月表岩石诱发γ辐射场原始谱特征模拟

赵剑锟 葛良全 张庆贤 卢贞瑞,2 罗耀耀

1（成都理工大学 核技术与自动化工程学院 成都 610059）2（中国科学院高能物理研究所 核技术应用研究中心 北京 100049）

月表岩石诱发γ辐射场原始谱特征模拟

赵剑锟1葛良全1张庆贤1卢贞瑞1,2罗耀耀1

1（成都理工大学 核技术与自动化工程学院 成都 610059）2（中国科学院高能物理研究所 核技术应用研究中心 北京 100049）

玄武岩、克里普岩、橄榄岩在月球表面广泛分布，并具有一定的代表性，并且岩石密度差异较大，高能粒子(Galactic Cosmic Rays, GCR；Solar Particle Event, SPE)与岩石相互作用后激发γ射线。利用蒙特卡罗软件FLUKA开展了月表高能质子诱发γ射线的研究，获取了月表多种成岩主元素的特征γ射线能量峰、正电子湮灭峰和γ辐射平衡峰等原始谱特征信息。通过数据分析表明特征峰强度与月表岩石密度呈正相关。原始谱特征的研究不仅可以为不同系列绕月γ数据的对比研究提供参考，也可为在全月表面进行基于核辐射方法的岩石密度填图研究提供理论支撑。

月表岩石，诱发γ辐射场，原始谱，FLUKA

自20世纪70年代以来，以美国为先导的系统性探月研究已持续了半个世纪，大量的月球电离辐射场分析模型相继被提出并收录于行星系统数据库(Planetary Data System, PDS)；此后，日本、印度和俄罗斯也相继开展了探月研究工作[1–2]。2005年，中国启动嫦娥探月工程以来，已通过嫦娥(CE)系列探月卫星上搭载的γ能谱仪获得了大量月表γ射线能谱数据[2–3]，为后续系统深入的探月工作奠定了基础。

现有的国内外月球表面电离辐射场的模拟研究方向主要有：一，宇宙射线传播规律与宇生核素生成的数值模拟；二，近月轨道或月表放射性核素产生γ射线强度和通量模拟[4–9]。不难看出，目前对月球电离辐射场的模拟研究多以几种关键元素（同位素）或其释放的特征γ射线为研究对象，主要关注探月能谱仪的仪器谱特征，在研究过程中对宇宙射线诱发月表岩石产生γ辐射过程均作了简化或忽略，鲜有针对月表多种特征岩石的诱发γ辐射场原始谱特征研究成果报道，对月表γ辐射场的特征描述不足。

另外，包括我国CE系列搭载的γ能谱仪(Gamma Ray Spectrometer, GRS)在内，世界各国采用的探月飞行器搭载了GRS在探测器、仪器性能、仪器指标上差异较大，所获取的仪器谱特征之间也存在较大的差异[1,3,10]，这在一定程度上增加了历次探月数据对比分析困难，不利于探月数据的综合有效利用。原始谱形态学特征的准确获取之后，由于探测器差异带来的γ能谱仪器谱的解析困难将被有效降低，一定程度上有利于探测环境本底扣除、目标元素特征γ射线净峰面积的求解，提高了月表浅层岩石地质响应反演的准确度与精度，在探月数据解译过程具有重要的研究意义。

1 诱发γ辐射场来源

月球环境中存在多种高能粒子，这些高能粒子与月表物质发生相互作用，形成诱发γ辐射场。从粒子来源分析，高能粒子主要包括太阳风粒子、太阳高能粒子和银河系宇宙射线粒子。按粒子能量进行划分，以上三种粒子中太阳风粒子的能量最弱,约为几千电子伏特，在月表物质中的穿透距离为纳米量级，故在本项研究中忽略其作用；太阳高能粒子（太阳宇宙射线）能量次之，能量范围1–100MeV，可在月表潜层物质中穿透深度达到1cm；能量最高为银河系宇宙射线，其能量范围为0.1–10GeV，在月球表面物质中的作用厚度达到数米。太阳能粒子和宇宙射线粒子中的主要成分均为质子，所占比例分别达到了98%和87%，因此，高能质子是诱发γ辐射场的主要激发源[11–12]。

