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X射线谱仪

X射线谱仪由X射线谱仪探测器太阳监测器电控箱三部分构成,主探测器采用Si-PIN组成半导体探测器阵列,在1keV~60keV能区,实现对全月面成像观测,即得到X射线月貌图,其中,在10keV~60keV能段将是人类首次在环月轨道上对月面的观测。

中文名:X射线谱仪

外文名:X-ray spectrometer

组成1:X射线谱仪探测器

组成2:太阳监测器

组成3:电控箱

目录

X射线谱仪简介

X射线谱仪设计有20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 [1]

X射线谱仪指向月面,由16路硬X射线半导体探测器阵列,4路高分辨软X射线半导体探测器组成,分别用于探测月表不同元素或天然放射物质发生的特征X射线,获得不同能段X射线的能谱 ;[2]

X射线谱仪特点

X射线谱仪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。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。

X射线谱仪组成

X射线谱仪主要由X射线谱仪探测器,太阳监测器和电控箱组成。

1.太阳监测器:指向太阳,监测太阳X射线辐射,配合月表X射线观测,获得元素的绝对丰度分布。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。

2.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。

3.X射线谱仪探测器: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。一般位于卫星顶部,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。太阳监测器探测能区为1~10keV,有效面积为0.25cm2。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。

X射线谱仪性能

X射线谱仪X射线谱仪和太阳监测器分别安装在卫星顶板和侧板上。其中,X射线谱仪用于探测月球表面元素受太阳X射线或宇宙射线激发产生的荧光X射线,如Mg、Al或Si元素等。其飞行方向与卫星轨道成45度角,正对月面。太阳监测器正对太阳,监测太阳活动,从而得到入射的太阳X射线能谱,结合X射线谱仪,获得到相关元素的绝对丰度。在月表向阳面,当太阳X射线射到月表,发生光电效应,产生X射线荧光;这些荧光被X射线谱仪某个(些)探测器单元探测到,经过后级电子学系统处理,将所探测信号转换数字信号后,以1024道能谱的方式被记录, 并经1553B总线传到地面 。

太阳监测器采集太阳X射线,将所探测信号转换数字信号后,并以1024道能谱的方式被记录,并经1553B总线传到地面,探测器单元的硅介质与一定能量的X射线荧光产生光电效应,至少产生一个电子空穴对,由此产生的电信号反映月表不同元素或天然放射物质发生的特征X射线能量不一样,将被观测信号以不同能谱方式记录,根据这些能谱,依据定标曲线推算对应的元素 。

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 ;[3]

X射线谱仪应用

我国“嫦娥一号”探月卫星的一个有效载荷,它可探测月表元素受太阳X射线或宇宙射线激发产生的X射线荧光,并能对太阳X射线辐射进行监测,通过数据反演法可获得月表主要元素的含量和分布,以确定月表岩石类型和资源分布,并为月球探测和检验月球形成与演化模型提供重要信息。

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。

视频

一分钟带你了解什么是X射线荧光光谱仪检测

参考文献