【嫦娥四號】月球著陸器中子和劑量測量（LND）實驗

一、引言

嫦娥四號任務是中國月球探測計劃的重要里程碑，實現了人類首次在月球背面軟著陸，并展開了月面巡視和中繼通信。本文所描述的嫦娥四號著陸器上的中子與劑量測定實驗（Lunar Lander Neutrons and Dosimetry Experiment, LND）是嫦娥四號科學載荷的重要組成部分，旨在獲得月球表面的首批主動劑量測量數據，并觀測月球表面的快中子和熱中子。這些測量對于了解月球表面的輻射環境、為未來載人登月任務提供關鍵數據具有重要意義。

二、科學目標

LND實驗的主要科學目標包括兩個方面：

月球載人探索的劑量學測量：LND實驗將測量月球表面復雜輻射場中的劑量率時間序列和線性能量轉移（LET）譜。輻射是長期載人航天飛行的主要風險之一，LND的測量結果將為載人月球任務的劑量評估提供重要數據。此外，LND還將測量中性粒子（中子和γ射線）對輻射劑量的貢獻，這對于輻射防護尤為重要。同時，測量月球表面的中子譜也有助于理解月球表面的混合過程。
日球物理科學研究：LND實驗將測定月球遠側面的粒子通量及其時間變化。這些數據將有助于理解粒子在日球中的傳播和輸運過程，特別是通過測量粒子事件的起始時間和高能粒子通量的變化。這一領域是日球物理研究的活躍領域，LND的數據將為該領域的研究提供新的視角和數據支持。

此外，LND實驗還具有技術演示目標，即展示基于釓（Gd）的熱中子探測技術在空間探測任務中的技術成熟度。熱中子和超熱中子對月球淺層地下水的敏感探測能力，使其成為行星探測中的重要工具。然而，該技術此前在空間探測中尚未得到應用，LND的實驗結果將為該技術在空間探測中的應用提供重要參考。

三、儀器描述

圖1：展示了LND實驗裝置的實物照片，包括傳感器頭（SH）和電子盒（EB）以及連接兩者的電源和數據線束。該圖片直觀地展示了LND實驗裝置的整體結構，包括其主要組成部分：傳感器頭（負責粒子探測）和電子盒（負責數據處理和存儲）。這種設計確保了探測器能夠在月球極端環境下穩定運行，并有效傳輸數據。

圖2：圖片以功能框圖的形式展示了LND實驗裝置的內部結構和工作流程。包括傳感器頭內的探測器、前置放大器、整形器和模數轉換器（ADC），以及電子盒內的模擬FPGA、數字FPGA、低壓電源（LVPS）等關鍵組件。

圖3：LND傳感器頭在嫦娥四號著陸器載荷艙內的示意圖。圖片展示了LND傳感器頭在嫦娥四號著陸器載荷艙內的安裝位置和傾斜角度（約13度）。同時，還標出了載荷艙頂部窗口的尺寸和傳感器頭的覆蓋材料（多層隔熱材料MLI）。該圖片說明了LND傳感器頭在著陸器內的具體安裝情況，傾斜角度的設計避免了著陸器結構的遮擋，確保了無遮擋的視場。多層隔熱材料的應用則有助于保持傳感器頭在月球極端溫度環境下的穩定工作。

LND實驗裝置安裝在嫦娥四號著陸器的-Y載荷艙內，由傳感器頭（SH）和電子盒（EB）組成（見圖1）。傳感器頭位于著陸器上部甲板的支架上，通過可重新關閉的開口實現無遮擋的視場。LND的視場指向著陸器甲板法線方向約13度，以避免被著陸器結構遮擋。傳感器頭內的信號經過預放大、整形和模數轉換后，通過串行外設接口（SPI）傳輸到電子盒進行進一步分析和存儲。

LND的傳感器頭由十個500微米厚的硅固態探測器（SSD）組成，形成帶電粒子望遠鏡配置（見圖4）。這些探測器被分為內段和外段，以檢測帶電粒子的能量沉積和組成。LND還采用了一種創新的幾何排列和轉換箔組合，以測量電中性成分——中子和γ射線。這些中性粒子對輻射劑量的貢獻不可忽視，特別是在生物輻射環境中。

圖4：LND望遠鏡示意圖。圖片以示意圖的形式展示了LND望遠鏡的內部結構，包括十個分段的硅固態探測器（SSD）A-J的排列方式和幾何關系。探測器被分為內段和外段，以檢測帶電粒子的能量沉積和組成。該圖片清晰地展示了LND望遠鏡的探測器排列方式和幾何關系，這是理解LND如何測量帶電粒子能量沉積和組成的基礎。通過分段設計，LND能夠更精確地測量不同種類的帶電粒子。

