1、通過研究分析
月球上多種放射性元素的特征伽馬譜線,有助于更好地了解月球的總體組成及月球的形成與演化過程,也有助于明確月球上可供人類利用的資源的分布。我國發射的探月衛星嫦娥一號,在繞月飛行中通過裝載的伽馬射線譜儀\\(CE1-GRS\\)對月球空間放射性環境進行了長時間測量,取得大量有效數據。
在對伽馬譜線的解析中,既有來自于月表天然放射性元素衰變釋放出的伽馬射線,又有來自于銀河宇宙射線\\(GCR\\)與月表核素發生簇射反應產生的伽馬射線,CE1-GRS的實測譜線是兩者的疊加,對伽馬譜線的的定量分析造成干擾。本文利用蒙特卡羅方法模擬GCR與月表核素發生反應的過程,得到其放出的伽馬射線能譜,并模擬在CE1-GRS中的相應能譜,通過與實測伽馬能譜數據對比,分析Fe、Si、Th等核素的伽馬射線特征峰。
1月球伽馬射線CE1-GRS在距月表200km軌道高度采集月表伽馬射線數據,主探測器平均3s記錄1條譜線,在數據處理中一般采用對月表進行一段時間探測后某區域得到的累積能譜數據。圖1為月球赤道附近某5°×5°區域對應的0.3~11.2MeV能量范圍的318s累積譜線。月表其他區域對應的譜線也具有相似的譜形特征。
月球表層伽馬射線主要由兩個衰變過程產生的射線組成。一部分來自于月球表面鈾、釷、鉀等長壽命天然放射性元素由于衰變直接釋放出的天然伽馬射線。另一部分來自于月表環境中銀河宇宙射線\\(主要是質子\\)與月球表面物質發生簇射反應過程。此過程中產生高能量的中子和次級質子并在月球表層引起核反應,產生大量伽馬射線。其中,中子在月球表面與核子發生多次碰撞,逐漸丟失能量,直到被核俘獲吸收。特征伽馬射線由快中子的非彈性碰撞和熱中子俘獲產生。
2、月表GCR強度及能量
2.1月表宇宙射線來源
月表宇宙射線包括GCR和太陽宇宙射線\\(SPE\\),其強度不是恒定的,分為急劇變化和緩慢變化。急劇變化主要由太陽粒子事件———太陽耀斑和日冕質量噴射\\(CMEs\\)產生的高通量帶電粒子造成,能量范圍一般為1MeV~10GeV。太陽耀斑射線中絕大部分是質子流\\(占90%以上\\),故稱為太陽質子事件。每次太陽耀斑爆發所產生的太陽宇宙線事件,其強度和能譜均不完全相同,持續時間較短,約幾個小時;而對于日冕質量噴射,具有較大的質子通量,持續時間較長,約幾天。太陽粒子事件發生時,會極大地干擾伽馬譜儀的數據,所有道的計數激增,造成數據異常。CE1工作時間從2007年11月到2009年3月,此時段并不是太陽活動的活躍期,期間偶有太陽耀斑爆發造成數據異常,數據處理過程中,一般將此時間段測得的數據視為無效數據直接剔除。
GCR是指來自太陽系外銀河系的高能粒子。其中,豐度最大的是質子,約為88%;其次是α粒子,約為10%;其余為重核子。大部分粒子的能量范圍集中在10~105MeV。
GCR能譜變化與太陽活動期相關,太陽活動低年時,GCR流量較高,太陽活動高年的GCR流量較低[8]。
2.2GCR流量和能量分布
Castagnoli等[9]最早給出了計算月球表面GCR強度的經驗公式,并被Masarik等于996年修正。修正后的計算公式為:
其中:g\\(T,\ue788\\)為確定修正參數\ue788后,單位面積、單位時間、單位能量\\(1MeV\\)范圍內的粒子數;T為粒子的能量,MeV;E0為粒子的靜止能量,MeV;m=aexp\\(-bT\\);質子和α粒子的給定計算參數A、a、b和γ列于表1。
的計算方法由式\\(2\\)算出[9],其中C為探測器McMudo的計數
McMudo是坐落在地球南極點的探測器,主要用于探測空間輻射環境中GCR主要粒子注量。
\ue788=450+\\(900-450\\)\\(C-9762\\)/\\(8728-9762\\)\\(2\\)CE1運行期間\\(2007年11月—2009年3月\\)\ue788的變化如圖2所示,其范圍在170~330之間,平均值為240。
