月球(火星)中子(水冰)探測(cè)儀初步方案研究

郭文瑾 吳先明 王 俊

(蘭州物理研究所,蘭州 730000)

1 引言

開(kāi)展對(duì)月球、火星等星體的水冰探測(cè)具有重要的工程與科學(xué)意義。水是支持生命系統(tǒng)的基本要素之一,水冰的發(fā)現(xiàn)有助于載人登月工程的實(shí)施;水冰等已在月球上封存幾十億年,能夠提供月球演化歷史以及月球與彗星等小型天體碰撞的記錄和信息。火星上是否能找到水或者水冰,將直接回答火星上是否存在生命或曾經(jīng)存在過(guò)生命這一科學(xué)問(wèn)題;另外水還可以為火星探測(cè)提供重要支持;存在水的區(qū)域?qū)⒊蔀榛鹦巧鲜着邮苡詈絾T探測(cè)的地區(qū),以便進(jìn)一步確定火星上是否有生命存在的跡象。

月球、火星的水冰探測(cè)主要有三種方法:無(wú)線電水冰探測(cè)、紅外水冰探測(cè)和中子水冰探測(cè)。

無(wú)線電水冰探測(cè)是通過(guò)向天體表面發(fā)射無(wú)線電波,利用無(wú)線電波的反射特征探測(cè)冰面的存在,但這種方法本身準(zhǔn)確性差,而且不能定量探測(cè)水冰的含量。

雖然紅外光譜儀也可以探測(cè)到水冰在3μm 處、羥基在2.8μm 處的特征吸收線, 但紅外探測(cè)僅能探測(cè)到月球或者火星表面很淺的深度,通常在幾毫米以內(nèi)。

中子(水冰)探測(cè)儀可通過(guò)對(duì)天體表面反射中子的探測(cè)方式實(shí)現(xiàn)對(duì)水冰的探測(cè)。由于中子的穿透性能強(qiáng),中子水冰探測(cè)儀可以探測(cè)到相對(duì)較深的區(qū)域,比如能探測(cè)到火星表面以下50cm 到1m 的深度;且結(jié)合由γ射線探測(cè)儀提供的對(duì)土壤元素與成分分析,中子(水冰)探測(cè)儀的精度較高。

2 國(guó)外研究和應(yīng)用情況

高能宇宙射線與月球等天體表面物質(zhì)作用時(shí)會(huì)釋放中子和其它亞原子粒子;其中一些中子的能量高,能直接逃離月表進(jìn)入宇宙,稱(chēng)為快中子;另一些中子射入月表物質(zhì)并與其它原子碰撞。在逃逸過(guò)程中,如果中子碰撞的是較重原子,那么撞擊過(guò)程損失的能量不多,仍然會(huì)以接近初始速度運(yùn)動(dòng),這些中子稱(chēng)為超熱中子。如果中子與其質(zhì)量大小接近的氫原子相碰撞,則中子速度將明顯變慢、能量銳減。如果月球、火星表面某個(gè)區(qū)域氫含量高,那么任何在這個(gè)區(qū)域運(yùn)動(dòng)的中子在從月表逃逸進(jìn)入宇宙之前都會(huì)被快速“冷卻”,速度明顯變慢、能量銳減,成為熱中子。如果探測(cè)到某個(gè)區(qū)域的超熱中子流的下降,則表明該區(qū)域存在一定含量的氫元素,氫是組成水的重要元素,結(jié)合對(duì)氫元素的存在形式的分析和判斷,從而推斷該區(qū)域是否存在水冰。這就是中子水冰探測(cè)最基本的原理[1-2]。

2.1 中子譜儀

1998年美國(guó)的月球勘探者號(hào)(Lunar Prospector)上搭載了中子譜儀(Neutron Spectrometer,NS),2001年奧德賽(Odyssey)火星探測(cè)器上搭載了美國(guó)的中子譜儀。下面以O(shè)dyssey 上使用的中子譜儀(見(jiàn)圖1)為例介紹其原理。

圖1 中子譜儀結(jié)構(gòu)Fig.1 Detection principle of neutron spect rometer and structure of detector head

