月表巖石誘發(fā)γ輻射場(chǎng)原始譜特征模擬

趙劍錕 葛良全 張慶賢 盧貞瑞,2 羅耀耀

1（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610059）2（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 核技術(shù)應(yīng)用研究中心 北京 100049）

月表巖石誘發(fā)γ輻射場(chǎng)原始譜特征模擬

趙劍錕1葛良全1張慶賢1盧貞瑞1,2羅耀耀1

1（成都理工大學(xué) 核技術(shù)與自動(dòng)化工程學(xué)院 成都 610059）2（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 核技術(shù)應(yīng)用研究中心 北京 100049）

玄武巖、克里普巖、橄欖巖在月球表面廣泛分布，并具有一定的代表性，并且?guī)r石密度差異較大，高能粒子(Galactic Cosmic Rays, GCR；Solar Particle Event, SPE)與巖石相互作用后激發(fā)γ射線。利用蒙特卡羅軟件FLUKA開(kāi)展了月表高能質(zhì)子誘發(fā)γ射線的研究，獲取了月表多種成巖主元素的特征γ射線能量峰、正電子湮滅峰和γ輻射平衡峰等原始譜特征信息。通過(guò)數(shù)據(jù)分析表明特征峰強(qiáng)度與月表巖石密度呈正相關(guān)。原始譜特征的研究不僅可以為不同系列繞月γ數(shù)據(jù)的對(duì)比研究提供參考，也可為在全月表面進(jìn)行基于核輻射方法的巖石密度填圖研究提供理論支撐。

月表巖石，誘發(fā)γ輻射場(chǎng)，原始譜，F(xiàn)LUKA

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，以美國(guó)為先導(dǎo)的系統(tǒng)性探月研究已持續(xù)了半個(gè)世紀(jì)，大量的月球電離輻射場(chǎng)分析模型相繼被提出并收錄于行星系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)(Planetary Data System, PDS)；此后，日本、印度和俄羅斯也相繼開(kāi)展了探月研究工作[1–2]。2005年，中國(guó)啟動(dòng)嫦娥探月工程以來(lái)，已通過(guò)嫦娥(CE)系列探月衛(wèi)星上搭載的γ能譜儀獲得了大量月表γ射線能譜數(shù)據(jù)[2–3]，為后續(xù)系統(tǒng)深入的探月工作奠定了基礎(chǔ)。

現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外月球表面電離輻射場(chǎng)的模擬研究方向主要有：一，宇宙射線傳播規(guī)律與宇生核素生成的數(shù)值模擬；二，近月軌道或月表放射性核素產(chǎn)生γ射線強(qiáng)度和通量模擬[4–9]。不難看出，目前對(duì)月球電離輻射場(chǎng)的模擬研究多以幾種關(guān)鍵元素（同位素）或其釋放的特征γ射線為研究對(duì)象，主要關(guān)注探月能譜儀的儀器譜特征，在研究過(guò)程中對(duì)宇宙射線誘發(fā)月表巖石產(chǎn)生γ輻射過(guò)程均作了簡(jiǎn)化或忽略，鮮有針對(duì)月表多種特征巖石的誘發(fā)γ輻射場(chǎng)原始譜特征研究成果報(bào)道，對(duì)月表γ輻射場(chǎng)的特征描述不足。

另外，包括我國(guó)CE系列搭載的γ能譜儀(Gamma Ray Spectrometer, GRS)在內(nèi)，世界各國(guó)采用的探月飛行器搭載了GRS在探測(cè)器、儀器性能、儀器指標(biāo)上差異較大，所獲取的儀器譜特征之間也存在較大的差異[1,3,10]，這在一定程度上增加了歷次探月數(shù)據(jù)對(duì)比分析困難，不利于探月數(shù)據(jù)的綜合有效利用。原始譜形態(tài)學(xué)特征的準(zhǔn)確獲取之后，由于探測(cè)器差異帶來(lái)的γ能譜儀器譜的解析困難將被有效降低，一定程度上有利于探測(cè)環(huán)境本底扣除、目標(biāo)元素特征γ射線凈峰面積的求解，提高了月表淺層巖石地質(zhì)響應(yīng)反演的準(zhǔn)確度與精度，在探月數(shù)據(jù)解譯過(guò)程具有重要的研究意義。

