RUSENG

Состоявшийся пуск

КА Eutelsat 9B ("ЮтелСат-9Б")
РБ "Бриз-М"
РН "Протон-М"

Российский нейтронный детектор ДАН для проекта мобильного посадочного аппарата НАСА «Марсианская научная лаборатория»

Задачи проекта

 

Целью ОКР является разработка и изготовление научной аппаратуры для российского прибора Детектор Альбедных Нейтронов /англ. Detector of Albedo Neutron, ДАН/ включенного в состав полезной научной нагрузки мобильного посадочного аппарата НАСА «Martian science laboratory» /MSL/, запуск которого запланирован на 2009г.  (пресс-релиз НАСА № 04-398 от 14 декабря 2004г.) 

 

В основе проекта ДАН лежит научный, технический и технологический задел проекта российского прибора ХЕНД успешно работающего на борту КА НАСА «2001 Марс Одиссей». Эксперименты ДАН и ХЕНД имеют общую методологию – исследование методами ядерной планетологии состава грунта небесного тела и поиск воды на нем с борта космического аппарата. Но если прибор ХЕНД регистрирует естественное нейтронное альбедо Марса, возникающее под действием космических лучей, то в эксперименте ДАН для активного нейтрон – нейтронного зондирования грунта, в качестве источника нейтронов используется импульсный нейтронный генератор.

 

Цель и Назначение

 

Целью  работ по проекту ДАН  является разработка, на базе наработок проекта ХЕНД и изготовление аппаратуры ДАН, для установки на мобильную лабораторию MSL проекта НАСА и проведения, в течение 2009 – 2012 гг., исследований содержания в грунте Марса воды вдоль трассы движения аппарата с пространственным разрешением около 1м по горизонтали и до 1м в глубину методом активного нейтрон – нейтронного зондирования с использованием нейтронного генератора.

 

Назначение научного комплекса ДАН состоит в обеспечении физических измерений с борта мобильного аппарата (марсохода) альбедных нейтронов высоких и низких энергий производимых в грунте космическими лучами и импульсным нейтронным генератором.

 

Принцип работы

 

Проведенные наблюдения прибором ХЕНД с орбиты показали, что представляет большой научный интерес проведение исследований нейтронных потоков непосредственно на поверхности Марса. Это позволит привязать данные орбитальных измерений прибора ХЕНД к данным на поверхности и  уточнить карты распространенности воды на всем Марсе, а также непосредственно найти участки с наибольшим содержанием воды в районе работы мобильной лаборатории наиболее интересные для исследования другими аналитическими приборами на ее борту. Для анализа состава вещества грунта и получения полной картины распределения воды в нем с борта мобильной лаборатории предложено регистрировать как естественное стационарное, так и искусственное динамическое нейтронное альбедо, генерируемое искусственным источником нейтронов (т.н. метод активного нейтрон – нейтронного зондирования грунта). Для реализации такого КЭ наиболее приемлем, в качестве источника частиц, нейтронный генератор с потоком до 108 нейтронов/имп. с частотой до 10 имп./сек, а в качестве детекторного блока  – блок, аналогичный прибору ХЕНД с высоким временным разрешением.

 

В качестве источника нейтронов в импульсном нейтронном генераторе прибора ДАН 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:

 

 

Результаты численного моделирования показали, что регистрация потоков тепловых и эпитепловых нейтронов может дать ценную информацию, как о содержании воды в грунте, так и о распределении слоев водяного льда в нём.

 

На рис. 1 показаны результаты расчета кривых спада потока тепловых нейтронов от однородного грунта с разным содержанием воды после облучения его импульсом нейтронов длительностью 1 ms.

Результаты численного моделирования динамического нейтронного альбедо

(т.н.«die away profile») для тепловых нейтронов в случае однородного грунта

(состав грунта “Mars Pathfinder”) с разным содержанием воды [0% - 10%]

 

На рис. 2 показаны результаты расчета кривых спада потока тепловых нейтронов от однородного сухого грунта для разной глубины залегания влажного, с содержанием воды 10%, грунта после облучения его импульсом нейтронов длительностью 1 ms.

 

Результаты численного моделирования динамического альбедо

для тепловых нейтронов от грунта Марса (состав грунта “Mars Pathfinder”)

для разной глубины залегания влажного грунта [10% воды] под слоем сухого грунта.

 

Были проведены экспериментальные отработки на специальном стенде в ОИЯИ, на котором имитировался грунт Марса и разная  глубина залегания воды (в случае эксперимента - полиэтилена). На рис. 3 показаны результаты таких измерений. Облучение макета проводилось с помощью промышленного нейтронного генератора ИНГ-101 (прототипа блока генератора для прибора ДАН) с  длительностью импульсов нейтронов около 1 ms.