NS 設(shè)計(jì)用來(lái)探測(cè)三個(gè)能量段的中子:熱中子、超熱中子和快中子。探測(cè)儀呈盒狀,被分割成4 個(gè)棱柱狀的部分。每個(gè)棱柱是一個(gè)裝有硼的閃爍探測(cè)儀。當(dāng)被高能粒子撞擊的時(shí)候,閃爍探測(cè)儀發(fā)出閃光。這些棱柱閃爍體光學(xué)上相互隔離,每個(gè)棱柱由一個(gè)分開(kāi)的光電倍增管監(jiān)視。光電倍增管放大來(lái)自閃爍探測(cè)儀的光能,并向探測(cè)電路發(fā)送信號(hào)。裝置的兩端覆蓋厚的鎘片,以保護(hù)棱柱狀閃爍體不受來(lái)自兩端方向中子的干擾。朝向下面的棱柱閃爍體的外表面也覆蓋著鎘片,這樣它僅僅響應(yīng)能量超過(guò)熱中子能段的中子。

月球勘探者號(hào)探測(cè)到大量的氫,推斷為以水的形式存在。水冰在南北兩極都存在,北極明顯多于南極。科學(xué)家經(jīng)過(guò)分析推斷月球水冰的含量為每極約30 億噸。地表下的離散的、禁錮的水冰大致沉積于50cm 的干燥月壤之下。Odyssey 上的中子譜儀探測(cè)到的數(shù)據(jù)用于和高能中子探測(cè)儀探測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)合分析。

2.2 高能中子探測(cè)儀

高能中子探測(cè)儀(High Energy Neutron Detector,HEND)由俄羅斯制造,搭載于2001年發(fā)射的美國(guó)的Odyssey 火星探測(cè)器上。HEND 在一套儀器中集成了4 個(gè)粒子探測(cè)儀和一個(gè)電路板。傳感器包括三個(gè)正比計(jì)數(shù)器:小型探測(cè)設(shè)備(SD)、中型探測(cè)設(shè)備(MD)、大型探測(cè)設(shè)備(LD)以及雙閃爍體探測(cè)設(shè)備(SC),大、中、小型探測(cè)設(shè)備分別由正比計(jì)數(shù)器外面包圍不同厚度的聚乙烯慢化劑構(gòu)成。雙閃爍體探測(cè)設(shè)備包括兩個(gè)閃爍體探測(cè)儀。正比計(jì)數(shù)器使用核反應(yīng)法探測(cè)中子。正比計(jì)數(shù)管內(nèi)發(fā)生反應(yīng)3He+n →3H +p+765keV 反應(yīng)熱變成質(zhì)子和氚的動(dòng)能。質(zhì)子和氚引起氦的電離,由電離作用產(chǎn)生的脈沖來(lái)探測(cè)中子。閃爍體探測(cè)儀探測(cè)中子的過(guò)程是快中子打在氫核上通過(guò)n-p 彈性散射產(chǎn)生反沖質(zhì)子,反沖質(zhì)子引起閃爍體的特征熒光而被光電倍增管記錄,信號(hào)經(jīng)過(guò)處理電路讀出[3-5]。

正比計(jì)數(shù)器和雙閃爍探測(cè)設(shè)備對(duì)于不同能量的中子有不同的靈敏度, 當(dāng)所有這些儀器都打開(kāi),HEND 能夠測(cè)量一個(gè)很寬能量區(qū)間的中子(0.4eV～10.0M eV)。三個(gè)正比計(jì)數(shù)器能探測(cè)0.4eV 至1MeV 能量段的中子,雙閃爍體探測(cè)設(shè)備包括二苯乙烯做成的內(nèi)部閃爍探測(cè)儀和外部反符合探測(cè)儀,能夠探測(cè)300keV～10.0MeV 能量段的中子。

俄羅斯科學(xué)家通過(guò)分析Odyssey 中子(水冰)探測(cè)儀的探測(cè)數(shù)據(jù)認(rèn)為在火星南極下面藏著1 000萬(wàn)平方千米的冰面,南緯60°區(qū)域富冰層大約表面以下60cm,南緯75°區(qū)域大約在表面以下30cm 以內(nèi)。此外太陽(yáng)系的最高峰——火星奧林波斯山的山坡上也存在大量的水體。對(duì)于緯度±40°區(qū)域內(nèi)水的存在形式既可能是礦物中的化合物水,也可能是土壤顆粒中的物理狀態(tài)的吸收水[6-8]。

