Авторы
Аникин А.А.(1), Мокроусов М.И.(1), Митрофанов И.Г.(1), Головин Д.В.(1), Козырев А.С.(1), Литвак М.Л.(1), Никифоров С.Ю.(1), Санин А.Б.(1), Тимошенко Г.Н.(2), Швецов В.Н.(2), Павлик Е.Е.(2)
Организации
(1) Институт космических исследований РАН
(2) Объединённый институт ядерных исследований
(2) Объединённый институт ядерных исследований
Сессия
Космическое приборостроение и эксперимент
Форма представления
Устный
Научный руководитель
Мокроусов Максим Игоревич
Место работы научного руководителя
Институт космических исследований РАН
Текст тезисов
В настоящее время особую актуальность сохраняет задача анализа состава приповерхностного грунта небесных тел бесконтактными методами с бортов космических орбитальных и посадочных аппаратов. Одним из хорошо зарекомендовавших методов определения элементного состава грунта является космическая гамма-спектроскопия. Чаще всего этот метод используется для небесных тел с тонкой атмосферой или без, где в качестве источника излучения используется постоянный поток галактических космических лучей (ГКЛ). Основной проблемой таких измерений является невозможность учета фона от космического аппарата в результирующем измеренном сигнале.
Для решения этой проблемы для посадочных аппаратов был предложен метод меченных заряженных частиц. Идея метода состоит в дополнении гамма-спектрометра детектором-телескопом частиц ГКЛ, располагающимся недалеко от поверхности небесного тела (на высоте 0.5-1 м), который регистрирует заряженные частицы (так называемые меченные ГКЛ, или МГКЛ), которые проходя через детектор попадают в небольшой выделенный изучаемый объем вещества небесного тела. В данном методе результаты измерений гамма-спектрометра обрабатываются совместно с детектором заряженных частиц: если для построения гамма-спектра отбирать только те отсчеты, которые совпали по времени (в некотором временном окне) с регистрацией МГКЛ, то с высокой вероятностью этот спектр характеризует раннее альбедо вещества небольшого изучаемого объема приповерхностного грунта.
Для подтверждения этого метода были проведен цикл наземных отработок, который показал высокую эффективность предложенных решений. На начальном этапе отработок в макете прибора космического гамма-спектрометра с меченными заряженными частицами (КГС-МЗЧ) в качестве ДГЛ использовался детектор на основе кристалла бромида церия CeBr3: такие сцинтилляционные детекторы имеют достаточно высокое спектральное разрешение среди сцинтилляторов (~27-37 кэВ или ~4-4,5% для фотонов с энергией 662 кэВ), относительно малое время высвечивания, высокую эффективность регистрации и низкий собственный фон. Однако такой детектор значительно уступает по разрешению детектору из высокочистого германия, который обладает спектральным разрешением около 2 кэВ для фотонов с энергиями 0,662 и 1,33 МэВ.
В докладе будет рассмотрен эксперимент с лабораторным макетом КГС-МЗЧ с полупроводниковым детектором из высокочистого германия и результаты полученных измерений. Будет показано, что такая конфигурация КГС-МЗЧ является наиболее эффективной для исследования состава приповерхностного грунта небесного тела с борта посадочного аппарата. Высокое спектральное разрешение высокочистого германия позволяет обнаруживать ядерные линии с максимальной чувствительностью для детектора с заданной массой, а применение метода МЗЧ позволяет практически исключить собственный фон от космического аппарата и значительно повысить пространственное разрешение гамма-спектрометра.
Лабораторные отработки макета прибора КГС-МЗЧ проводились на протонном пучке фазотрона Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в г. Дубна с энергиями ~170 МэВ и импульсной микроструктурой.
Авторы благодарят коллектив отдела Фазотрона Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ за обеспечение экспериментальной работы на протонном ускорителе ОИЯИ и Российский научный фонд за поддержку исследований, результаты которых будут представлены в данном докладе (грант РНФ №18-12-00487).
Для решения этой проблемы для посадочных аппаратов был предложен метод меченных заряженных частиц. Идея метода состоит в дополнении гамма-спектрометра детектором-телескопом частиц ГКЛ, располагающимся недалеко от поверхности небесного тела (на высоте 0.5-1 м), который регистрирует заряженные частицы (так называемые меченные ГКЛ, или МГКЛ), которые проходя через детектор попадают в небольшой выделенный изучаемый объем вещества небесного тела. В данном методе результаты измерений гамма-спектрометра обрабатываются совместно с детектором заряженных частиц: если для построения гамма-спектра отбирать только те отсчеты, которые совпали по времени (в некотором временном окне) с регистрацией МГКЛ, то с высокой вероятностью этот спектр характеризует раннее альбедо вещества небольшого изучаемого объема приповерхностного грунта.
Для подтверждения этого метода были проведен цикл наземных отработок, который показал высокую эффективность предложенных решений. На начальном этапе отработок в макете прибора космического гамма-спектрометра с меченными заряженными частицами (КГС-МЗЧ) в качестве ДГЛ использовался детектор на основе кристалла бромида церия CeBr3: такие сцинтилляционные детекторы имеют достаточно высокое спектральное разрешение среди сцинтилляторов (~27-37 кэВ или ~4-4,5% для фотонов с энергией 662 кэВ), относительно малое время высвечивания, высокую эффективность регистрации и низкий собственный фон. Однако такой детектор значительно уступает по разрешению детектору из высокочистого германия, который обладает спектральным разрешением около 2 кэВ для фотонов с энергиями 0,662 и 1,33 МэВ.
В докладе будет рассмотрен эксперимент с лабораторным макетом КГС-МЗЧ с полупроводниковым детектором из высокочистого германия и результаты полученных измерений. Будет показано, что такая конфигурация КГС-МЗЧ является наиболее эффективной для исследования состава приповерхностного грунта небесного тела с борта посадочного аппарата. Высокое спектральное разрешение высокочистого германия позволяет обнаруживать ядерные линии с максимальной чувствительностью для детектора с заданной массой, а применение метода МЗЧ позволяет практически исключить собственный фон от космического аппарата и значительно повысить пространственное разрешение гамма-спектрометра.
Лабораторные отработки макета прибора КГС-МЗЧ проводились на протонном пучке фазотрона Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в г. Дубна с энергиями ~170 МэВ и импульсной микроструктурой.
Авторы благодарят коллектив отдела Фазотрона Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ за обеспечение экспериментальной работы на протонном ускорителе ОИЯИ и Российский научный фонд за поддержку исследований, результаты которых будут представлены в данном докладе (грант РНФ №18-12-00487).