ЛНФ в международном проекте

7 апреля 2001 года Национальное космическое агентство (NASA, США) направило к Марсу космический аппарат "2001 MARS ODYSSEY". Это был уже 33-й запуск космического аппарата к Марсу с тех пор, как 10 октября 1960 года в Советском Союзе был произведен старт первого аппарата к "красной планете".

14 июля 1965 года американский космический аппарат "MARINER-4" впервые достиг окрестности Марса и передал на Землю 21 фотографию его поверхности. 3 декабря 1971 года советский посадочный аппарат "МАРС-3" впервые совершил мягкую посадку на поверхность планеты и передал первые данные о марсианских природных условиях. Два американских посадочных аппарата "VIKING" в 1976 года провели комплексные исследования Марса с целью поиска признаков жизни на его поверхности.

В течение трех месяцев 1997 года миниатюрный марсоход "SOJOURNER" перемещался по поверхности Марса и детально обследовал ближайшие окрестности в районе посадки аппарата "MARS PATHFINDER". В настоящее время орбитальный аппарат NASA "MARS GLOBAL SURVEIOR" продолжает глобальное исследование морфологических особенностей поверхности Марса.

Итак, 7 апреля 2001 года с космодрома на мысе Канаверал (Флорида, США) в 11.02 по Восточному времени стартовала ракета-носитель "Дельта-2". На ее борту - комплекс научного оборудования, предназначенный для дальнейшего изучения поверхности Марса. В его состав входят прибор THEMIS для исследования поверхности планеты в видимой и инфракрасной части спектра излучения, дозиметр MARIE - для измерения уровня радиации в открытом космосе с последующим анализом его вредного воздействия на человеческий организм, а также специальная аппаратура для изучения элементного состава поверхности Марса и поиска воды - гамма-спектрометр GRS, детектор тепловых нейтронов NS и детектор нейтронов высоких энергий HEND. Прибор HEND был создан в ИКИ РАН по заказу "Росавиакосмоса", в его разработке принимали участие сотрудники Объединенного института ядерных исследований.

24 октября 2001 года космический аппарат достиг Марса и перешел в этап аэроторможения, сокращая орбиту вращения с 8,5 часов до двух. 14 января процесс аэроторможения закончился, и по американским данным, прошел он настолько успешно, что топлива хватит для поддержания орбиты в течение почти 10 лет (вместо запланированных 917 дней).

О научной программе исследований и о первых результатах рассказал на семинаре в ЛНФ руководитель проекта с российской стороны заведующий лабораторией космической гамма-спектроскопии ИКИ РАН И.ГМитрофанов.

По сравнению с Землей Марс имеет довольно тонкую атмосферу (атмосферное давление составляет лишь 1 процент земного) и не обладает глобальным магнитным полем, поэтому высокоэнергетические космические лучи свободно достигают поверхности и в результате взаимодействия появляется большое число быстрых вторичных нейтронов. В процессе их взаимодействия с веществом нейтроны испытывают различные превращения (неупругое рассеяния для быстрых нейтронов и реакции захвата), в результате которых возникает гамма-излучение. Поскольку каждое ядро обладает своим характерным набором гамма-линий, ядерная гамма-спектроскопия позволяет однозначно установить относительное количество ядер того или иного элемента в исследуемом образце.

Измерив гамма-спектр, можно переходить к количественному анализу и идентификации элементов, а для этого необходимо знать плотность потока и спектральное распределение нейтронов. Это и является первой задачей прибора HEND - обеспечение гамма-спектроскопии данными о потоке нейтронов. Эти измерения у нас являются пионерскими. Никто до этого нейтронов с Марса "не видел". Наши измерения можно будет сравнить с данными, полученными со сцинтилляционных счетчиков, установленных на советских космических аппаратах "МАРС-5" и "ФОБОС-2" в 1989 году. На этапе аэроторможения мы имели возможность работать в течение месяца, полученные данные помогли нам сделать трехмерную модель облака нейтронов вокруг Марса. Причем намечается существенное отличие между Западным и Восточным полушариями - чувствуется влияние морфологии планеты.

Последние исследования Марса показывают, что планета находится в активном состоянии. Обнаружены самый большой в солнечной системе вулкан - Олимпус - высотой 27 километров, гигантский каньон протяженностью 5 тысяч километров, сфотографированы сравнительно молодые овраги и каньоны - быть может, водные или грязевые потоки создали молодой рельеф. Предполагается, что на Марсе могут быть водные резервуары и в результате тектонической активности эти объемы могут извергаться. Известно, что соотношение быстрых и тепловых нейтронов в спектре существенно меняется в зависимости от наличия легких элементов, в первую очередь водорода, входящего в состав воды. Поэтому вторая задача нейтронных спектрометров комплекса GRS - поиск воды на Марсе. На момент публикации уже обнародованы первые результаты работы аппарата на круговой орбите, свидетельствующие, что все три прибора, входящие в состав GRS, четко фиксируют наличие огромного количества водяного льда на Южном полюсе.

Комплекс оборудования GRS будет также использован для некоторых астрофизических исследований.

Во-первых, это изучение гамма-всплесков - коротких мощных вспышек гамма-излучения, впервые зарегистрированных на американских спутниках "VELA" в 1968 году. Точка измерения таких всплесков на аппаратуре "2001 MARS ODYSSEY" будет находиться на межпланетном расстоянии от Земли, что позволит определить направление на источник всплеска с высокой точностью. Это даст возможность нацелить в этом направлении оптические и радиотелескопы и, возможно, разгадать природу этого явления.