2.3 月球勘探中子探測(cè)儀

月球勘探中子探測(cè)儀(Lunar Exploration Neutron Detector,LEND)(見(jiàn)圖2)由俄羅斯制造,搭載于2008年美國(guó)的月球勘測(cè)軌道器(Lunar Reconnaissance O rbiter)上,整臺(tái)儀器共有9 個(gè)獨(dú)立的傳感器用來(lái)探測(cè)熱中子、超熱中子和快中子。8 個(gè)用來(lái)探測(cè)熱中子和超熱中子的3He 計(jì)數(shù)器和1 個(gè)用來(lái)探測(cè)高能中子的二苯乙烯閃爍探測(cè)儀[9]。

圖2 LEND 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 S tructure of LEND

月球勘測(cè)中子探測(cè)儀相比于快中子探測(cè)儀最重要的區(qū)別在于其增加了準(zhǔn)直模塊。該模塊的最主要的功能是吸收來(lái)自窄視場(chǎng)外的中子。中子準(zhǔn)直的概念如圖3 所示。中子準(zhǔn)直器提供一個(gè)窄視場(chǎng),直接來(lái)自星體表面的視場(chǎng)內(nèi)超熱中子流被探測(cè)儀記錄,而絕大部分視場(chǎng)外的中子則被吸收掉。準(zhǔn)直器外面有聚乙烯層對(duì)入射中子進(jìn)行慢化,里面有10B層對(duì)中子進(jìn)行有效吸收。對(duì)于在50km 高軌道上的探測(cè)儀來(lái)說(shuō),準(zhǔn)直技術(shù)以水平方向5km 的分辨率提供來(lái)自月球表面的超熱中子的發(fā)射圖像。而HEND 是在400km 的火星軌道上以300km 的分辨率進(jìn)行中子探測(cè)。

LEND 以視角5.6°提供月球全球的氫分布圖,其中LEND 觀測(cè)的主要目標(biāo)是分布在極地周?chē)谰藐幱皡^(qū)的隕坑。LEND 能夠從選擇出的隕坑中探測(cè)出從30ppm 到150ppm 的氫,相應(yīng)可以推斷出風(fēng)化層中存在的水含量在0.03～0.15w t%(w t 代表質(zhì)量含量)之間。

圖3 LEND 準(zhǔn)直器原理圖Fig.3 Principle of LEND collimator

2.4 中子反射動(dòng)能測(cè)量?jī)x

中子反射動(dòng)能測(cè)量?jī)x(Dynamic Albedo of Neutrons,DAN)原計(jì)劃搭載于美國(guó)將發(fā)射的“火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室”(Mars Science Laboratory,M SL)上。DAN 設(shè)備包括兩個(gè)獨(dú)立的單元:DAN 探測(cè)儀和電子學(xué)(DAN-DE)以及DAN 脈沖中子發(fā)生器(DANPNG)。DAN 探測(cè)儀的原理和設(shè)計(jì)主要繼承搭載于Odyssey 上的HEND,包括兩個(gè)正比計(jì)數(shù)器。包括中子管和高壓電子學(xué)在內(nèi),脈沖中子發(fā)生器的主要功能繼承于工業(yè)產(chǎn)品ING-101。在一個(gè)中子脈沖期間,加速的氘離子在氚靶通過(guò)反應(yīng):D+T →4He+n 產(chǎn)生能量為14M eV 的中子流[10]。

