科学问题;另外水还可以为火星探测提供重要支持;存在水的区域将成为火星上首批接受宇航员探测的地区,以便进一步确定火星上是否有生命存在的迹象。

月球、火星的水冰探测主要有三种方法:无线电水冰探测、红外水冰探测和中子水冰探测。

无线电水冰探测是通过向天体表面发射无线电波,利用无线电波的反射特征探测冰面的存在,但这种方法本身准确性差,而且不能定量探测水冰的含量。

虽然红外光谱仪也可以探测到水冰在3μm 处、羟基在2.8μm 处的特征吸收线, 但红外探测仅能探测到月球或者火星表面很浅的深度,通常在几毫米以内。

中子(水冰)探测仪可通过对天体表面反射中子的探测方式实现对水冰的探测。由于中子的穿透性能强,中子水冰探测仪可以探测到相对较深的区域,比如能探测到火星表面以下50cm 到1m 的深度;且结合由γ射线探测仪提供的对土壤元素与成分分析,中子(水冰)探测仪的精度较高。

2 国外研究和应用情况

高能宇宙射线与月球等天体表面物质作用时会释放中子和其它亚原子粒子;其中一些中子的能量高,能直接逃离月表进入宇宙,称为快中子;另一些中子射入月表物质并与其它原子碰撞。在逃逸过程中,如果中子碰撞的是较重原子,那么撞击过程损失的能量不多,仍然会以接近初始速度运动,这些中子称为超热中子。如果中子与其质量大小接近的氢原子相碰撞,则中子速度将明显变慢、能量锐减。如果月球、火星表面某个区域氢含量高,那么任何在这个区域运动的中子在从月表逃逸进入宇宙之前都会被快速“冷却”,速度明显变慢、能量锐减,成为热中子。如果探测到某个区域的超热中子流的下降,则表明该区域存在一定含量的氢元素,氢是组成水的重要元素,结合对氢元素的存在形式的分析和判断,从而推断该区域是否存在水冰。这就是中子水冰探测最基本的原理[1-2]。

2.1 中子谱仪

1998年美国的月球勘探者号(Lunar Prospector)上搭载了中子谱仪(Neutron Spectrometer,NS),2001年奥德赛(Odyssey)火星探测器上搭载了美国的中子谱仪。下面以Odyssey 上使用的中子谱仪(见图1)为例介绍其原理。

图1 中子谱仪结构Fig.1 Detection principle of neutron spect rometer and structure of detector head

NS 设计用来探测三个能量段的中子:热中子、超热中子和快中子。探测仪呈盒状,被分割成4 个棱柱状的部分。每个棱柱是一个装有硼的闪烁探测仪。当被高能粒子撞击的时候,闪烁探测仪发出闪光。这些棱柱闪烁体光学上相互隔离,每个棱柱由一个分开的光电倍增管监视。光电倍增管放大来自闪烁探测仪的光能,并向探测电路发送信号。装置的两端覆盖厚的镉片,以保护棱柱状闪烁体不受来自两端方向中子的干扰。朝向下面的棱柱闪烁体的外表面也覆盖着镉片,这样它仅仅响应能量超过热中子能段的中子。

月球勘探者号探测到大量的氢,推断为以水的形式存在。水冰在南北两极都存在,北极明显多于南极。科学家经过分析推断月球水冰的含量为每极约30 亿吨。地表下的离散的、禁锢的水冰大致沉积于50cm 的干燥月壤之下。Odyssey 上的中子谱仪探测到的数据用于和高能中子探测仪探测数据的联合分析。

2.2 高能中子探测仪

高能中子探测仪(High Energy Neutron Detector,HEND)由俄罗斯制造,搭载于2001年发射的美国的Odyssey 火星探测器上。HEND 在一套仪器中集成了4 个粒子探测仪和一个电路板。传感器包括三个正比计数器:小型探测设备(SD)、中型探测设备(MD)、大型探测设备(LD)以及双闪烁体探测设备(SC),大、中、小型探测设备分别由正比计数器外面包围不同厚度的聚乙烯慢化剂构成。双闪烁体探测设备包括两个闪烁体探测仪。正比计数器使用核反应法探测中子。正比计数管内发生反应3He+n →3H +p+765keV 反应热变成质子和氚的动能。质子和氚引起氦的电离,由电离作用产生的脉冲来探测中子。闪烁体探测仪探测中子的过程是快中子打在氢核上通过n-p 弹性散射产生反冲质子,反冲质子引起闪烁体的特征荧光而被光电倍增管记录,信号经过处理电路读出[3-5]。