月球外围无大气层包裹、磁场微乎其微，高能质子可以与月表浅层物质发生直接相互作用，核反应过程中产生大量高能的次级质子和快中子。快中子将会与月表物质发生多次碰撞，损失大部分能量，最终被原子核俘获。在快中子的非弹性碰撞和热中子俘获过程中，伴随产生不同能量γ射线，即在月球表面形成诱发γ辐射场[12–15]。

2 月表主要岩石类型及成分

迄今为止，学术界公认的月表岩石类型是包括非月海原岩石、角砾岩、月海火山岩和月海玄武岩在内的4大类，不少于20种岩石。本文选取其中具有代表性的6种岩石为研究对象，分析在高能质子激发条件下形成的诱发γ辐射场特性，月表典型岩石成分如表1所示。

表1 月球表面岩石成分含量(%)[16]Table 1 Components of some representative lunabase (%)[16].

3 FLUKA模拟计算

FLUKA是欧洲核子研究委员会(European Organization for Nuclear Research, CERN)开发并提供维护更新的一种通用蒙特卡罗模拟软件，其历史可以追溯至20世纪60年代初Ranft编写的用于模拟强子碰撞过程的一种专用程序，经过半个世纪（三个阶段）的发展，时至今日已经广泛应用于质子、电子加速器屏蔽设计，探测器设计，宇宙射线，中微子物理等领域[17–22]。该软件的模块化设计较MCNP等软件更完善，任务编写更简洁，物理过程清晰，针对特别的需求，也可通过Fortran接口单独设计。

为减小模拟过程中的统计方差，提高抽样效率，采用了等效高度法对探测距离进行了处理；诱发γ辐射场形成过程和FLUKA计算模型如图1所示。

模拟计算中的主要参数[4,8–9]及简化设置如下：

(1) 地质体模型：忽略月表地形起伏，以半径R=200cm、厚度为d=200cm的圆柱代替月岩，假设元素均匀分布，成分如表1所示。

(2) 激发源：近似点源，垂直入射地质体，质子能量0.1GeV，该能量的质子广泛存在于太阳能粒子和银河系宇宙射线中[11–13]。

(3) 探测器：为排除由于探测器材料响应带来干扰，获得较准确的原始谱特征信息，设置半径r=20cm的虚拟探测器，探测距离为H=150cm。

(4) 探测γ射线能量范围：0.01–10MeV，分成2048个能量箱。

图1 质子诱发γ辐射的蒙特卡罗模型Fig.1 Monte Carlo model for proton-induced gamma ray.

4 结果分析与讨论

(1) 将模拟结果与CE-GRS、LP (Lunar Prospector)-GRS实测谱线进行比较，检验模型正确性。由于数据量级上存在差异，所以将三条谱线数据分别进行归一化处理，以便更直观地反映谱线特征信息，如图2所示。GRS实测月表γ射线谱由两部分组成：(a) 各种能量的γ射线与月表介质发生多次康普顿效应产生的散射光子的能量连续沉积谱；(b) 月表元素的离散特征γ射线序列。以上两部分谱线经过叠加最终形成了实测γ能谱。高能γ射线与月表介质相互作用产生的电子对，正负电子湮灭释放出能量为0.511MeV的两个光子。因此，在仪器谱上形成了一个明显且强度较大的γ射线峰，该特征同模拟结果相一致。原始谱模拟结果和实测能谱在上述谱线形态特征上具有较好的一致性且峰位信息准确。

图2 模拟结果与GRS实测数据比较Fig.2 Comparison between simulating result and GRS.

模拟与实测谱线之间存在若干差异，可解释为：(a) 天然放射性核素特征γ射线不是诱发γ射线原始谱模拟研究内容，所以模拟谱线中未出现U/Th/K等核素射线信息并且模拟结果本底相对计数远低于实测本底，特征射线相对位置未受干扰；(b) 根据模拟结果可知：γ射线连续谱应向较低能端聚集，并在能量为0.127MeV的位置处形成一个明显的“光电-康普顿散射平衡峰”（以下简称“平衡峰”，见图2中A峰）。实际测量中受CE-GRS探测器能量探测限的影响，低于0.16MeV的谱线信息无法准确采集，最终实测谱线中未能出现A峰，而LP-GRS数据中的该段谱线有所体现。