LND的熱中子探測能力是其技術演示目標的關鍵。LND在E&F和G&H探測器之間夾入了非常薄的釓箔（約20微米），利用釓對熱中子的大截面捕獲能力來檢測熱中子。釓捕獲熱中子后，會發射轉換電子或γ射線，這些信號被相鄰的探測器捕獲并記錄下來。此外，LND還采用了鋁釓鋁夾層結構來屏蔽來自土壤的熱中子，以區分來自月球土壤下方的熱中子。

圖5：LND探測器布局圖。圖片詳細展示了LND探測器各段的敏感面積和具體尺寸。探測器被分為內段（標為“1”）和外段（標為“2”），并給出了每段的精確尺寸。該圖片提供了LND探測器各段的精確尺寸信息，這是進行數據校準和分析的重要參考。精確的尺寸信息有助于更準確地計算粒子的能量沉積和路徑長度，從而提高數據分析的準確性。

圖6：LND對γ射線的響應函數。圖片展示了LND對不同能量γ射線的響應函數，包括光電效應、康普頓散射和光核反應等過程。圖中還標出了不同相互作用過程對應的能量沉積范圍。通過了解LND對γ射線的響應函數，可以更準確地分析中性粒子譜中的γ射線成分，進而評估其對輻射劑量的貢獻。

圖7：LND對中子的響應函數。圖片展示了LND對不同能量中子的響應函數，包括最大能量轉移和等離子體效應對能量沉積的影響。圖中還標出了不同能量中子的能量沉積范圍。該圖片提供了LND對中子的探測能力和響應特性的詳細信息。通過了解LND對中子的響應函數，可以更準確地分析中性粒子譜中的中子成分，進而評估其對輻射劑量的貢獻和月球淺層地下水含量的指示作用。

圖8：LND熱中子探測概念圖????。?圖8展示了LND（Lunar Lander Neutrons and Dosimetry Experiment）實驗裝置中用于探測熱中子的特殊設計。該設計包括兩對探測器（E&F和G&H），它們之間夾入了非常薄的釓（Gd）箔。同時，為了屏蔽來自土壤和下方的熱中子，還使用了鋁（Al）包裹的較厚釓箔。????????這張概念圖清晰地揭示了LND實驗裝置中熱中子探測器的獨特設計。利用釓對熱中子極高的捕獲截面，LND能夠通過測量熱中子與釓箔反應產生的轉換電子來間接探測熱中子。這種設計不僅提高了熱中子的探測效率，還通過特殊的屏蔽結構減少了背景噪聲，使得LND能夠更準確地測量月球表面的熱中子通量。這對于理解月球淺層地質結構和潛在的水資源分布具有重要意義。

圖9：模擬的中子能量沉積譜。????????圖9展示了通過模擬計算得到的在C1探測器中反符合條件下測量的中子能量沉積譜。圖中標出了不同能量中子的能量沉積范圍，并指出了等離子體效應對能量沉積的影響。????????這張模擬譜圖展示了LND實驗裝置中C1探測器對中子能量沉積的探測能力。通過模擬計算，研究人員能夠預測C1探測器在不同能量中子作用下的響應特性，這對于后續的數據分析和校準至關重要。等離子體效應對能量沉積的影響也在圖中得到了體現，這有助于更準確地解釋實驗數據并評估探測器的性能。

四、數據處理與數據產品

LND的數據處理流程包括三級觸發邏輯（L1、L2、L3），分別在模擬FPGA和數字FPGA中實現（見圖10）。L1觸發檢查哪些探測器通道的能量沉積超過了觸發閾值，L2觸發進一步分類事件并更新相應的計數器，L3觸發則根據L2觸發的結果進行更詳細的分類和計數。LND的主要數據產品包括1分鐘、10分鐘和1小時時間分辨率的數據集，涵蓋了劑量率、LET譜、帶電粒子譜、中性粒子能量沉積譜以及熱中子計數率等多種測量數據。

圖10：LND觸發邏輯圖。????????圖10以流程圖的形式展示了LND實驗裝置內部的觸發邏輯。從L1觸發到L3觸發，每一步都詳細說明了觸發條件和數據處理流程。?這張觸發邏輯圖清晰地描繪了LND實驗裝置內部復雜的觸發和數據處理機制。通過多級觸發邏輯，LND能夠高效地篩選出有效的粒子事件并進行詳細的數據記錄和分析。這種設計確保了LND能夠在高輻射環境下穩定運行并生成高質量的科學數據。

圖11：“Xmas Plot”示意圖。?圖11展示了LND實驗裝置的主數據產品——“Xmas Plot”的示意圖。該圖以矩陣形式展示了LND測量的各種粒子類型和能量范圍的數據，包括中性粒子、帶電粒子、電子等。“Xmas Plot”是LND實驗裝置的核心數據產品之一，它以直觀的圖形方式展示了探測器測量的各種粒子信息。這種數據展示方式不僅便于研究人員快速了解探測器的工作狀態和測量結果，還為后續的數據分析和科學研究提供了豐富的數據源。通過對“Xmas Plot”的深入分析，研究人員能夠揭示月球表面的輻射環境特征并評估其對未來月球任務的影響。

