γ源辐射角度对光子高度计性能的影响分析

张楠 吴世通 沈超

（北京空间机电研究所，北京 100094）

0 引言

我国“神舟”飞船返回舱回收着陆过程中，首先利用降落伞阻力将其减速至某一稳降速度，返回舱触地前，着陆反推发动机点火工作，使返回舱再次减速并实现安全着陆[1]。其中，反推发动机的点火指令由γ光子高度计触发。而在需要着陆的月球探测任务中，反推发动机在着陆阶段维持着陆器缓速下降，当着陆器降低到预定的近月面高度时，关闭反推发动机，使着陆器以自由落体的方式着陆。我国月球着陆器的低高度测高方法借鉴了“神舟”飞船，即采用γ光子高度计实现测高并发出指令关闭反推发动机[2]。早在前苏联时期，以Lunar-21为代表，成功利用γ光子高度计实现了探测器月面软着陆。俄罗斯圣彼得堡机器人研究所对于一些因素（如真空、月尘等因素）对γ光子高度计应用性能的影响有成熟的研究分析，而目前国内对γ光子高度计性能仿真研究尚处于起步阶段。

γ光子高度计由发射器和接收处理器组成。发射器辐射γ光子，接收处理器接收经着陆面散射的光子，不同的高度对应的光子计数是不同的。γ源屏蔽体主要有两个作用：一是在操作人员安装放射源时起到保护作用，二是决定屏蔽体的遮挡范围。发射器辐射角度大小对接收的光子计数有直接影响，产品设计时要选择合适的辐射角度。着陆器距离着陆面高度和放射源的强度一定时，辐射角度越大，光子与着陆面发生相互作用的有效面积越大，从而直接影响了接收处理器接收到的光子计数。

本文介绍了γ光子高度计的工作原理，通过建立月球着陆器结构模型和物理模型，在不同的高度下仿真计算不同辐射角度对应的光子计数，得到了月球环境下γ源辐射角度对光子高度计性能的影响规律，从而为产品设计提供参考。

1 γ光子高度计工作原理

γ光子高度计的发射器由γ源和屏蔽体组成，γ源在衰变过程中以辐射角度θ辐射γ光子，屏蔽体辅助γ源也以θ角辐射γ光子，光子穿越空间介质（扬尘、发动机羽流和宇宙射线）后，经着陆面散射的一部分光子被接收处理器捕获。接收处理器由闪烁探测器和后续处理电路组成，闪烁探测器由闪烁体和光电倍增管组成，经着陆面散射的光子由闪烁体接收，闪烁体的原子或分子受激而产生荧光，荧光光子被收集到光电倍增管的光阴极，通过光电效应打出光电子，电子运动并倍增，由阳极输出回路输出电流信号给后续处理电路[3]。γ光子高度计工作原理过程，如图1所示。图中，S为光子与着陆面发生相互作用的有效面积。接收处理器每秒接收的光子计数即光子计数率与着陆器距离月球表面高度，存在如图2所示的对应关系[4]。

图1 γ光子高度计工作原理Fig.1 The principle of gamma photons altimeter

图2 不同高度对应光子计数的示意Fig.2 Photons counting corresponding to differentheights

2 γ源辐射角度对计数影响的仿真

发射器辐射角度大小对接收的光子计数有直接影响，产品设计时要选择合适的辐射角度。着陆器距离着陆面高度及放射源的强度一定时，辐射角度越大，与光子发生相互作用的着陆面面积越大，从而直接影响了接收处理器接收到的光子数。

2.1 仿真平台

仿真计算依靠基于蒙特卡罗方法的粒子输运程序软件（Monte Carlo N-Particle Transport Code,MCNP）进行，MCNP是基于蒙特卡罗（Monte Carlo,MC）方法的软件包，用于计算三维复杂几何结构中的中子、光子、电子或者耦合中子/光子/电子输运问题，也具有计算核临界系统（包括次临界和超临界系统）本征值问题的能力[5-8]。

本文在准确构建空间分布和物质元素组成的前提下，利用MCNP程序包模拟放射源以一定的角度出射单能γ光子，光子经过空间介质散射吸收，再由着陆面多次康普顿散射后以一定的角度和能量分布进入接收处理器的过程。

2.2 仿真模型

本文在MCNP软件平台基础上建立月球环境下简化月球着陆器结构模型，然后改变结构模型中γ光子高度计源辐射角度的大小，仿真计算高度一定时不同源辐射角度对应的接收处理器光子计数。

