Продолжаем рассказ о научном оборудовании КА 2001 Mars Odyssey. Сегодня речь пойдет о гамма-спектрометре GRS (Gamma Ray Spectrometer).

* * *

Гамма-спектрометр GRS на борту космического аппарата 2001 Mars Odyssey

Источники: www.iki.rssi.ru, mars.jpl.nasa.gov, grs8.lpl.arizona.edu

Под общим названием GRS объединены три научных инструмента, предназначенных для определения элементного состава поверхности Марса. Получаемые с их помощью данные будут анализироваться совместно в ходе единого комплексного эксперимента. В состав системы GRS входят:

• Собственно гамма-спектрометр с охлаждаемым германиевым детектором, созданный в Лаборатории лунных и планетных исследований Университета Аризоны (г. Тусан, США). Руководителем работ по гамма–спектрометру, а также руководителем всего комплексного эксперимента GRS является д-р Вильям Бойнтон (William Boynton).

• Нейтронный спектрометр NS для измерения потоков тепловых и эпи-тепловых нейтронов, созданный в Лос-Аламосской Национальной Лаборатории (г. Лос-Аламос, США). Руководителем работ по NS является д-р Вильям Фельдман.

• Детектор нейтронов высоких энергий HEND для измерения потоков эпи-тепловых, резонансных и быстрых нейтронов, созданный в Институте космических исследований (ИКИ) Российской академии наук (г. Москва, Россия). Руководителем работ является д.ф.–м.н. Игорь Георгиевич Митрофанов.

Основной целью комплексного эксперимента GRS является построение глобальной карты гамма излучения поверхности Марса, что, в свою очередь, позволит составить карту распространенности основных породообразующих элементов в приповерхностном слое планеты. Второй важной целью эксперимента станет поиск областей с наличием приповерхностной воды или льда на основе измерений вариаций потоков быстрых и тепловых нейтронов.

Как работает GRS

Марс имеет сравнительно тонкую атмосферу и не обладает глобальным магнитным полем, поэтому солнечные и галактические космические лучи свободно доходят до его поверхности и взаимодействуют с ней. Под воздействием космических лучей в поверхностном слое планеты на глубине около 1-3 метра генерируется большое количество быстрых вторичных нейтронов. Нейтроны выходят на поверхность, взаимодействуя по пути с веществом приповерхностного слоя. Они испытывают два типа ядерных реакций – реакции неупругого рассеяния для быстрых нейтронов и реакции захвата эпи–тепловых и тепловых нейтронов ядрами. Поток нейтронов с поверхности называется нейтронным альбедо Марса.

Ядерное излучение с поверхности планеты cosmic ray - космический луч fast neutrons - быстрые нейтроны moderation - замедление thermal and epithermal neutrons - тепловые и эпитепловые нейтроны inelastic collision - неупругое столкновение neutron capture - захват нейтрона natural radioactivity - естественная радиоактивность

В результате реакций с нейтронами ядра химических элементов грунта генерируют гамма-излучение. Существуют также элементы, обладающие естественной радиоактивностью (например, калий, уран, торий), излучающие гамма-лучи при распаде. Каждое ядро имеет свой уникальный спектр линий в гамма диапазоне, поэтому ядерная гамма-спектроскопия позволяет однозначно установить относительное количество ядер того или иного элемента. HEND и нейтронный спектрометр NS непосредственно регистрируют рассеянные нейтроны, а гамма-спектрометр регистрирует гамма-излучение.

Гамма-спектрометр сможет измерить содержание и распределение около 20 химических элементов, включая кремний, кислород, железо, магний, калий, алюминий, кальций, серу и углерод. Знание того, какие элементы находятся на поверхности или на небольшой глубине, даст подробную информацию о том, как Марс изменялся с течением времени.

Как GRS помогает искать воду

Известно, что соотношение потоков быстрых и тепловых нейтронов на поверхности Марса существенно зависит от относительного количества водорода и других легких элементов в поверхностном слое планеты (до глубины порядка одного метра). Известно также, что вода является одним из самых распространенных химических соединений, содержащих водород. Таким образом, дефицит быстрых нейтронов, сопровождающийся увеличением потока тепловых нейтронов в какой-либо точке поверхности Марса, свидетельствует о наличии льда или воды в этом месте.

Кроме того, сам водород в поверхностном слое до нескольких десятков сантиметров непосредственно излучает гамма-лучи, которые можно зарегистрировать. Сравнение результатов этих двух независимых измерений позволит оценить распределение воды по глубине. Возможно, удастся определить толщину льда в полярных областях и ее изменение в течение годового цикла.

Приведем в качестве примера карту распределения водорода на Луне, составленную по данным измерений с космического аппарата Lunar Prospector. Примерно такого вида карту можно будет составить и для Марса в случае успеха миссии 2001 Mars Odyssey.

