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γ射線譜儀:獲取全月表元素含量與分布

時間:2013-6-3閱讀:235
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γ射線譜儀:獲取全月表元素含量與分布
       由于各種物質(zhì)受激發(fā)發(fā)出的X/γ射線不同,嫦娥一號衛(wèi)星通過X/γ射線譜儀,分析月球表面的礦物組成和巖石類型,評估其鐵、鈦等14種元素含量和物質(zhì)類型分布特點,初步了解月球的構(gòu)成和資源。
 
    為什么一項任務(wù)要用兩個設(shè)備來共同完成呢?γ射線譜儀分系統(tǒng)主任設(shè)計師常進解釋道:“兩個設(shè)備的探測能量范圍不同,γ射線譜儀的能段是300keV~9MeV,而X射線譜儀的能段是1~60keV。能段一高一低,起到互補的作用。”
 
    紫金山天文臺承制的γ射線譜儀是嫦娥一號的主要有效載荷之一,其科學(xué)使命是獲取全月表有用元素的豐度與分布,進而分析各元素和物質(zhì)類型的富集區(qū)域和分布特點等。
 
    常進介紹,月球表面一些元素(如釷、鈾)本身就有放射性,發(fā)出γ射線;另外一些元素(如硅、鎂、鋁)在宇宙線轟擊下會發(fā)出γ射線。不同元素發(fā)出γ射線的能量有所不同,或者說各種元素都具有特征能量γ射線。
 
    常進說:“如果γ射線譜儀探測到某一元素的特征能量γ射線,就可以證明這種元素的存在。而這種特征能量的γ射線出現(xiàn)的幾率越高,該元素的相對含量也越高。通過統(tǒng)計特征能量的γ射線出現(xiàn)的幾率,就可以探測元素的相對含量。利用這種方法,就可以探測到月球上的一些主要元素,如氧、硅、鎂、鋁、鈣、鐵、鈦、鈉、錳、鉻、鉀、釷、鈾及稀土元素等的含量與分布特征。”
 
    常進進一步指出,根據(jù)探測的結(jié)果,可以繪制各元素的全月球分布圖,發(fā)現(xiàn)月球表面資源富集區(qū),鑒別新的巖石類型,為月球的開發(fā)利用提供有關(guān)的資源分布數(shù)據(jù),以及對月球地質(zhì)歷史進行深入研究。
 
    γ射線譜儀是如何工作的?
 
    “γ射線譜儀由探測晶體、信號采集和放大電路、指令控制和數(shù)據(jù)傳輸電路等主要部分組成。其中主探測器和包裹在外的反符合探測器均為大尺寸的碘化銫晶體。來自月球方向的γ射線進入探測器主晶體,產(chǎn)生熒光,經(jīng)過多次反射后進入光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號。同樣道理,來自其他方向,包括衛(wèi)星材料被高能粒子激發(fā)所產(chǎn)生的熒光,也將會被反符合晶體接收并被經(jīng)過電子學(xué)線路處理和剔除。這樣,γ射線譜儀就得到純粹來自月球表面物質(zhì)的γ射線信息。此外,指令控制和數(shù)據(jù)傳輸電路將按照地面指令對設(shè)備工作狀態(tài)施行控制,并將采集到的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)回地面。”常進介紹。
 
    據(jù)了解,在衛(wèi)星環(huán)繞月球飛行約一年的工作期間,γ射線譜儀將反復(fù)飛經(jīng)月球各個區(qū)域,將飛經(jīng)每一個區(qū)域的探測數(shù)據(jù)累加和處理,就可以得到該區(qū)域內(nèi)不同元素含量的準確信息。
 
    同樣作為探月有效載荷,我國的γ射線譜儀有著自己的特點。“我們的γ射線譜儀跟當年美國月球勘探者(1998年)比較,通俗地講,探測器有效面積大,能量分辨本領(lǐng)高,靈敏度高。跟日本月亮女神的γ射線譜儀相比較,雖然它們的能量分辨比我們高很多,但探測器體積較小,有效面積只有我們的1/10,因此,在幾個兆電子伏以上的高能波段探測方面,我們稍占優(yōu)勢。
 
    兩個儀器的側(cè)重點不同,月亮女神主要研究是否有水,我國的則主要研究全月面元素分布。從γ射線譜儀的工作原理上講,累計有效探測時間越長,效果就越好。”
 
    月球探測用的γ射線譜儀可以在地球上用么?常進的回答是肯定的:“與月球探測類似,空間探測用的γ射線譜儀*可以應(yīng)用到地球資源探查和環(huán)境監(jiān)測上。”
 
    據(jù)介紹,從上個世紀60年代開始,世界上的一些大公司已經(jīng)使用γ射線譜儀來尋找鈾礦。美國、歐洲都采用γ射線譜儀進行了全國掃描,以得到鈾資源在全國的分布。
 
    20世紀80年代開始,隨著技術(shù)的進步,γ射線譜儀不僅可以探測鈾資源,還可以區(qū)分巖石類型,尋找其他礦產(chǎn)資源。其原理與月球探測一樣,由于γ射線無法穿過大氣進入空間,所以必須采用飛機或地面車輛進行觀測。加拿大就采用該方法,發(fā)現(xiàn)了許多鈾礦和金屬礦。
 
    γ射線譜儀還可以監(jiān)測環(huán)境。人類的活動(如開礦、城市建設(shè)等)可以改變當?shù)氐妮椛洵h(huán)境,對該地區(qū)的將來影響很大,有的經(jīng)濟活動可以*改變當?shù)氐沫h(huán)境,造成災(zāi)難性的后果。另外,核電站周圍的環(huán)境,也必須用γ射線譜儀進行監(jiān)測。
 

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