Результаты физических измерений динамического нейтронного альбедо тепловых

 нейтронов для разной глубины залегания полиэтилена в модельном грунте Марса.

Черный – без полиэтилена, синий – 10 см, красный – 20 см зеленый 40см.

 

Конструкция прибора и размещение на борту

 

Научная аппаратура ДАН включает в себя следующие узлы:

  • узел детектирования;
  • узел нейтронного генератора;
  • узел электроники;

Узел детектирования и узел электроники конструктивно объединены и выполнены в виде моноблока ДАН-БД сложной формы. Узел нейтронного генератора также выполнен в виде моноблока сложной формы. Блоки ДАН-БД и ДАН-НГ соединяются между собой кабелем.

 

Генератор, производящий импульсы нейтронов с энергий 14 МэВ с частотой до 10 имп./сек и потоком до 108 нейтр./имп. создается Всероссийским научно-исследовательским институтом автоматики им. Н.Л. Духова (г. Москва) – мировым лидером и ведущим российским институтом по производству нейтронных генераторов для военных и гражданских нужд.

 

Вариант технической реализации блоков научной аппаратуры ДАН

 

Увеличить

Увеличить

Технический эскиз детекторного блока прибора ДАН без ЭВТИ. Вариант сент. 2005г.

Технический эскиз генераторного блока прибора ДАН без ЭВТИ. Вариант сент. 2005г.

 

Основные параметры научного комплекса ДАН

 

Пространственное разрешение по поверхности

1  м

Пространственное разрешение по глубине

1  м

Рабочий диапазон температур

от -50° до + 50°

Ресурс

5 лет

Потребляемая мощность

14 Вт

Объем телеметрии

3 Мб в день

 

Основные характеристики блоков прибора ДАН

 

Блок детекторов

Размеры

160 x 195 x 56 мм

Масса

1.9 кг не более

Основной конструктивный материал

Амг-6

Потребляемая мощность

3 Вт

Диапазон регистрации нейтронов

0,4 эВ – 10 МэВ

Временное разрешение

1 мкс

Блок генератора

Размеры

330 x 120 x 43 мм

Масса

2,7 кг

Основной конструктивный материал

Амг-6

Потребляемая мощность

11 Вт

Энергия нейтронов

14 МэВ

Выход нейтронов в импульсе, н/имп

1х107 

Длительность нейтронного импульса, мкс

1

Ресурс работы (импульсов)

107

Частота, Гц

10

 

Блоки прибора ДАН имеют простое крепление на борт с 4-мя посадочными местами для блока детекторов и 6-ю для генератора. Он будет связан специальным контролируемым тепловым интерфейсом с научной палубой КА и будет изолирован слоем ЭВТИ. 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.

 

Размещение блоков прибора ДАН на борту марсохода

 

Увеличить

Увеличить

Предварительная концепция марсохода НАСА «Mars Science Laboratory » и размещение блоков прибора ДАН.

 

Порядок работ по проекту. разработчики и Соисполнители

 

Заказчик -  Федеральное космическое агентство.

 

Головной исполнитель – Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН). Руководитель проекта ЛЕНД – д. ф.-м.н. И.Г. Митрофанов (imitrofa@space.ru).

 

Работы по проекту ДАН ведутся по теме МСП-2001  на основании гос. контракта № 025-5452/04 от 27.02.2004 г. и включены в ФКП 2006 -2015гг.

 

Работы по проекту ДАН запланированы  на период с 2004 по 2009 гг. (разработка, испытания, компоновка и поставка инструмента)  и 2009 – 2012 гг. (управление и обработка полученных данных). Официальное время запуска КА запланировано на 2009 год.

 

Кооперация по проекту и роли участников

 

ФГУП Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова (г. Москва)

Создание блока нейтронного генератора для прибора ДАН

Институт Машиноведения РАН им. А.А. Благонравова  (г. Москва)

Создание математической модели механической конструкции прибора; участие в создании испытательной базы для прибора ДАН в соответствии с требованиями НАСА; в подготовке методик проведения механических испытаний образцов и сопровождение испытаний образцов прибора.

Объединенный Институт Ядерных Исследований (г. Дубна, Московская обл.)

Математическое моделирование счетных характеристик прибора ДАН; участие  в разработке физической схемы прибора ДАН, подготовка и проведение калибровок образцов прибора на естественных и искусственных источниках нейтронов и на модельном стенде

Институт Геохимии и Аналитической Химии им. В.И. Вернадского РАН (г. Москва)

Моделирование геологической обстановки на трассе марсохода для оптимизации конструкции ДАН и обработки научных данных

Лаборатория реактивного движения НАСА  (JPL, USA)

Испытания инструмента в составе КА, обработка данных совместно с данными других экспериментов

Университет Аризоны

(UofA, USA)

Управление прибором в полете и подготовка данных