正比计数器和双闪烁探测设备对于不同能量的中子有不同的灵敏度, 当所有这些仪器都打开,HEND 能够测量一个很宽能量区间的中子(0.4eV～10.0M eV)。三个正比计数器能探测0.4eV 至1MeV 能量段的中子,双闪烁体探测设备包括二苯乙烯做成的内部闪烁探测仪和外部反符合探测仪,能够探测300keV～10.0MeV 能量段的中子。

俄罗斯科学家通过分析Odyssey 中子(水冰)探测仪的探测数据认为在火星南极下面藏着1 000万平方千米的冰面,南纬60°区域富冰层大约表面以下60cm,南纬75°区域大约在表面以下30cm 以内。此外太阳系的最高峰——火星奥林波斯山的山坡上也存在大量的水体。对于纬度±40°区域内水的存在形式既可能是矿物中的化合物水,也可能是土壤颗粒中的物理状态的吸收水[6-8]。

2.3 月球勘探中子探测仪

月球勘探中子探测仪(Lunar Exploration Neutron Detector,LEND)(见图2)由俄罗斯制造,搭载于2008年美国的月球勘测轨道器(Lunar Reconnaissance O rbiter)上,整台仪器共有9 个独立的传感器用来探测热中子、超热中子和快中子。8 个用来探测热中子和超热中子的3He 计数器和1 个用来探测高能中子的二苯乙烯闪烁探测仪[9]。

图2 LEND 结构示意图Fig.2 S tructure of LEND

月球勘测中子探测仪相比于快中子探测仪最重要的区别在于其增加了准直模块。该模块的最主要的功能是吸收来自窄视场外的中子。中子准直的概念如图3 所示。中子准直器提供一个窄视场,直接来自星体表面的视场内超热中子流被探测仪记录,而绝大部分视场外的中子则被吸收掉。准直器外面有聚乙烯层对入射中子进行慢化,里面有10B层对中子进行有效吸收。对于在50km 高轨道上的探测仪来说,准直技术以水平方向5km 的分辨率提供来自月球表面的超热中子的发射图像。而HEND 是在400km 的火星轨道上以300km 的分辨率进行中子探测。

LEND 以视角5.6°提供月球全球的氢分布图,其中LEND 观测的主要目标是分布在极地周围永久阴影区的陨坑。LEND 能够从选择出的陨坑中探测出从30ppm 到150ppm 的氢,相应可以推断出风化层中存在的水含量在0.03～0.15w t%(w t 代表质量含量)之间。

图3 LEND 准直器原理图Fig.3 Principle of LEND collimator

2.4 中子反射动能测量仪

中子反射动能测量仪(Dynamic Albedo of Neutrons,DAN)原计划搭载于美国将发射的“火星科学实验室”(Mars Science Laboratory,M SL)上。DAN 设备包括两个独立的单元:DAN 探测仪和电子学(DAN-DE)以及DAN 脉冲中子发生器(DANPNG)。DAN 探测仪的原理和设计主要继承搭载于Odyssey 上的HEND,包括两个正比计数器。包括中子管和高压电子学在内,脉冲中子发生器的主要功能继承于工业产品ING-101。在一个中子脉冲期间,加速的氘离子在氚靶通过反应:D+T →4He+n 产生能量为14M eV 的中子流[10]。

DAN 的测量模式有两种:主动测量模式和被动测量模式。所有的主动测量包括DAN-PNG 的启用。DAN-PNG 将发射选定频率的中子脉冲,并向火星表面辐射,以产生热中子以及超热中子的动力学反射,由DAN-DE 探测。这种模式在巡视探测器运动的短暂停顿期间使用,短时间(＜2min)的测量以满足对水分布的粗略估计,精度约为1%。长时间(大于30min)的测量将探测水的垂直分布精度0.1%～0.3%。被动测量模式用以扩展关于火星表面的知识,脉冲中子发生器关闭期间,在DAN 操作计划中,将使用被动测量监视平均水含量,以进行在巡视探测器下面火星土壤近表结构的最初估计。这种测量将需要细致的校准及去除由巡视探测器散热器产生的背景辐射,将产生DAN 探测仪计数统计。DAN 的被动测量也可以用于对自然中子背景的连续监测,以估计辐射剂量。在一个大的太阳(粒子)事件期间,DAN 的被动测量将帮助监视太阳事件的演化,并估计在太阳耀斑的条件下中子辐射剂量。

3 我国研制中子(水冰)探测仪的初步方案设想

轨道器上使用的中子(水冰)探测仪,利用的是宇宙射线与天体表面物质碰撞形成的天然中子源。而在天体表面使用的中子(水冰)探测仪,除了可以利用天然中子源外,还可自身携带中子发生器作为中子源。本文针对提出的中子(水冰)探测仪方案是利用天然中子源进行水冰探测,适合搭载于轨道器上。

