30 декабря 2013

ОИЯИ разрабатывает гамма- и нейтронный спектрометр для космических аппаратов

ОИЯИ

Среди результатов, полученных в ходе Семилетней программы, прозвучавших в докладе вице-директора Института М. Г. Иткиса на 114-й сессии Ученого совета, был и такой: «В июле 2013 года сотрудники ЛНФ и ЛРБ выполнили калибровку полетного модуля «Меркурианского гамма и нейтронного спектрометра».

В исследовании планет Солнечной системы ядерно-физическими методами ЛНФ участвует давно – с 1997 года, когда специалисты Института космических исследований (ИКИ) РАН обратились в эту лабораторию ОИЯИ за помощью в создании детектора нейтронов для исследования Марса. Так появился прибор ХЕНД, который на борту автоматического аппарата «Марс Одиссей» в 2001 году отправился к «красной планете» и до сих пор ведет ее исследование. Затем появился нейтронный телескоп ЛЕНД, позволяющий с высоты в 50 км окололунной орбиты изучать участки лунной поверхности диаметром 10 км.

«Меркурий – самая малая и одна из самых загадочных и слабоизученных планет Солнечной системы. Расположенная очень близко к Солнцу, она тонет в его сиянии и видна лишь за час до его восхода или захода»

– так романтично начинается описание меркурианского проекта Европейского космического агентства на сайте ИКИ. Конечно, за планетой мог бы понаблюдать орбитальный телескоп «Хаббл», но при этом велик риск повредить его аппаратуру ионизирующими частицами солнечного ветра. Поэтому единственным способом изучения Меркурия остается запуск к нему космических исследовательских аппаратов.

Американские зонды дважды исследовали Меркурий – в середине 1970-х и в 2011 году. Старт новой экспедиции, организуемой Европейским космическим агентством, «BepiColombo» запланирован на 2015 год. Цель проекта – изучение планеты, картографирование элементного состава ее поверхности, изучение магнитосферы, создание мультиволновой карты поверхности. Для ее реализации и создается «Меркурианский гамма и нейтронный спектрометр» (МГНС), включающий в себя гамма-спектрометр и нейтронный детектор. За подробностями о работах по созданию нового исследовательского прибора мы обратились к руководителю работ, директору ЛНФ Валерию Николаевичу Швецову:

– Меркурианский гамма-спектрометр – младший брат первого марсианского прибора ХЕНД, разработанного лабораторией для космической миссии НАСА «2001 Марс Одиссей». В отличие от ХЕНДа, МГНС регистрирует не только нейтроны, но и гамма-лучи с поверхности планеты. Гамма-спектрометр представляет собой большой кристалл соединения лантана, современного сцинтилляционного материала, имеющего энергетическое разрешение,  близкое к энергетическому разрешению полупроводниковых гамма-спектрометров на основе чистого германия. Масса гамма-спектрометра составляет 2,6 кг, почти 2 кг весит сам кристалл. Нейтронные сенсоры очень похожи на сенсоры в детекторе нейтронов высоких энергий ХЕНД, то есть меркурианский спектрометр –  фактически тот же ХЕНД с добавленным гамма-спектрометром. В американской миссии к Марсу, в которой участвовал детектор ХЕНД, использовался американский гамма-спектрометр, установленный на выносной штанге. В нашем приборе теперь все совмещено в одном корпусе.

Задача, стоящая перед МГНС, аналогична решаемой ХЕНДом: регистрировать характеристическое излучение с поверхности Меркурия, вызванное протонами космического излучения, попадающими на планете с сильно разреженной атмосферой прямо в грунт. В результате ядерных реакций появляются характеристические гамма-кванты, которые регистрируются гамма-спектрометром, и изменяется спектральный состав нейтронов, рождающихся в грунте. А нейтронный спектр очень сильно меняется, если в грунте есть малейшие признаки водорода или водородсодержащих веществ, то есть воды и водяного льда. Именно на задачу поиска воды и водяного льда на Меркурии нацелены нейтронные счетчики.

Калибровки МГНС с нейтронным источником в экспериментальном зале ИБР-2

Казалось бы, какой лед в такой близости от Солнца? Максимальная температура на солнечной поверхности Меркурия составляет 700оК (почти 430оС). Однако в кратеры (их на Меркурии столько же, сколько на Луне), расположенные на полюсах, солнечные лучи не заглядывают вообще из-за отсутствия наклона орбиты планеты, и там лед, занесенный кометами за все время существования Солнечной системы, вполне может сохраниться. Но исследование Луны производилось коллимированными нейтронными датчиками с пространственным разрешением в 10 км. Для Меркурия нужен неколлимированный датчик, просто потому, что лететь к Меркурию гораздо дальше и, следовательно, ограничения по массе и габаритам для всей научной аппаратуры гораздо жестче.

Если к первому марсианскому прибору, который до сих пор продолжает исследовать «красную планету», мы творчески подошли, по лунному тоже много думали: какие материалы использовать, какую компоновку, – то с меркурианским творчества было меньше. В основном, мы занимались калибровкой нескольких экземпляров прибора МГНС. Для калибровки мы использовали известные источники нейтронов и гамма-квантов, известной интенсивности, установленные на определенном расстоянии от прибора и, поворачивая прибор под разными углами, считали, сколько нейтронов и гамма-квантов той или иной интенсивности зарегистрировано. В результате получили карту чувствительности прибора. Эти работы мы выполняли в экспериментальном зале реактора ИБР-2, где прибор и источник можно разместить на большой высоте. Последнее условие необходимо, потому что расстояние от источника до пола, потолка, стен должно быть гораздо больше, чем до прибора, чтобы рассеянные на них нейтроны не возвращались в прибор и не искажали общую картину. На самом деле, полностью избежать этих искажений нельзя, поэтому измерения производятся на разных расстояниях от источника.

Для измерений второго типа мы использовали возможности низкофоновой лаборатории ЛРБ. Там есть установка, созданная в свое время сотрудником ОРРИ В. П. Бамблевским. В нее мы и помещали прибор, стандартный спектрометрический источник и источник нейтронов, окруженный замедлителями. Размещали так, чтобы прибор захватывал тепловые нейтроны, дающие характеристическое гамма-излучение. Это позволило сделать хорошую калибровку в области высоких энергий. В работах участвовали В. Н. Швецов (ЛНФ), Г. Н. Тимошенко (ЛРБ), А. О. Зонтиков (ЛНФ) и студент университета «Дубна» П. В. Дубасов. У нас есть серьезные замечания к электронике, которая используется в этой установке, мы сейчас их формулируем в своих отчетах. Не исключена доработка регистрирующей электроники, так что весь следующий год мы будем еще работать над прибором.