|
|
||||||||||||||||||||||||||||
|
Российский нейтронный детектор ДАН для мобильного посадочного аппарата НАСА «Марсианская научная лаборатория» ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Конструкция прибора и размещение на борту -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------  Научная аппаратура «Динамическое Альбедо Нейтронов» (НА ДАН) предназначена для установки на борт американской межпланетной миссии Марсианская Научная Лаборатория 2011 (MSL-2011). Программа MSL-2011 включает в себя запуск космического аппарата MSL-2011 25 ноября 2011 года, перелет к Марсу (около года), посадку спускаемого аппарата (в состав которого входит мобильный аппарат) на поверхность Марса, проведение длительных (два года) мобильных наблюдений окружающей среды с помощью научной нагрузки, установленной на борту марсохода (пресс-релиз НАСА № 04-398 от 14 декабря 2004 г. http://www.nasa.gov/). Основной целью проекта ДАН является создание надежного и эффективного космического инструмента для проведения на борту марсианского мобильного посадочного аппарата эксперимента по изучению трехмерной картины (на глубину 0,5 - 1 м и с поверхностным разрешением 1 м) распределения связанной воды/водяного льда в верхних слоях грунта Марса. Для определения влагосодержания марсианского грунта предлагается одновременно использовать методы нейтрон-нейтронного зондирования и нейтронной спектрометрии. Физический принцип таких измерений заключается в следующем: на небольшой высоте над поверхностью (< 1м) находятся импульсный источник быстрых нейтронов и приемник нейтронного излучения в тепловом и эпитепловом диапазонах. Импульсный источник нейтронов генерирует короткие (длительность ~ 1 мкс), но мощные (до 107 нейтронов за один импульс) импульсы нейтронов (с энергией 14 МэВ). Испущенные нейтроны проникают в грунт Марса, где взаимодействуют с ядрами основных породообразующих элементов через ядерные реакции неупругого рассеяния и захвата. В ходе таких взаимодействий быстрые нейтроны замедляются и теряют свою энергию. Часть замедлившихся нейтронов поглощается в грунте, а часть выходит обратно на поверхность, где и регистрируются приемником нейтронного излучения в виде затухающего временного профиля с характерной длительностью ~300 мкс для эпитепловых нейтронов и ~3000 мкс для тепловых нейтронов. В рамках такого временного профиля время прихода нейтронов в среднем определяется глубиной проникновения (глубина грунта с которой вышел нейтрон), а амплитуда сигнала – составом приповерхностного грунта. Если в грунте присутствует водородосодержащие соединения (в основном связанная вода или водяной лед), то замедление быстрых нейтронов происходит наиболее эффективным образом (при столкновении с ядром водорода нейтрон теряет сразу половину своей энергии), проявляясь в виде значительного увеличения потока тепловых нейтронов и уменьшения потока эпитепловых нейтронов. Конструкция прибора и размещение на борту ДАН состоит из двух отдельных блоков: блок детекторов и электроники ДАН-ДЭ (рис. 1) и импульсный нейтронный генератор ДАН-ИНГ (рис. 2). Для блока ДАН-ДЭ применяются промышленные пропорциональные счетчики, наполненные 3He.  Рис. 1. Летный образец блока ДАН/ДЭ  Рис. 2. Летный образец блока ДАН/ИНГ Электроника блока ДАН-ДЭ так же основана на схемных решениях нашедших свое применение в приборе ХЕНД и прошедших успешную проверку на длительную эксплуатацию в условиях космического полета. Основные отличия конфигурации блока ДАН-ДЭ от прибора ХЕНД касаются использования электроники для быстрой обработки сигнала (для регистрации альбедных кривых нужна точность 1-2 мкс) и создания специальной конфигурации высоковольтной платы (использование высоковольтной заливки) для предотвращения пробоя в разреженной атмосфере Марса. К основным измерительным функциям блока ДАН-ДЭ относится измерение 16-канальных спектров тепловых и эпитепловых нейтронов в энергетическом диапазоне 0.001 эВ – 100 кэВ и регистрация временного профиля альбедного нейтронного излучения в диапазоне 1-1000 мкс с разрешением не хуже 2 мкс. В качестве блока ДАН-ИНГ используется модификация промышленного импульсного генератора ИНГ-101, серийно выпускаемого Всероссийским научно-исследовательским институтом автоматики (ВНИИА, г. Москва). Данная модификация специально разработана ВНИИА для проекта ДАН и включает в себя переработку габаритных размеров ИНГ-101 (для соответствия посадочным местам на борту марсохода MSL-2011), расширение теплового диапазона (понижение минимальной рабочей температуры с -20С до -40С) и проведение мероприятий по повышению надежности работы генератора в марсианских условиях. В качестве источника нейтронов в блоке импульсного нейтронного генератора используется вакуумная нейтронная трубка, представляющая собой стеклянный баллон, внутри которого размещена мишень, насыщенная тритием и источник ионов дейтерия. Фактически нейтронная трубка является миниатюрным линейным ускорителем ионов, в котором ускоряющее напряжение прикладывается между мишенью и источником ионов. Для генерации нейтронов используется ядерная реакция, происходящая при бомбардировке дейтронами мишени, насыщенной тритием. К основным функциональным особенностям ДАН-ИНГ относиться импульсная генерация нейтронов с энергией 14 МэВ как в режиме одиночных импульсов так и с частотой до 10 Гц. Количество нейтронов за один импульс должно быть не менее 107 нейтронов, а полное количество излученных импульсов за время работы (в течение двух лет на поверхности Марса) должно быть не менее 107. Блоки прибора ДАН имеют простое крепление на борт с 4-мя посадочными местами для блока детекторов и 6-ю для генератора. НА ДАН будет связан специальным контролируемым тепловым интерфейсом с научной палубой КА, при этом блоки НА ДАН будут закрыты от внешних воздействий специальными коробами с теплоизоляционными сврйствами. За сохранение рабочей температуры посадочных мест блоков инструмента от –40oC до + 50oC будут отвечать системы корабля. Электрические интерфейсы, интерфейсы данных и команд разработаны в соответствии с требованиями проекта. На рис. 3 показано расположение прибора ДАН на борту марсохода.  Рис. 3. Размещение НА ДАН на борту марсохода МНЛ
Заказчик - Федеральное космическое агентство. Головной исполнитель – Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН). Руководитель проекта ДАН – д.ф.-м.н. И.Г. Митрофанов. Работы по проекту ДАН ведутся по теме МСП-2001 на основании Госконтракта № 025-5452/04 от 27.02.2004 г. (тема ОКР МСП-2001) и включены в Федеральную космическую программу 2006 - 2016 гг. Работы по проекту ДАН запланированы на период с 2004 по 20011 гг. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента) и 2011 – 2014 гг. (управление и обработка полученных данных).
|
||||||||||||||||||||||||||||
© Лаборатория спектрометрии космического гамма-излучения. Все права защищены.
|
