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X射線譜儀由X射線譜儀探測器太陽監測器電控箱三部分構成,主探測器採用Si-PIN組成半導體探測器陣列,在1keV~60keV能區,實現對全月面成像觀測,即得到X射線月貌圖,其中,在10keV~60keV能段將是人類首次在環月軌道上對月面的觀測。

中文名:X射線譜儀

外文名:X-ray spectrometer

組成1:X射線譜儀探測器

組成2:太陽監測器

組成3:電控箱

X射線譜儀簡介

X射線譜儀設計有20路探測器,是此次載荷中探測器路數最多的系統,為有效預防多路探測器之間相互干擾,在硬/軟件設計中還專門設計了「隔離」探測器單元功能及對太陽監測器計數率的調閾指令,以提高探測器在軌長期工作的可靠性 [1]

X射線譜儀指向月面,由16路硬X射線半導體探測器陣列,4路高分辨軟X射線半導體探測器組成,分別用於探測月表不同元素或天然放射物質發生的特徵X射線,獲得不同能段X射線的能譜 ;[2]

X射線譜儀特點

X射線譜儀X射線探測器具有靈敏度高、分辨率好、重量輕及功耗低等特點,但易受到外界干擾,特別是溫度的影響。由於我們探測器入射窗是暴露在衛星外,月球表面的晝夜周期極限溫度變化非常大,溫度環境對探測器性能有影響;另外探測器採用的硅半導體陣列,每片厚度僅微米數量級,承受外力的能力差和弱探測信號等不利因素都給設計、研製、溫控,特別是工藝設計等方面帶來不少困難。

X射線譜儀組成

X射線譜儀主要由X射線譜儀探測器,太陽監測器和電控箱組成。

1.太陽監測器:指向太陽,監測太陽X射線輻射,配合月表X射線觀測,獲得元素的絕對豐度分布。由Si-PIN組成的半導體探測器陣列,包括4路1~10keV的低能探測器,探測面積為1cm2,16路10~60keV的高能探測器,探測面積為16cm2 。在軌觀測時探測器始終對着月面。

2.電控箱:內含數據獲取系統、數據管理系統及軟件等,它負責電源供給,在軌觀測元素信號的處理、數據管理、數據傳輸等,並將信號傳到衛星有效載荷的大容量存儲器,通過衛星傳到地面控制中心。

3.X射線譜儀探測器:利用太陽監測器監測太陽X射線輻射狀態,獲得射入到月球的太陽X射線能譜、流強等信息,為X射線譜儀數據處理提供參考依據。一般位於衛星頂部,對着太陽,觀測太陽X射線,可配合月表X射線觀測,進而獲得元素的絕對豐度分布。同時可以利用太陽監測器監測太陽活動,做出太陽X射線連續譜。太陽監測器探測能區為1~10keV,有效面積為0.25cm2。採用先進的Si-PIN半導體探測器技術,具有低功耗、高分辨的特點,主要由3台單機組成。

X射線譜儀性能

X射線譜儀X射線譜儀和太陽監測器分別安裝在衛星頂板和側板上。其中,X射線譜儀用於探測月球表面元素受太陽X射線或宇宙射線激發產生的熒光X射線,如Mg、Al或Si元素等。其飛行方向與衛星軌道成45度角,正對月面。太陽監測器正對太陽,監測太陽活動,從而得到入射的太陽X射線能譜,結合X射線譜儀,獲得到相關元素的絕對豐度。在月表向陽面,當太陽X射線射到月表,發生光電效應,產生X射線熒光;這些熒光被X射線譜儀某個(些)探測器單元探測到,經過後級電子學系統處理,將所探測信號轉換數字信號後,以1024道能譜的方式被記錄, 並經1553B總線傳到地面 。

太陽監測器採集太陽X射線,將所探測信號轉換數字信號後,並以1024道能譜的方式被記錄,並經1553B總線傳到地面,探測器單元的硅介質與一定能量的X射線熒光產生光電效應,至少產生一個電子空穴對,由此產生的電信號反映月表不同元素或天然放射物質發生的特徵X射線能量不一樣,將被觀測信號以不同能譜方式記錄,根據這些能譜,依據定標曲線推算對應的元素 。

分析、融合和歸納X射線譜儀探測器與太陽監測器的觀測結果,可以繪製各元素的全月球分布圖,發現月球表面資源富集區,鑑別新的類型,為月球的開發利用提供資源分布的數據,以及檢驗月球形成與演化的模型,為月球演化的深入研究提供重要信息和有用數據 ;[3]

X射線譜儀應用

我國「嫦娥一號」探月衛星的一個有效載荷,它可探測月表元素受太陽X射線或宇宙射線激發產生的X射線熒光,並能對太陽X射線輻射進行監測,通過數據反演法可獲得月表主要元素的含量和分布,以確定月表岩石類型和資源分布,並為月球探測和檢驗月球形成與演化模型提供重要信息。

一些天文衛星上都會應用X射線探測器。今後,星載探測器發展的趨勢是高性能、低功耗、小體積、輕重量。在探月二期工程中,我們將在一期的研製基礎上,使X射線探測器設計更簡化、更小巧、更可靠、更高性能,可把它安裝在月球車機械臂上,在月球上行走,實現近距離元素探測。

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參考文獻