1 誘發(fā)γ輻射場(chǎng)來(lái)源

月球環(huán)境中存在多種高能粒子，這些高能粒子與月表物質(zhì)發(fā)生相互作用，形成誘發(fā)γ輻射場(chǎng)。從粒子來(lái)源分析，高能粒子主要包括太陽(yáng)風(fēng)粒子、太陽(yáng)高能粒子和銀河系宇宙射線粒子。按粒子能量進(jìn)行劃分，以上三種粒子中太陽(yáng)風(fēng)粒子的能量最弱,約為幾千電子伏特，在月表物質(zhì)中的穿透距離為納米量級(jí)，故在本項(xiàng)研究中忽略其作用；太陽(yáng)高能粒子（太陽(yáng)宇宙射線）能量次之，能量范圍1–100MeV，可在月表潛層物質(zhì)中穿透深度達(dá)到1cm；能量最高為銀河系宇宙射線，其能量范圍為0.1–10GeV，在月球表面物質(zhì)中的作用厚度達(dá)到數(shù)米。太陽(yáng)能粒子和宇宙射線粒子中的主要成分均為質(zhì)子，所占比例分別達(dá)到了98%和87%，因此，高能質(zhì)子是誘發(fā)γ輻射場(chǎng)的主要激發(fā)源[11–12]。

月球外圍無(wú)大氣層包裹、磁場(chǎng)微乎其微，高能質(zhì)子可以與月表淺層物質(zhì)發(fā)生直接相互作用，核反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生大量高能的次級(jí)質(zhì)子和快中子?？熘凶訉?huì)與月表物質(zhì)發(fā)生多次碰撞，損失大部分能量，最終被原子核俘獲。在快中子的非彈性碰撞和熱中子俘獲過(guò)程中，伴隨產(chǎn)生不同能量γ射線，即在月球表面形成誘發(fā)γ輻射場(chǎng)[12–15]。

2 月表主要巖石類型及成分

迄今為止，學(xué)術(shù)界公認(rèn)的月表巖石類型是包括非月海原巖石、角礫巖、月?；鹕綆r和月海玄武巖在內(nèi)的4大類，不少于20種巖石。本文選取其中具有代表性的6種巖石為研究對(duì)象，分析在高能質(zhì)子激發(fā)條件下形成的誘發(fā)γ輻射場(chǎng)特性，月表典型巖石成分如表1所示。

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

3 FLUKA模擬計(jì)算

FLUKA是歐洲核子研究委員會(huì)(European Organization for Nuclear Research, CERN)開(kāi)發(fā)并提供維護(hù)更新的一種通用蒙特卡羅模擬軟件，其歷史可以追溯至20世紀(jì)60年代初Ranft編寫(xiě)的用于模擬強(qiáng)子碰撞過(guò)程的一種專用程序，經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)（三個(gè)階段）的發(fā)展，時(shí)至今日已經(jīng)廣泛應(yīng)用于質(zhì)子、電子加速器屏蔽設(shè)計(jì)，探測(cè)器設(shè)計(jì)，宇宙射線，中微子物理等領(lǐng)域[17–22]。該軟件的模塊化設(shè)計(jì)較MCNP等軟件更完善，任務(wù)編寫(xiě)更簡(jiǎn)潔，物理過(guò)程清晰，針對(duì)特別的需求，也可通過(guò)Fortran接口單獨(dú)設(shè)計(jì)。

為減小模擬過(guò)程中的統(tǒng)計(jì)方差，提高抽樣效率，采用了等效高度法對(duì)探測(cè)距離進(jìn)行了處理；誘發(fā)γ輻射場(chǎng)形成過(guò)程和FLUKA計(jì)算模型如圖1所示。

