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X射线谱仪:探索元素资源,揭示月球奥秘

http://www.sina.com.cn 2007年12月03日 09:15  科学时报

  作者:陆琦

  嫦娥一号卫星顺利进入月球轨道后,按照预定计划,经过一段时间的在轨测试,卫星上的有效载荷相继打开,开始进行科学探测活动。当我们为之骄傲、为之兴奋的时候,有一群人却忐忑不安,他们就是高能所的有效载荷的研制者们。

  X射线谱仪分系统研制者在接受《科学时报》采访时并未流露出轻松的心情,他说:“从发射场回来心里并不平静,火箭和卫星已取得圆满成功,我们的仪器设备并未加电。对有效载荷来说,随着卫星正常环月后,我们的科学观测才能开始工作。平时,我们去北京飞控中心值班,仅能监测设备的温度状况,关注变轨时和不同环境下的温度变化。我们最担心的就是开机的那一刻,面临的压力很大,因为科学观测成功与否的标志是要有科学数据。”

  据介绍,X射线谱仪是月球资源卫星的重要载荷之一,主要用于探测月表元素受太阳X射线或宇宙射线激发产生的X射线。当太阳X射线或宇宙射线打到月面上,月表物质就会产生荧光X射线,不同物质发出的荧光X射线的波长不同,因此可以得到不同物质的信息。X射线谱仪在一年内,对月球表面1~10keV低能段和10~60keV 高能段月表元素进行探测。主要科学使命有3个:第一,探测月表的镁、铝、硅等主要元素;第二,通过对探测数据的处理获得月表这些元素的含量;第三,确定这些元素在月表的分布情况。另外,在有强太阳活动的情况下,还可能给出钙、铁、钛的含量。

  X射线谱仪探测器采用先进的Si-PIN

半导体探测器技术,具有低功耗、高分辨的特点,主要由3台单机组成。

  其一是X射线探测器:由Si-PIN组成的半导体探测器阵列,包括4路1~10keV的低能探测器,探测面积为1cm2,16路10~60keV的高能探测器,探测面积为16cm2。在轨观测时探测器始终对着月面。

  其二是太阳监测器:由于月表元素受激发产生的荧光X射线与太阳X射线的辐射强度有关,所以X射线谱仪系统设计了太阳监测器。利用太阳监测器监测太阳X射线辐射状态,获得射入到月球的太阳X射线能谱、流强等信息,为X射线谱仪数据处理提供参考依据。太阳监测器探测能区为1~10keV,有效面积为0.25cm2。

  位于卫星顶部,对着太阳,观测太阳X射线,可配合月表X射线观测,进而获得元素的绝对丰度分布。同时可以利用太阳监测器监测太阳活动,做出太阳X射线连续谱。

  其三是电控箱,内含数据获取系统、数据管理系统及软件等,它负责电源供给,在轨观测元素信号的处理、数据管理、数据传输等,并将信号传到卫星有效载荷的大容量存储器,通过卫星传到地面控制中心。

  据介绍,X射线谱仪设计有21路探测器,是此次载荷中探测器路数最多的系统,为有效预防多路探测器之间相互干扰,在硬/软件设计中还专门设计了“隔离”探测器单元功能及对太阳监测器计数率的调阈指令,以提高探测器在轨长期工作的可靠性。

  研制者介绍,通过分析、融合和归纳X射线谱仪探测器与太阳监测器的观测结果,可以绘制各元素的全月球分布图,发现月球表面资源富集区,鉴别新的类型,为月球的开发利用提供资源分布的数据,以及检验月球形成与演化的模型,为月球演化的深入研究提供重要信息和有用数据。

  据了解,X射线谱仪是我国绕月探测工程实现月球资源探测、研究月球组成预演化等的重要手段和有效方法之一。“在我国探月工程分三步走的进程中,通过一期嫦娥一号卫星有效载荷绕月工程在轨观测,我们将获得月球表面元素的种类及其含量、分布。有了月表元素分布图,就能为探月二期工程利用月球车登月后进行资源探测和进一步的科考研究提供依据,为研究月球的形成、演化模型和未来资源开发利用提供更进一步的验证信息。”