Распределение водорода на Луне. Вверху слева: северный полюс. Вверху справа: южный полюс. Внизу: средние широты. Источник: Los Alamos National Laboratory

Характеристики инструментов GRS

Детектор гамма-лучей представляет собой большой (1.2 кг) особо чистый кристалл германия (³²Ge) размером 67×67 мм. К нему приложено напряжение около 3000 вольт. Через кристалл электрический ток не проходит (либо он очень слабый - менее одного наноампера), пока в него не попадает высокоэнергетический ионизирующий фотон или заряженная частица. Электрический заряд, возникающий от такого соударения, усиливается, измеряется и конвертируется в цифровое значение - один из 16 384 (2¹⁴) каналов, или бинов. По истечении определенного промежутка времени (примерно 30 секунд) получается гистограмма, которая показывает распределение событий, или отсчетов, как функцию энергии (номера канала). Такая гистограмма и является отдельным гамма-лучевым спектром. Диапазон энергий гамма-лучей, регистрируемых прибором, составляет 30 - 8000 кэВ.

Гамма-сенсорная часть GRS

На рисунке слева показана гамма-сенсорная часть инструмента GRS с открытой дверцей радиатора. Она расположена на конце длинной 6-метровой стрелы, чтобы уменьшить интерференцию с гамма-лучами, генерируемыми космическим аппаратом (все конструкционные элементы в космосе излучают гамма-лучи по тем же причинам, что и поверхность Марса). Гамма-сенсорная головка содержит детектор, радиатор с открывающейся в полете дверцей, низкотемпературный предусилитель, тепловую защиту и кронштейн для крепления к концу стрелы. Радиатор обеспечивает охлаждение датчика до температуры менее 90 К при сборе научных данных. Тепловая защита и дверца необходимы, чтобы периодически нагревать сенсорную головку до 100°C для прокаливания кристалла с целью устранения радиационных повреждений.

Преимущество особо чистого германиевого сенсора заключается в очень высокой спектральной разрешающей способности. Хотя число отсчетов в единицу времени будет очень мало, при больших временах интегрирования можно будет определить содержание большинства элементов с точностью около 10%. Типичная продолжительность экспозиции будет составлять лишь 30 секунд, но при суммировании спектров, полученных на разных витках над одними и теми же регионами планеты, будут достигнуты большие времена аккумулирования данных.

Пространственная разрешающая способность инструмента составляет около 300 км. Для регионов такого размера к концу миссии будет обеспечено около 6 часов накопления данных вблизи экватора и примерно в 5 раз больше около полюсов. Те элементы, для идентификации которых необходимы еще большие времена накопления, могут быть обнаружены за счет уменьшения пространственного разрешения путем суммирования спектров по большим областям планеты. Например, кислород, кремний, хлор, кальций и железо можно будет определить в "пятне" размером 300 км, а никель и хром - только при суммировании данных по очень большим областям (например, по всем высокогорьям или по всем низменностям).

После прибытия космического аппарата к Марсу будет проведена калибровка прибора, а примерно через 100 дней нахождения КА на орбите будет развернута 6-метровая стрела.

Космический аппарат 2001 Mars Odyssey. Инструмент MARIE расположен внутри корпуса КА

Два нейтронных спектрометра - NS и HEND - смонтированы на основном корпусе аппарата и будут работать непрерывно во время всей миссии.

Нейтронный спектрометр NS использует сцинтиллятор и четыре фотоумножительные трубки для регистрации свободных нейтронов. Он измеряет энергетическое распределение "быстрых" нейтронов, используя 16 энергетических каналов. Интенсивность потока тепловых и эпитепловых нейтронов измеряется отдельно, как и спектр энергий быстрых нейтронов. Также он следит за полным спектром нейтронного потока от аппарата и выполняет постоянную калибровку прибора во время полета.

Детектор нейтронов высоких энергий HEND использует три пропорциональных счетчика с ³He в замедлителях разной толщины для детектирования нейтронов с энергиями 0.4-1.0 эВ, 1.0 эВ – 1.0 кэВ и 1.0 кэВ - 1.0 МэВ, а также сцинтилляционный детектор быстрых нейтронов с энергиями 1.0–10.0 МэВ, гамма квантов с энергиями 60.0 кэВ – 2.0 МэВ и жесткого рентгена в диапазоне 30.0 кэВ – 1.0 МэВ. Чувствительность прибора по массовой доле водорода в слое 1 м на поверхности Марса с пространственным разрешением 300 км составляет порядка 10^-3.

Гамма-спектрометр GRS весит 30.5 кг и потребляет 32 Вт электрической мощности. Гамма-сенсорная головка вместе с радиатором имеет размеры 46.8×53.4×60.4 см. Размеры нейтронного спектрометра 17.3×14.4×31.4 см. Размеры детектора нейтронов высоких энергий 30.3×24.8×24.2 см. Размеры центрального электронного блока инструмента 28.1×24.3×23.4 см.

* * *

Подробнее ознакомиться с устройством детектора нейтронов высоких энергий HEND, а также получить дополнительную информацию по проекту 2001 Mars Odyssey в целом, можно на сайте Института космических исследований Российской академии наук.

Компиляция и перевод: V.B.

"Марсианское время", общественный сетевой журнал, 15 июля 2001