小行星表面元素探测用伽玛射线谱仪关键技术及能谱解析方法研究

The elemental detection of the asteroid is very important to understand the compositional distribution of the early solar system and the gamma-ray spectrometer is considered as the best instrument to measure the elemental distribution on the surface of the asteroid. With the deep-space exploration has been identified in the China’s 13th Five-Year Plan, asteroid will be the next target for the China’s deep-space exploration in the near future. Gamma-ray spectrometer, as an effective instrument for the composition detection of the asteroid, will be highly competitive for the China’s asteroid mission. In this project, we plan to study the key technologies for the new generation of gamma-ray spectrometer, which is suitable for the long-distance and long-duration exploration of the asteroid with small size and low gamma-ray flux. We plan to use Monte Carlo method to simulate the gamma-ray flux from the asteroid surface and constrain the performances of gamma-ray spectrometer. Then we try to use the new scintillator (Strontium Iodide, SrI2), combining the CdZnTe material, to develop a new gamma-ray spectrometer with high energy resolution and high detection efficiency. The spectrum analysis method will be also studied. This project will offer an option for the formulation of the scientific objectives and configuration of the payloads for the China’s asteroid mission in the future.

小行星表面元素探测是了解太阳系形成初期物质分布的重要途径。伽玛射线测量技术是探测小行星表面元素分布的常用手段之一。随着深空探测被正式列入中国的“十三五”规划以来，预计在不久的将来，我国也将正式启动小行星的探测任务。作为表面元素探测的伽玛射线谱仪，将会成为极具竞争力的载荷之一，搭载在中国的探测卫星上，对太阳系内目标小行星进行深入探索。本课题基于我国目前的深空探测计划，针对小行星探测的特殊性（例如，卫星长距离飞行，探测目标较小、 表面伽玛射线通量低等），展开新型伽玛射线谱仪关键技术研究。本课题将使用蒙特卡洛方法，理论仿真小行星探测伽玛射线谱仪的性能要求。同时，研究使用新型闪烁晶体碘化锶，结合碲锌镉晶体，研制具有高能量分辨、高探测效率伽玛射线谱仪的原理样机，以及相关能谱解析方法。本项目的实施可以为我国将来小行星探测计划科学目标的制定和有效载荷的配置提供可选方案。

小行星探测已经列入中国深空探测战略蓝图，即将在未来5年内实施。本项目基于小行星探测用伽玛射线谱仪的需求，预先开展研究，研制出适合小行星伽玛射线测量用具有高能量分辨（能量分辨好于3%@662 keV）的探测器原理样机模块，为未来实际探测器的设计等解决探测器所需的关键技术。考虑到碘化锶的自吸收，本项目分别对高能量分辨的闪烁体探测器LaBr3和常温半导体探测器CdZnTe，开展了伽玛射线探测系统的研究，完成了原理样机模块的研制。实验室测试表明，本项目所研制的CdZnTe像素探测器原型系统的能量分辨约为1.18%@ 662keV，达到了研究目标要求，解决了本项目中探测器所需的关键技术。此外，本项目理论上理论出发，系统研究了伽玛射线谱仪的能谱响应函数，空间响应函数，并根据太阳系小行星的主要物质成分分布特征，理论上仿真了小天体表面释放的伽玛能谱特征，开展了高效的能谱解析方法研究；并且结合伽玛谱仪的能谱和空间响应函数，反演了小天体表面的主要物质成分分布特征。反演结果与理论结果符合较好，达到了目标要求。本项目在小行星探测用伽玛射线探测器原理样机研究过程中的关键技术以及能谱解析方法为未来中国小行星的元素探测提供了参考。