模擬計(jì)算中的主要參數(shù)[4,8–9]及簡(jiǎn)化設(shè)置如下：

(1) 地質(zhì)體模型：忽略月表地形起伏，以半徑R=200cm、厚度為d=200cm的圓柱代替月巖，假設(shè)元素均勻分布，成分如表1所示。

(2) 激發(fā)源：近似點(diǎn)源，垂直入射地質(zhì)體，質(zhì)子能量0.1GeV，該能量的質(zhì)子廣泛存在于太陽(yáng)能粒子和銀河系宇宙射線中[11–13]。

(3) 探測(cè)器：為排除由于探測(cè)器材料響應(yīng)帶來(lái)干擾，獲得較準(zhǔn)確的原始譜特征信息，設(shè)置半徑r=20cm的虛擬探測(cè)器，探測(cè)距離為H=150cm。

(4) 探測(cè)γ射線能量范圍：0.01–10MeV，分成2048個(gè)能量箱。

圖1 質(zhì)子誘發(fā)γ輻射的蒙特卡羅模型Fig.1 Monte Carlo model for proton-induced gamma ray.

4 結(jié)果分析與討論

(1) 將模擬結(jié)果與CE-GRS、LP (Lunar Prospector)-GRS實(shí)測(cè)譜線進(jìn)行比較，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ驼_性。由于數(shù)據(jù)量級(jí)上存在差異，所以將三條譜線數(shù)據(jù)分別進(jìn)行歸一化處理，以便更直觀地反映譜線特征信息，如圖2所示。GRS實(shí)測(cè)月表γ射線譜由兩部分組成：(a) 各種能量的γ射線與月表介質(zhì)發(fā)生多次康普頓效應(yīng)產(chǎn)生的散射光子的能量連續(xù)沉積譜；(b) 月表元素的離散特征γ射線序列。以上兩部分譜線經(jīng)過(guò)疊加最終形成了實(shí)測(cè)γ能譜。高能γ射線與月表介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的電子對(duì)，正負(fù)電子湮滅釋放出能量為0.511MeV的兩個(gè)光子。因此，在儀器譜上形成了一個(gè)明顯且強(qiáng)度較大的γ射線峰，該特征同模擬結(jié)果相一致。原始譜模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)能譜在上述譜線形態(tài)特征上具有較好的一致性且峰位信息準(zhǔn)確。

圖2 模擬結(jié)果與GRS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較Fig.2 Comparison between simulating result and GRS.

模擬與實(shí)測(cè)譜線之間存在若干差異，可解釋為：(a) 天然放射性核素特征γ射線不是誘發(fā)γ射線原始譜模擬研究?jī)?nèi)容，所以模擬譜線中未出現(xiàn)U/Th/K等核素射線信息并且模擬結(jié)果本底相對(duì)計(jì)數(shù)遠(yuǎn)低于實(shí)測(cè)本底，特征射線相對(duì)位置未受干擾；(b) 根據(jù)模擬結(jié)果可知：γ射線連續(xù)譜應(yīng)向較低能端聚集，并在能量為0.127MeV的位置處形成一個(gè)明顯的“光電-康普頓散射平衡峰”（以下簡(jiǎn)稱“平衡峰”，見(jiàn)圖2中A峰）。實(shí)際測(cè)量中受CE-GRS探測(cè)器能量探測(cè)限的影響，低于0.16MeV的譜線信息無(wú)法準(zhǔn)確采集，最終實(shí)測(cè)譜線中未能出現(xiàn)A峰，而LP-GRS數(shù)據(jù)中的該段譜線有所體現(xiàn)。

綜合上述分析，在FLUKA平臺(tái)建立的該模型能定性反映月表γ輻射場(chǎng)的相關(guān)特征，可適用于誘發(fā)γ輻射場(chǎng)原始譜特征研究。