將\ue788平均值代入式\\(1\\),分別計算出CE1運行期間質子和α粒子在不同能量時,單位能量區間\\(1MeV\\)內的注量率分布,如圖3所示。
可看出,隨能量的增加,每秒單位面積單位能量的粒子數先是急劇上升,在200~300MeV之間達到最高值,之后呈指數遞減,α粒子注量率遠小于質子注量率,約占質子注量率的7%。
3、蒙特卡羅模擬條件設定
蒙特卡羅模擬分為兩個階段:
1\\)模擬GCR與月表物質發生簇射反應的過程;2\\)模擬第1階段生成的粒子作為源擊中CE1-GRS探測器的結果。第1階段的模擬中,模擬條件輸入如下:模擬源為質子和α粒子的混合源,\ue788取平均值240,能量范圍為5~105MeV,粒子強度和能量分布由式\\(1\\)算出。粒子出射方向指向月球球心。
月表材料密度為1.76g/cm3,主要元素含量列于表2。因月面地形起伏對探測數據影響不大,所以月球被模擬成一半徑為1738km、物質均勻且平滑的球體。
由于土壤對伽馬射線的自吸收,在模擬中僅考慮線性密度100g/cm2內逃逸的伽馬射線。生成粒子的記錄面為包裹住月球的球體。第2階段的模擬中,模擬條件輸入如下:模擬源的強度和能量分布出自第1階段的計算結果。因月球半徑遠大于CE1-GRS探測高度200km,模擬源近似為平面源,為合理簡化,計算模擬源粒子以平行束入射探測器。模擬CE1-GRS各項參數列于表。
4、蒙特卡羅模擬結果及分析
GCR與月表物質發生簇射反應產生光子的模擬結果如圖4所示,模擬能譜范圍為0~15MeV。從圖4可看到明顯的湮沒輻射峰0.511MeV、56Fe\\(n,nγ\\)反應產生的0.8476MeV的伽馬峰、28Si\\(n,nγ\\)反應產生的1.7808MeV的伽馬峰和16O\\(n,nγ\\)反應產生的6.12MeV的伽馬峰等。將此結果作為源,模擬計算出在CE1-GRS中的響應能譜,如圖5所示,能量范圍為0.3~11.2MeV。為了與實際測量曲線對比,將模擬譜線計數率換算成與實測相同的318s計數,截取能量范圍為0.68~2.5MeV。依照此能區譜形,用指數加二次函數擬合本底能譜,扣除本底后,如圖6a所示。
將圖1所示的實測伽馬譜線,截取能量范圍為0.68~2.5MeV,同方法扣除本底后,得出結果如圖6b所示。與圖6a對比,可發現:
1\\)兩圖中均有明顯的0.8476MeV的Fe峰。當探測器各性能參數及測量時間已知時,峰面積和GCR強度與月表Fe含量相關。如確定GCR強度,可通過峰面積確定月表元素Fe的含量。
2\\)圖6b中可看到0.94MeV附近有特征峰,在圖6a中不存在,可得知它來自月表長壽命天然放射性元素,與GCR無關。根據Reedy[2]給出的月表各元素發出最強烈伽馬射線的能量值及光子注量率列表,推測此峰為Th\\(能量0.9689和0.9646MeV\\)的特征峰。
3\\)圖6a中可看到1.7808MeV的Si峰,但在圖6b中此位置附近除了Si,還有來自月表長壽命天然放射性元素的其他峰。根據注量率表推測此處是Si和U\\(1.7645和1.7296MeV\\)的混合峰。
5、結論
1\\)給出了定性定量分析月表多種非天然放射性核素的方法,通過此方法,很好地將月表天然和非天然放射性元素的特征峰區分。
2\\)扣除本底噪聲的方法需進一步研究,以給出核素更精確的含量。
3\\)若使用更合理的方法扣除噪聲,求出實測和模擬譜線相對應的峰面積并進行比較,可判斷所使用的月表元素比例是否合適,并進行調整,直到峰面積相等,可得出月表非天然放射性元素的含量。
4\\)嫦娥二號裝載能量分辨率更高的LaBr3探測器給出更好的特征峰。用此方法分析譜線可得到更多、更精確月表非天然放射性核素的含量。