2.2.1 结构模型

本文中，简化月球着陆器仿真结构模型主要包括，底板及底板下的着陆腿和足垫、对接环和发动机喷管，如图3所示。γ光子高度计安装于着陆器底板下方，其发射器及接收器与着陆器底板相对位置关系如图4所示。

图3 着陆器结构示意Fig.3 The sketchmap of lander

图4 γ光子高度计与着陆器底板相对位置示意Fig.4 The sketchmap of relative positional of gamma photons altimeter and lander floor

2.2.2 物理模型

γ光子与物质的相互作用主要包括康普顿效应、光电效应和电子对效应。γ光子与原子的核外电子发生非弹性碰撞，γ光子的一部分能量转移给电子，使它脱离原子成为反冲电子，而散射光子的能量和运动方向发生变化的过程称为康普顿效应；当低能γ光子与物质原子中的束缚电子作用时，光子把全部能量转移给某个束缚电子并使之发射，入射光子消失的效应为光电效应；随着入射光子能量的增高，光电效应的吸收作用很快减弱，康普顿效应也逐渐减弱，当光子能量大于1.02MeV时，就可能发生电子对效应，即光子完全被吸收而产生一正、负电子对[9]。

对于不同能量的γ光子和阻止介质，光电效应、康普顿散射、电子对效应所起的作用是不同的，图5给出了这3种效应与吸收体原子序数Z和光子能量关系。

图5 3种效应与吸收体原子序数、光子能量关系Fig.5 The relations between three effects and the absorber atomic number photon energy

由图5可知，对于低能γ射线和原子序数高的吸收物质，光电效应占优势；对于中能γ射线和原子序数低的吸收物质，康普顿散射占优势；对于高能γ射线和原子序数高的吸收物质，电子对效应占优势。

本仿真中γ源放出能量为0.662MeV的光子，与月壤中的Fe、Mg、O等原子序数较低元素的电子相互作用时，以康普顿散射为主并伴有少部分的光电效应。

2.3 仿真计算及结果分析

仿真计算中进行了如下假设：

1）放射源为点源，各向同性发射单能γ光子[10]；

2）近似处理后的着陆器结构元素均假设为等效的单一元素Al，着陆器底板以上其它结构的影响忽略不计；

3）着陆器在下降过程中保持水平状态，并假设着陆面平坦；

4）程序编写中，假设存在一个足够大的空间，粒子穿越出空间会被自动终止；

5）月球环境按真空处理，忽略羽流影响，月壤及月尘的密度和物质元素组成按照“阿波罗14号”登月点的矿物成分编写。

在上述假设条件下，利用MCNP软件平台进行了相应的仿真计算。仿真中高度定义为着陆器底板到月球表面的垂直距离，分别计算2.4m、2.5m、2.6m和2.7m高度时，0°～180°范围内43个γ源辐射角度值对应的闪烁体接收到的光子计数。仿真结果如图6所示。

图6 光子计数随辐射角度变化曲线Fig.6 The photons counting w ith radiation angle

仿真结果表明：

1）辐射角度一定时，光子计数随着高度的降低而增加；

2）高度一定，辐射角度在0°～116°范围内时，光子计数随辐射角度以图6所示的趋势增加；在116°～180°范围内时，光子计数随γ源辐射角度变化趋于平缓，即源辐射角度对光子计数的影响几乎可忽略不计。

随着辐射角度的增加，光子与着陆面相互作用的有效面积S越来越大，接收处理器接收的光子计数也呈增加的趋势。如果辐射角度达到180°即γ源位于屏蔽体下面一点，屏蔽体只对向上辐射的光子起到屏蔽作用，光子与着陆面相互作用的有效面积S为无穷大，接收处理器直接接收γ源辐射的光子，光子计数达到最大值。由于γ光子高度计是通过测量光子计数测量高度的，高度一定时，接收到的光子计数越多，其测量精度越高。根据仿真结果可知，辐射角度大于116°时，光子计数接近最大值，且随辐射角度变化波动较小。因此，发射器设计时可在[116°,180°]范围内选择辐射角度。

3 结束语

本文采用月球着陆器简化模型，仿真分析了放射源辐射角度对光子计数的影响，仿真计算结果表明：辐射角度在[116°,180°]范围内时，测量高度对应的光子计数较大而且随辐射角度变化较平稳，产品设计时应在此区间内选择辐射角度。本文的分析结果可以为未来我国自主设计γ光子高度计合理确定其发射器内放射源的辐射角度提供理论依据。

由于γ光子高度计工作环境复杂，本文仅对月球着陆器水平着陆的状态进行了仿真分析，着陆器倾斜姿态及月球表面不平坦的情况尚需进一步研究。

（References）

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