LND的主要數據產品之一是“Xmas plot”（見圖11），它包含了LND測量的所有粒子信息。Xmas plot實際上是一個圖像化的累加器內存表示，每個像素點代表一個計數器，根據粒子觸發條件進行更新。Xmas plot被分為多個區域，每個區域包含不同類型粒子的信息。通過解析Xmas plot，可以獲得包括劑量率、LET譜、帶電粒子譜、電子譜以及熱中子譜等在內的多種數據產品。

圖12：熱中子測量譜。????????圖12展示了在地面測試期間使用LND飛行備用單元測量的熱中子譜。圖中標出了不同能量沉積范圍下的計數率以及由釓箔反應產生的特征X射線和轉換電子峰。這張熱中子測量譜圖驗證了LND實驗裝置中熱中子探測器的性能。通過地面測試數據與實際測量結果的對比，研究人員能夠評估探測器的靈敏度和準確性，并對后續的數據校準和分析提供參考。特征X射線和轉換電子峰的出現也進一步證明了釓箔在熱中子探測中的關鍵作用。

圖13：TID和LET譜示例。圖13展示了LND實驗裝置在地面測試期間測量的TID（總電離劑量）和LET（線性能量轉移）譜示例。TID譜圖展示了探測器在不同能量沉積范圍下的計數率分布；LET譜圖則展示了粒子線性能量轉移的分布情況。?TID和LET譜圖是評估輻射劑量和輻射環境特征的重要指標。通過測量TID和LET譜圖，研究人員能夠了解探測器在不同輻射條件下的響應特性并評估其對未來月球任務中人員和設備的影響。圖13中的示例數據為后續的數據分析和科學研究提供了重要的參考依據。

圖14：電子穿透深度圖。圖14展示了不同能量電子在LND探測器中的穿透深度模擬結果。左圖顯示了電子在探測器各層中的穿透深度分布；右圖則展示了電子能量沉積與初級能量之間的關系以及不同數據產品對應的能量范圍。?電子穿透深度圖是理解LND探測器對電子測量能力的重要依據。通過模擬計算不同能量電子在探測器中的穿透深度分布和能量沉積情況，研究人員能夠評估探測器對電子的探測效率和準確性，并為后續的數據分析和校準提供參考。同時，不同數據產品對應的能量范圍也為研究人員在實際應用中提供了重要的指導信息。

五、科學數據分析

劑量率與LET譜分析：LND實驗通過測量探測器B中的能量沉積來積累TID（總電離劑量）譜，進而計算TID值。TID是衡量輻射劑量累積效應的重要指標，對于載人航天任務的安全評估至關重要。LET譜的測量則提供了輻射質量因子的關鍵信息，對于評估輻射的生物效應具有重要意義。
帶電粒子譜分析：LND通過測量不同探測器組合中的能量沉積來鑒別帶電粒子的種類和能量。這些測量數據對于理解月球表面輻射場的組成和特性具有重要意義。通過對比不同探測器組合中的能量沉積譜，可以區分不同種類的帶電粒子，包括質子、氦核、重離子等。
中性粒子譜分析：LND通過測量C1探測器中的能量沉積來檢測中子和γ射線。由于中子和γ射線在探測器中的相互作用特性不同，因此可以通過分析能量沉積譜來區分中子和γ射線。LND的熱中子探測能力則通過測量E、F、G、H探測器中的轉換電子或γ射線信號來實現。這些測量數據對于了解月球表面的中子環境和淺層地下水含量具有重要意義。
熱中子探測技術演示：LND實驗通過夾入釓箔的探測器組合來檢測熱中子，展示了基于釓的熱中子探測技術在空間探測任務中的應用潛力。該技術具有探測效率高、體積小、重量輕等優點，有望成為未來行星探測任務中的重要工具。然而，由于月球表面輻射環境的復雜性和不確定性，該技術在實際應用中仍需進一步驗證和優化。

六、結論與展望

嫦娥四號著陸器上的LND實驗成功實現了月球表面的首批主動劑量測量和中子探測任務，為月球載人探索提供了關鍵數據支持。LND實驗不僅獲得了月球表面輻射場的劑量率和LET譜等重要信息，還展示了基于釓的熱中子探測技術在空間探測任務中的應用潛力。這些數據對于理解月球表面的輻射環境、評估載人月球任務的安全性以及推動行星探測技術的發展具有重要意義。

展望未來，隨著深空探測任務的不斷發展和技術的不斷進步，LND實驗的成果和經驗將為未來的行星探測任務提供重要參考和借鑒。同時，基于釓的熱中子探測技術也有望在更多領域得到應用和推廣，為深空探測事業做出更大貢獻。