对于探测仪本身而言,用于月球和用于火星的中子(水冰)探测仪在构造方面没有大的差别,不同的是,由于火星大气的存在,会与从火星表面发射的中子碰撞或者吸收掉部分中子,在最后的结果分析中,需要考虑火星大气的成分和密度,并对探测结果进行修正。

3.1 基本组成

设计方案中的探测仪主要包括3He 正比计数器和闪烁体探测仪。

3He 正比计数器用于探测能量小于1MeV 的中子,作为正比计数器外包围的聚乙烯慢化剂,其主要优点是轻质和富含氢,氢元素对宇宙射线具有良好的吸收与散射性能。使用闪烁体探测仪探测能量较高的快中子,考虑到空间环境效应、发光效率和衰减时间等因素闪烁体选择有机闪烁体二苯乙烯。这种闪烁体对于中子、γ射线和质子等带电粒子都非常敏感。

3.2 初步方案

3.2.13He 正比计数器的设计

在3He 正比计数器外包围不同厚度的聚乙烯层,确保正比计数器能探测不同能量区间的中子。图4、图5 和图6 分别是覆盖三种不同厚度聚乙烯层的正比计数器的结构示意图。图4 中的聚乙烯层厚度薄,图5 中的聚乙烯层为中等厚度,图6 中的聚乙烯层较厚,并采用了两种不同的聚乙烯材料。聚乙烯层的厚度,根据需要探测的中子能量值,通过蒙特卡罗模拟计算方法确定。其中镉层的作用是它能很好地吸收能量小于0.4eV 的中子和反冲质子。

图43H e 正比计数器(包围薄层聚乙烯)Fig.43He proportional counter(with thin layer of polyethylene)

图53He 正比计数器(包围中等厚度聚乙烯层)Fig.53He proportional counter(with medium layer of polyethylene)

图63H e 正比计数器(包围厚层聚乙烯)Fig.63He proportional counter(with thick layer of polyethylene)

聚乙烯层为圆柱形,3He 正比计数管被圆柱形的聚乙烯层包围。中子源是各向同性的单点源。鉴于探测的中子能量不同, 聚乙烯层的厚度也不同。3He 正比计数器的效率通过蒙特卡罗模拟计算方法得到。计算结果示于图7、图8 和图9。中子的能量不同,与最大探测效率对应的聚乙烯层的厚度可以从图上找到。表1 列出了聚乙烯的厚度值。

图7 中子的能量为10eV 时, 聚乙烯的厚度与3H e 正比计数管探测效率的关系Fig.7 Relation between polyethylene thickness and detection efficiency of3H e proportional counter, with 10eV of the neutron

图8 中子的能量为1keV 时,聚乙烯的厚度与3H e 正比计数管探测效率的关系Fig.8 Relation between polyethylene thickness and detection efficiency of3H e proportional counter, with 1keV of the neutron

3.2.2 闪烁体探测仪设计

我们的方案中使用有机闪烁体二苯乙烯,它可以甄别中子和γ射线。对于带电粒子,它在外面设置了无机闪烁体(CsI)专门测量,其信号可以作为测量中子和γ射线的反符合信号,从而保证了中子和γ射线的测量不受带电粒子的影响。图10 为闪烁体探测仪的结构示意图。

图9 中子的能量为1MeV 时,聚乙烯的厚度与3He 正比计数管探测效率的关系Fig.9 Relation between polyethylene thickness and detection efficiency of3He proportional counter, with 1MeV of the neutron

表1 不同入射中子能量对应的聚乙烯层的厚度Table 1 Thickness of polyethylene layer corresponding to the incident neutrons with different energy

图10 闪烁体探测仪结构示意图Fig.10 Structure of scintillator detector

3.3 数据分析方法

中子(水冰)探测仪直接得到的是中子流量数据,需要首先将其转化为氢的含量。由于土壤中的氢含量是土壤深度的函数,需要建立不同的土壤模型,结合具体的模型,选择某一特定地区将其氢含量进行归一化,运用蒙特卡罗模拟计算方法最终得到氢的含量及分布。另外,由于大气与中子会发生作用,对于火星这类具有大气的天体,需要考虑大气的成分和含量对结果进行修正。根据氢元素存在形式的判断,最终可以将氢含量转化为水冰的含量。

3.4 方案特点

本方案通过采用4 个探测仪对不同能量的中子进行探测, 对于能量较低的中子的探测我们使用3He 正比计数器,这样可对不同能量段的中子数据进行分析,具体探测结果和探测精度有待在以后的研究中进行验证。

4 结束语

中子(水冰)探测仪在月球、火星以及太阳系的其它天体的水冰探测中起重要作用。在充分调研和研究中子(水冰)探测仪研制关键技术的基础上,完成了我国探测仪的中子(水冰)初步设计方案,并将开展地面模拟实验研究,以验证对空间天体水冰探测的能力。

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