综合上述分析，在FLUKA平台建立的该模型能定性反映月表γ辐射场的相关特征，可适用于诱发γ辐射场原始谱特征研究。

(2) 现有的实物研究资料表明，月表的KREEP较其他岩石不同，其主要以众多的小碎片和小颗粒、月尘以及堆积角砾岩等松散的堆积形式存在，密度相对其它岩石较低(＜ 2.0 g·cm−3)，且其中硅、镁元素含量较高。根据KREEP岩的以上特征，分别对密度为0.5 g·cm−3、1.0 g·cm−3、1.5 g·cm−3、2.0 g·cm−3的4个模型进行分析，研究月表上覆不同成熟度（松散程度，与密度呈负相关）KREEP的诱发γ辐射场的特征，结果如图3所示。定性分析可知：KREEP岩产生电子湮灭峰计数和“平衡峰”计数随着成熟度降低（即密度提高）逐渐增高，并且增长速率有逐渐放缓的趋势。利用KREEP岩的诱发γ辐射场的该特征可定性比较和分析月表覆盖KREEP岩堆积松散程度，实现KREEP覆盖区域边界划分。

图3 不同密度KREEP诱发伽马射线模拟结果Fig.3 Simulating result of KREEP in different densities.

(3) 与KREEP不同，其它几种岩石赋存形式更为多样，密度范围跨度大，通过对不同岩石的模拟结果进行对比发现如下共同特征：(a) 辐射平衡峰位均出现在同一位置(0.127MeV)处，这说明该峰位置不受岩石种类和致密程度的影响；(b) 随着密度的不断增加，不同岩石γ谱平衡峰计数都呈现出增长的趋势且逐渐饱和；图4以高铝玄武岩诱发γ谱低能段为例，图4中清晰可见：当密度大于2.0g·cm−3之后平衡峰计数的增长出现明显放缓的趋势，当密度大于3.0g·cm−3后，峰位计数趋于饱和。因此利用平衡峰强度信息来进行全月表岩石密度研究，在理论上是可行的。

图4 诱发γ射线原始谱低能段特征（以高铝玄武岩为例）Fig.4 Characteristics in low energy of cosmic-induced gamma original spectrum (high alumina basalt).

5 结语

通过FLUKA平台对月表诱发γ射线原始谱进行了模拟分析，为不同系列探测器采集数据的对比研究提供了一定的参考。在对月球表面几种具有代表性的岩石进行模拟分析，结果表明可以利用γ谱平衡峰强度信息进行月表岩石密度划分。随着我国探月工程的不断推进，高精度性能优异的绕月γ探测器将得以应用，月球γ能谱特征将从实测中得到解析，并为月球表面γ谱的分析提供依据。

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Simulation study on original characteristic spectrum of gamma radiation field cosmic-induced on lunabase rocks

ZHAO Jiankun1GE Liangquan1ZHANG Qingxian1LU Zhenrui1,2LUO Yaoyao1

1(College of Applied Nuclear Technology and Automation Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu 610059, China) 2(Application of Nuclear Technology Research Center, Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: With large differences in mass density, Basalt, KREEP and Dunite are representative and widely distributed on lunar surface. Cosmic-induced γ-ray is produced after energetic particles (Galactic Cosmic Rays, GCR; Solar Particle Event, SPE) impacting on lunabase rocks. Purpose: This study aims at discovering the factors of cosmic-induced γ-ray spectrum and then utilizing the gamma ray data for lunar exploration more efficiency. Methods: A Monte Carlo model for proton-induced gamma ray is designed for the FLUKA simulation software to research cosmic-induced gamma original spectrum. Data analysis is applied to find the relationship between the characteristic spectrum and the densities of lunabase rocks. Results: The model is appropriate to simulate cosmic-induced γ-ray original spectrum. A great variety of original spectrum characteristics, such as energies of main elements, positron annihilation peak and radiation balanced peak, are acquired. Conclusion: A positive correlation is found between mass density of lunabase rock and characteristic peak intensity. These researches for original spectrum can be applied to comparing different lunar gamma-ray spectrum and rock mass density mapping on lunar surface as a reference.

Lunabase, Cosmic-induced gamma field, Original spectrum, FLUKA

TL99

10.11889/j.0253-3219.2015.hjs.38.110501

国家863计划(No.2012AA061803)、国家自然科学基金(No.41374136、No.41474159)、四川省科技支撑计划项目(No.2015RZ0010)资助

赵剑锟，男，1988年出生，2012年毕业于成都理工大学，现为博士研究生，核技术及应用专业

葛良全，E-mail: glq@cdut.edu.cn

2015-03-02，

2015-07-10

CLC TL99