DAN 的測(cè)量模式有兩種:主動(dòng)測(cè)量模式和被動(dòng)測(cè)量模式。所有的主動(dòng)測(cè)量包括DAN-PNG 的啟用。DAN-PNG 將發(fā)射選定頻率的中子脈沖,并向火星表面輻射,以產(chǎn)生熱中子以及超熱中子的動(dòng)力學(xué)反射,由DAN-DE 探測(cè)。這種模式在巡視探測(cè)器運(yùn)動(dòng)的短暫停頓期間使用,短時(shí)間(＜2min)的測(cè)量以滿足對(duì)水分布的粗略估計(jì),精度約為1%。長(zhǎng)時(shí)間(大于30min)的測(cè)量將探測(cè)水的垂直分布精度0.1%～0.3%。被動(dòng)測(cè)量模式用以擴(kuò)展關(guān)于火星表面的知識(shí),脈沖中子發(fā)生器關(guān)閉期間,在DAN 操作計(jì)劃中,將使用被動(dòng)測(cè)量監(jiān)視平均水含量,以進(jìn)行在巡視探測(cè)器下面火星土壤近表結(jié)構(gòu)的最初估計(jì)。這種測(cè)量將需要細(xì)致的校準(zhǔn)及去除由巡視探測(cè)器散熱器產(chǎn)生的背景輻射,將產(chǎn)生DAN 探測(cè)儀計(jì)數(shù)統(tǒng)計(jì)。DAN 的被動(dòng)測(cè)量也可以用于對(duì)自然中子背景的連續(xù)監(jiān)測(cè),以估計(jì)輻射劑量。在一個(gè)大的太陽(yáng)(粒子)事件期間,DAN 的被動(dòng)測(cè)量將幫助監(jiān)視太陽(yáng)事件的演化,并估計(jì)在太陽(yáng)耀斑的條件下中子輻射劑量。

3 我國(guó)研制中子(水冰)探測(cè)儀的初步方案設(shè)想

軌道器上使用的中子(水冰)探測(cè)儀,利用的是宇宙射線與天體表面物質(zhì)碰撞形成的天然中子源。而在天體表面使用的中子(水冰)探測(cè)儀,除了可以利用天然中子源外,還可自身攜帶中子發(fā)生器作為中子源。本文針對(duì)提出的中子(水冰)探測(cè)儀方案是利用天然中子源進(jìn)行水冰探測(cè),適合搭載于軌道器上。

對(duì)于探測(cè)儀本身而言,用于月球和用于火星的中子(水冰)探測(cè)儀在構(gòu)造方面沒(méi)有大的差別,不同的是,由于火星大氣的存在,會(huì)與從火星表面發(fā)射的中子碰撞或者吸收掉部分中子,在最后的結(jié)果分析中,需要考慮火星大氣的成分和密度,并對(duì)探測(cè)結(jié)果進(jìn)行修正。

3.1 基本組成

設(shè)計(jì)方案中的探測(cè)儀主要包括3He 正比計(jì)數(shù)器和閃爍體探測(cè)儀。

3He 正比計(jì)數(shù)器用于探測(cè)能量小于1MeV 的中子,作為正比計(jì)數(shù)器外包圍的聚乙烯慢化劑,其主要優(yōu)點(diǎn)是輕質(zhì)和富含氫,氫元素對(duì)宇宙射線具有良好的吸收與散射性能。使用閃爍體探測(cè)儀探測(cè)能量較高的快中子,考慮到空間環(huán)境效應(yīng)、發(fā)光效率和衰減時(shí)間等因素閃爍體選擇有機(jī)閃爍體二苯乙烯。這種閃爍體對(duì)于中子、γ射線和質(zhì)子等帶電粒子都非常敏感。

3.2 初步方案

3.2.13He 正比計(jì)數(shù)器的設(shè)計(jì)

在3He 正比計(jì)數(shù)器外包圍不同厚度的聚乙烯層,確保正比計(jì)數(shù)器能探測(cè)不同能量區(qū)間的中子。圖4、圖5 和圖6 分別是覆蓋三種不同厚度聚乙烯層的正比計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4 中的聚乙烯層厚度薄,圖5 中的聚乙烯層為中等厚度,圖6 中的聚乙烯層較厚,并采用了兩種不同的聚乙烯材料。聚乙烯層的厚度,根據(jù)需要探測(cè)的中子能量值,通過(guò)蒙特卡羅模擬計(jì)算方法確定。其中鎘層的作用是它能很好地吸收能量小于0.4eV 的中子和反沖質(zhì)子。

圖43H e 正比計(jì)數(shù)器(包圍薄層聚乙烯)Fig.43He proportional counter(with thin layer of polyethylene)

