用于探测行星表面元素成分的伽马射线谱仪

分类号密级UDC 编号

中国科学院研究生院

博士学位论文

用于探测行星表面元素成分的伽马射线谱仪

马涛

指导教师甘为群研究员、博士、中科院紫金山天文台

常进研究员、博士、中科院紫金山天文台申请学位级别博士学科专业名称空间天文学论文提交日期论文答辩日期

培养单位中国科学院紫金山天文台

学位授予单位中国科学院研究生院

答辩委员会主席

GAMMA-RAY SPECTROMETER FOR ELEMENTS COMPOSITION

ON PLANETARY SURFACES

A Dissertation for the Doctoral Degree of

in the Graduate School of Chinese Academy of Sciences

By

Tao Ma

Directed By

Wei Qun Gan

Jin Chang

Chinese Academy of Sciences

11，2011

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摘 要

探测行星表面物质成分可以帮助人们理解行星的形成和演化机制，是行星探测任务的重要科学目标之一,而利用伽玛射线谱仪探测特征伽玛射线来获取行星表面物质成分被证明是一种有效的手段，其探测历史已经有了几十年。嫦娥一号卫星是我国首次对月球进行探测，其上面搭载的伽马射线谱仪的科学目标是月表物质成分的识别以及绘制元素分布图。本文介绍了探测行星表面物质成分的伽马射线谱仪的原理，描述了嫦娥一号伽马射线谱仪的工作原理以及仪器标定和验证结果。本文的主要工作分为两个方面，一是对嫦娥一号伽玛射线谱仪数据进行处理，另一方面是对未来的探测任务设计探测器。嫦娥一号探测任务是我国首次对月球进行探测，其上面携带了伽玛射线谱仪，采用CsI晶体，由于没有实测背景数据以及累积时间不够等条件的影响，仅获取了月面放射性元素（K、Th、U）的分布图，目前嫦娥二号已经发射成功，其上面携带的伽玛射线谱仪采用了能量分辨率较高的LaBr3晶体，初步分析结果表明，通过特征谱线能够识别K、Th、Fe、Ca、Al、Si、O、Ti等元素。火星探测器是未来的任务之一，初步方案设计和预期结果表明，探测器的设计可以满足任务需求。

关键词：行星，月球，伽马射线，溴化澜

Abstract

Measuring the gamma ray fluxes produced by the interaction of galactic cosmic rays with planetary surfaces and radioactive material allow constraining the chemical composition of the planetary surfaces. The analysis of the spectra thus obtained is used to identify and quantify the gamma emitting nuclides contained in the material.The fluxes of gamma rays emitted by a planetary surface allow mapping many elements of interest for deriving the geological history of a body.The present work focus on data processing based on two experiments, Chang’E-1 and Chang’E-2 Gamma Ray Spectrometer. Chang’E-2 Gamma Ray Spectrometer has a LaBr3 crystal with better energy resolution than Chang’E-1 Gamma Ray Spectrometer. The method how to process the data from Chang’E-1 is reviewed, and qualitative lunar maps of major elements ( K, Th, U) have been presented.Regretfully, the cislunar spectrum of Chang’E-1 GRS was not collected. Nevertheless, we give a method to estimate the background count rate in the energy field from 0.55 to 2.75MeV. Analysis of the Chang’E-2 Gamma ray spectrum showed the line of K、Th、Fe、Ca、Al、Si、O、Ti and the work is going on. The detector for the future Mars Mission has been designed and the expected results are studied.

KEY WORDS：Planet, Lunar, Gamma ray, LaBr3