  20世纪70年代,美国Apollo-15、Apollo-16从环月轨道上各发射了一颗环月运行的科学卫星,卫星上就有荧光X射线探测器,首次在环月轨道上探测月表X射线荧光,进而研究月表的地质化学组成。2003年,欧空局发射的SMART-1卫星在0.5~10keV能区探测了镁、铝、硅的绝对分布;今年9月日本发射的月亮女神也对月球元素进行了探测。印度2008年将发射探月卫星, 对月球低能X射线进行探测。

  研制者表示:“总之,20世纪90年代后,国际上兴起的新一轮探月热,这不仅因为月球是地球的天然卫星,更重要的还在于月球宝贵的资源和月球位置的价值。因为通过元素探测,我们可以知道月球上分布着哪些资源,将来开发月球时可选择在资源富集的地区,通过开采月球资源,满足人类社会的需求。”因此,对月球元素探测是一项很重要的科学研究。

  当谈到X射线谱仪的应用时,研制者介绍,近期一些天文卫星上都会应用X射线探测器。今后,星载探测器发展的趋势是高性能、低功耗、小体积、轻重量。在探月二期工程中,我们将在一期的研制基础上,使X射线探测器设计更简化、更小巧、更可靠、更高性能,可把它安装在月球车机械臂上,在月球上行走,实现近距离元素探测。

  嫦娥一号卫星探测工程在国防科工委月球探测工程中心、航科集团探月卫星总体及中科院有效载荷总体部的领导下,用不到4年时间完成一项复杂而庞大的工程,开创了我国航天史上研制时间最短的先例。X射线探测器作为中科院承制的有效载荷之一、我国深空X射线探测能段首例,在研制进程中遇到不少困难。

  研制者介绍,X射线探测器具有灵敏度高、分辨率好、重量轻及功耗低等特点,但易受到外界干扰,特别是温度的影响。要把探测器送到远离地球38万公里以外的月球轨道工作,那里的空间环境如何?我们并无第一手资料,由于我们探测器入射窗是暴露在卫星外,月球表面的昼夜周期极限温度变化非常大,温度环境对探测器性能有影响;另外探测器采用的硅半导体阵列,每片厚度仅微米数量级,承受外力的能力差和弱探测信号等不利因素都给设计、研制、温控,特别是工艺设计等方面带来不少困难。因此在设计研制中,探测器对空间环境、力学环境适应性等方方面面的问题都需加以考虑,一不周全,就可能导致在试验特别是发射和在轨工作时不可挽回的损坏。“由于研制时间短、压力大、责任重,我们如履薄冰。”

  研制者特别指出:“我们X射线谱仪项目组是一支年轻的队伍,多数是刚毕业或在读学生,他们缺乏航天工程方面的经历,都是边干边学,在实干中成长。航天工程是一项高科技、高难度和高风险的工作,它可以磨练人的意志、培养人对工作的高度责任感以及‘严、慎、细、实’的工作作风。”

  为完成嫦娥一号卫星首次深空探测任务,为保障工程进度,X射线谱仪项目组几年来无节假日,每天几乎都工作到晚上12点,整夜不眠已是常事。“2005年,我们干了361天;2006年,我们干了355天,我们的项目组3年干了近5年的工作量。直至2007年初,项目组才有少数人春节放假回家与家人团聚。”

  研制者说:“搞航天是非常辛苦的,要有航天人的精神,要有吃苦耐劳的精神,要有对国家、人民高度负责任的精神,要树立一种无私奉献的信念。”

  X射线谱仪的研制并非一帆风顺,经历了坎坷的历程,每前进一步,都曾遇到不同程度的困难。X射线谱仪的成功研制,凝聚着项目组每位参研人员的智慧与辛劳。

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