圖53He 正比計(jì)數(shù)器(包圍中等厚度聚乙烯層)Fig.53He proportional counter(with medium layer of polyethylene)

圖63H e 正比計(jì)數(shù)器(包圍厚層聚乙烯)Fig.63He proportional counter(with thick layer of polyethylene)

聚乙烯層為圓柱形,3He 正比計(jì)數(shù)管被圓柱形的聚乙烯層包圍。中子源是各向同性的單點(diǎn)源。鑒于探測(cè)的中子能量不同, 聚乙烯層的厚度也不同。3He 正比計(jì)數(shù)器的效率通過(guò)蒙特卡羅模擬計(jì)算方法得到。計(jì)算結(jié)果示于圖7、圖8 和圖9。中子的能量不同,與最大探測(cè)效率對(duì)應(yīng)的聚乙烯層的厚度可以從圖上找到。表1 列出了聚乙烯的厚度值。

圖7 中子的能量為10eV 時(shí), 聚乙烯的厚度與3H e 正比計(jì)數(shù)管探測(cè)效率的關(guān)系Fig.7 Relation between polyethylene thickness and detection efficiency of3H e proportional counter, with 10eV of the neutron

圖8 中子的能量為1keV 時(shí),聚乙烯的厚度與3H e 正比計(jì)數(shù)管探測(cè)效率的關(guān)系Fig.8 Relation between polyethylene thickness and detection efficiency of3H e proportional counter, with 1keV of the neutron

3.2.2 閃爍體探測(cè)儀設(shè)計(jì)

我們的方案中使用有機(jī)閃爍體二苯乙烯,它可以甄別中子和γ射線。對(duì)于帶電粒子,它在外面設(shè)置了無(wú)機(jī)閃爍體(CsI)專(zhuān)門(mén)測(cè)量,其信號(hào)可以作為測(cè)量中子和γ射線的反符合信號(hào),從而保證了中子和γ射線的測(cè)量不受帶電粒子的影響。圖10 為閃爍體探測(cè)儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9 中子的能量為1MeV 時(shí),聚乙烯的厚度與3He 正比計(jì)數(shù)管探測(cè)效率的關(guān)系Fig.9 Relation between polyethylene thickness and detection efficiency of3He proportional counter, with 1MeV of the neutron

表1 不同入射中子能量對(duì)應(yīng)的聚乙烯層的厚度Table 1 Thickness of polyethylene layer corresponding to the incident neutrons with different energy

圖10 閃爍體探測(cè)儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.10 Structure of scintillator detector

3.3 數(shù)據(jù)分析方法

中子(水冰)探測(cè)儀直接得到的是中子流量數(shù)據(jù),需要首先將其轉(zhuǎn)化為氫的含量。由于土壤中的氫含量是土壤深度的函數(shù),需要建立不同的土壤模型,結(jié)合具體的模型,選擇某一特定地區(qū)將其氫含量進(jìn)行歸一化,運(yùn)用蒙特卡羅模擬計(jì)算方法最終得到氫的含量及分布。另外,由于大氣與中子會(huì)發(fā)生作用,對(duì)于火星這類(lèi)具有大氣的天體,需要考慮大氣的成分和含量對(duì)結(jié)果進(jìn)行修正。根據(jù)氫元素存在形式的判斷,最終可以將氫含量轉(zhuǎn)化為水冰的含量。

3.4 方案特點(diǎn)

本方案通過(guò)采用4 個(gè)探測(cè)儀對(duì)不同能量的中子進(jìn)行探測(cè), 對(duì)于能量較低的中子的探測(cè)我們使用3He 正比計(jì)數(shù)器,這樣可對(duì)不同能量段的中子數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,具體探測(cè)結(jié)果和探測(cè)精度有待在以后的研究中進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

中子(水冰)探測(cè)儀在月球、火星以及太陽(yáng)系的其它天體的水冰探測(cè)中起重要作用。在充分調(diào)研和研究中子(水冰)探測(cè)儀研制關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上,完成了我國(guó)探測(cè)儀的中子(水冰)初步設(shè)計(jì)方案,并將開(kāi)展地面模擬實(shí)驗(yàn)研究,以驗(yàn)證對(duì)空間天體水冰探測(cè)的能力。

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