(2) 現(xiàn)有的實(shí)物研究資料表明，月表的KREEP較其他巖石不同，其主要以眾多的小碎片和小顆粒、月塵以及堆積角礫巖等松散的堆積形式存在，密度相對(duì)其它巖石較低(＜ 2.0 g·cm?3)，且其中硅、鎂元素含量較高。根據(jù)KREEP巖的以上特征，分別對(duì)密度為0.5 g·cm?3、1.0 g·cm?3、1.5 g·cm?3、2.0 g·cm?3的4個(gè)模型進(jìn)行分析，研究月表上覆不同成熟度（松散程度，與密度呈負(fù)相關(guān)）KREEP的誘發(fā)γ輻射場(chǎng)的特征，結(jié)果如圖3所示。定性分析可知：KREEP巖產(chǎn)生電子湮滅峰計(jì)數(shù)和“平衡峰”計(jì)數(shù)隨著成熟度降低（即密度提高）逐漸增高，并且增長(zhǎng)速率有逐漸放緩的趨勢(shì)。利用KREEP巖的誘發(fā)γ輻射場(chǎng)的該特征可定性比較和分析月表覆蓋KREEP巖堆積松散程度，實(shí)現(xiàn)KREEP覆蓋區(qū)域邊界劃分。

圖3 不同密度KREEP誘發(fā)伽馬射線模擬結(jié)果Fig.3 Simulating result of KREEP in different densities.

(3) 與KREEP不同，其它幾種巖石賦存形式更為多樣，密度范圍跨度大，通過(guò)對(duì)不同巖石的模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)如下共同特征：(a) 輻射平衡峰位均出現(xiàn)在同一位置(0.127MeV)處，這說(shuō)明該峰位置不受巖石種類和致密程度的影響；(b) 隨著密度的不斷增加，不同巖石γ譜平衡峰計(jì)數(shù)都呈現(xiàn)出增長(zhǎng)的趨勢(shì)且逐漸飽和；圖4以高鋁玄武巖誘發(fā)γ譜低能段為例，圖4中清晰可見(jiàn)：當(dāng)密度大于2.0g·cm?3之后平衡峰計(jì)數(shù)的增長(zhǎng)出現(xiàn)明顯放緩的趨勢(shì)，當(dāng)密度大于3.0g·cm?3后，峰位計(jì)數(shù)趨于飽和。因此利用平衡峰強(qiáng)度信息來(lái)進(jìn)行全月表巖石密度研究，在理論上是可行的。

圖4 誘發(fā)γ射線原始譜低能段特征（以高鋁玄武巖為例）Fig.4 Characteristics in low energy of cosmic-induced gamma original spectrum (high alumina basalt).

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)FLUKA平臺(tái)對(duì)月表誘發(fā)γ射線原始譜進(jìn)行了模擬分析，為不同系列探測(cè)器采集數(shù)據(jù)的對(duì)比研究提供了一定的參考。在對(duì)月球表面幾種具有代表性的巖石進(jìn)行模擬分析，結(jié)果表明可以利用γ譜平衡峰強(qiáng)度信息進(jìn)行月表巖石密度劃分。隨著我國(guó)探月工程的不斷推進(jìn)，高精度性能優(yōu)異的繞月γ探測(cè)器將得以應(yīng)用，月球γ能譜特征將從實(shí)測(cè)中得到解析，并為月球表面γ譜的分析提供依據(jù)。

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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

國(guó)家863計(jì)劃(No.2012AA061803)、國(guó)家自然科學(xué)基金(No.41374136、No.41474159)、四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(No.2015RZ0010)資助

趙劍錕，男，1988年出生，2012年畢業(yè)于成都理工大學(xué)，現(xiàn)為博士研究生，核技術(shù)及應(yīng)用專業(yè)

葛良全，E-mail: glq@cdut.edu.cn

2015-03-02，

2015-07-10

CLC TL99