Во-вторых, гелиофизики очень заинтересованы в изучении солнечного излучения с разных направлений. Одновременная регистрация гамма лучей и нейтронов в окрестностях Марса и Земли, находящихся на большом расстоянии, позволит провести спектроскопическое наблюдение активных областей Солнца и построить трехмерную модель генерации жесткого электромагнитного и корпускулярного излучения в этих областях.

Прибор HEND объединяет пять различных регистрирующих устройств с соответствующей электроникой. Датчиками служат 3 пропорциональных счетчика на основе 3He в чехлах из полиэтилена различной толщины и сцинтилляционный блок с двумя сцинтилляторами. Детекторы нейтронов и внутренний сцинтилляционный детектор имеют различную чувствительность к нейтронам различных энергий, и потому они позволяют измерить спектральное распределение потока нейтронов в энергетическом диапазоне от 0,4 эВ до 1,0 МэВ. Сцинтилляционный детектор измеряет нейтроны с энергиями 800 КэВ - 10 МэВ методом регистрации протонов отдачи. В этом детекторе реализована схема разделения нейтронов и гамма квантов по форме импульса с коэффициентом подавления более 1000.

О научном вкладе в создание прибора HEND и о работах, которые велись в ОИЯИ по этому направлению, рассказывает заместитель директора ЛНФ В.Н.Швецов.

Сотрудниками Лаборатории нейтронной физики в тесном сотрудничестве со специалистами отдела радиационных и радиобиологических исследований решалось несколько задач. На первом этапе происходил выбор детекторов для прибора, причем этот выбор чрезвычайно затруднен малым доступным весом. В итоге была выбрана концепция прибора с тремя пропорциональными счетчиками тепловых нейтронов, окруженных замедлителем разной толщины и органического сцинтиллятора для регистрации быстрых нейтронов. Затем было проведено моделирование физических характеристик отдельных сенсоров прибора HEND. Это моделирование было сделано как математически, так и физически - были сделаны макеты отдельных датчиков.

Для пропорциональных счетчиков в ЛНФ были изготовлены полиэтиленовые и кадмиевые чехлы, которые по размерам в точности соответствовали тем, что установлены на летных приборах. С такими моделями отдельных сенсоров были проведены калибровочные измерения, продемонстрировавшие очень хорошую согласованность результатов расчетов и эксперимента.

В программе калибровок использовались несколько источников нейтронов. Были использованы радиоизотопные источники - плутоний- бериллиевый и источник на основе спонтанного деления изотопа калифорния 252Cf. Особенно удобным для калибровки оказался калифорниевый источник, поскольку спектр Pu-Be менее детально описан, и, главное, "мягкая" часть спектра (энергия нейтронов меньше 1 МэВ) очень сильно зависит от конструкции источника. У 252Cf спектр известен очень хорошо, поскольку он фактически описывается распределением Максвелла, и его основной параметр - температура - известен очень точно.

Первые же наши калибровки с 252Cf показали хорошее соответствие расчетам, выполненным на основе метода Монте-Карло сотрудником ОРРИ А.Р.Крыловым. Расхождение составило всего лишь 2-3 процента для одного из счетчиков с самым толстым полиэтиленовым чехлом. Для других - в пределах 5-7 процентов, что тоже весьма неплохо.

Далее мы продолжили наши калибровки на электростатическом ускорителе в ЛНФ. Для получения нейтронов использовались реакции на легких ядрах. В частности 7Li(p,n)8Be. Перед нами стояла задача обеспечить моноэнергетичность, то есть, маленький разброс по энергиям, нейтронов пучка. В случае с реакциями на легких ядрах это обеспечивается тем, что мишень очень тонкая. В случае с реакцией на литии, например, энергетическая ширина нейтронной линии порядка 4-10 кэВ в диапазоне энергий от 300 кэВ до 1000 кэВ. Использовалась также реакция d(D,n)3He, при помощи нашего ускорителя на этой реакции можно получать нейтроны с энергиями 3.5 - 6 МэВ. И, наконец, реакция d(T,n)4He с выходом нейтронов с энергией 11-18 МэВ. То есть в указанных диапазонах можно получать нейтроны, спектры которых фактически представляют собой монолинию. На литиевой мишени это действительно так, а на дейтериевой и тритиевой - немного сложнее, поскольку эти мишени находятся внутри некой конструкции - вакуумной камеры, содержащей элементы из разных материалов. Нейтроны, излучаемые мишенью, многократно рассеиваются, сбрасывают энергию на неупругих процессах и попадают в наш детектор. Это приводит к "размыванию" линии спектра. Так оказалось, что при использовании самой толстостенной камеры при расчетной энергии нейтрона 15,5 МэВ в пике спектра находится лишь 70 процентов нейтронов, а 30 процентов имеют энергию меньше расчетной, а поскольку наши детекторы очень чувствительны к нейтронам низких энергий, вклад в отсчеты детекторов получался завышенным в три раза. Поэтому последние калибровки, сделанные нами в середине февраля, проводились на другом пучке ускорителя, где конструкция камеры более ажурная. При использовании "новой" камеры искажения были значительно меньше, и этот процент примесей было значительно проще учесть при калибровке.

Подытоживая, можно сказать следующее. В результате работы с радиоизотопными источниками и нейтронами из реакций на легких ядрах были получены функции отклика сенсоров прибора HEND на нейтроны с определенной энергией (в указанных выше диапазонах). И теперь мы имеем возможность, во-первых, сравнить экспериментально измеренные функции отклика прибора с расчетными и убедиться, что мы умеем определять спектр нейтронов; и второе - имея такие расчеты и результаты калибровок, мы можем восстановить спектр излучения марсианских нейтронов.

Галина Мялковская.
В материале использована информация Интернет-странички ИКИ РАН.