利用蒙特卡罗方法获取月表伽马射线能谱,天文学论文

　　1、通过研究分析

　　月球上多种放射性元素的特征伽马谱线,有助于更好地了解月球的总体组成及月球的形成与演化过程,也有助于明确月球上可供人类利用的资源的分布。我国发射的探月卫星嫦娥一号,在绕月飞行中通过装载的伽马射线谱仪(CE1-GRS)对月球空间放射性环境进行了长时间测量,取得大量有效数据。

　　在对伽马谱线的解析中,既有来自于月表天然放射性元素衰变释放出的伽马射线,又有来自于银河宇宙射线(GCR)与月表核素发生簇射反应产生的伽马射线,CE1-GRS的实测谱线是两者的叠加,对伽马谱线的的定量分析造成干扰。本文利用蒙特卡罗方法模拟GCR与月表核素发生反应的过程,得到其放出的伽马射线能谱,并模拟在CE1-GRS中的相应能谱,通过与实测伽马能谱数据对比,分析Fe、Si、Th等核素的伽马射线特征峰。

　　1月球伽马射线CE1-GRS在距月表200km轨道高度采集月表伽马射线数据,主探测器平均3s记录1条谱线,在数据处理中一般采用对月表进行一段时间探测后某区域得到的累积能谱数据。图1为月球赤道附近某5°×5°区域对应的0.3~11.2MeV能量范围的318s累积谱线。月表其他区域对应的谱线也具有相似的谱形特征。

　　月球表层伽马射线主要由两个衰变过程产生的射线组成。一部分来自于月球表面铀、钍、钾等长寿命天然放射性元素由于衰变直接释放出的天然伽马射线。另一部分来自于月表环境中银河宇宙射线(主要是质子)与月球表面物质发生簇射反应过程。此过程中产生高能量的中子和次级质子并在月球表层引起核反应,产生大量伽马射线。其中,中子在月球表面与核子发生多次碰撞,逐渐丢失能量,直到被核俘获吸收。特征伽马射线由快中子的非弹性碰撞和热中子俘获产生。

　　2、月表GCR强度及能量

　　2.1月表宇宙射线来源

　　月表宇宙射线包括GCR和太阳宇宙射线(SPE),其强度不是恒定的,分为急剧变化和缓慢变化。急剧变化主要由太阳粒子事件———太阳耀斑和日冕质量喷射(CMEs)产生的高通量带电粒子造成,能量范围一般为1MeV~10GeV。太阳耀斑射线中绝大部分是质子流(占90%以上),故称为太阳质子事件。每次太阳耀斑爆发所产生的太阳宇宙线事件,其强度和能谱均不完全相同,持续时间较短,约几个小时;而对于日冕质量喷射,具有较大的质子通量,持续时间较长,约几天。太阳粒子事件发生时,会极大地干扰伽马谱仪的数据,所有道的计数激增,造成数据异常。CE1工作时间从2007年11月到2009年3月,此时段并不是太阳活动的活跃期,期间偶有太阳耀斑爆发造成数据异常,数据处理过程中,一般将此时间段测得的数据视为无效数据直接剔除。

　　GCR是指来自太阳系外银河系的高能粒子。其中,丰度最大的是质子,约为88%;其次是α粒子,约为10%;其余为重核子。大部分粒子的能量范围集中在10~105MeV。

　　GCR能谱变化与太阳活动期相关,太阳活动低年时,GCR流量较高,太阳活动高年的GCR流量较低[8]。

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　　2.2GCR流量和能量分布

　　Castagnoli等[9]最早给出了计算月球表面GCR强度的经验公式,并被Masarik等于996年修正。修正后的计算公式为:

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　　其中:g(T,)为确定修正参数后,单位面积、单位时间、单位能量(1MeV)范围内的粒子数;T为粒子的能量,MeV;E0为粒子的静止能量,MeV;m=aexp(-bT);质子和α粒子的给定计算参数A、a、b和γ列于表1。

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　　的计算方法由式(2)算出[9],其中C为探测器McMudo的计数

　　McMudo是坐落在地球南极点的探测器,主要用于探测空间辐射环境中GCR主要粒子注量。

　　=450+(900-450)(C-9762)/(8728-9762)(2)CE1运行期间(2007年11月—2009年3月)的变化如图2所示,其范围在170~330之间,平均值为240。

　　将平均值代入式(1),分别计算出CE1运行期间质子和α粒子在不同能量时,单位能量区间(1MeV)内的注量率分布,如图3所示。

　　可看出,随能量的增加,每秒单位面积单位能量的粒子数先是急剧上升,在200~300MeV之间达到最高值,之后呈指数递减,α粒子注量率远小于质子注量率,约占质子注量率的7%。

　　3、蒙特卡罗模拟条件设定

　　蒙特卡罗模拟分为两个阶段:

　　1)模拟GCR与月表物质发生簇射反应的过程;2)模拟第1阶段生成的粒子作为源击中CE1-GRS探测器的结果。第1阶段的模拟中,模拟条件输入如下:模拟源为质子和α粒子的混合源,取平均值240,能量范围为5~105MeV,粒子强度和能量分布由式(1)算出。粒子出射方向指向月球球心。

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　　月表材料密度为1.76g/cm3,主要元素含量列于表2。因月面地形起伏对探测数据影响不大,所以月球被模拟成一半径为1738km、物质均匀且平滑的球体。

　　由于土壤对伽马射线的自吸收,在模拟中仅考虑线性密度100g/cm2内逃逸的伽马射线。生成粒子的记录面为包裹住月球的球体。第2阶段的模拟中,模拟条件输入如下:模拟源的强度和能量分布出自第1阶段的计算结果。因月球半径远大于CE1-GRS探测高度200km,模拟源近似为平面源,为合理简化,计算模拟源粒子以平行束入射探测器。模拟CE1-GRS各项参数列于表。

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　　4、蒙特卡罗模拟结果及分析

　　GCR与月表物质发生簇射反应产生光子的模拟结果如图4所示,模拟能谱范围为0~15MeV。从图4可看到明显的湮没辐射峰0.511MeV、56Fe(n,nγ)反应产生的0.8476MeV的伽马峰、28Si(n,nγ)反应产生的1.7808MeV的伽马峰和16O(n,nγ)反应产生的6.12MeV的伽马峰等。将此结果作为源,模拟计算出在CE1-GRS中的响应能谱,如图5所示,能量范围为0.3~11.2MeV。为了与实际测量曲线对比,将模拟谱线计数率换算成与实测相同的318s计数,截取能量范围为0.68~2.5MeV。依照此能区谱形,用指数加二次函数拟合本底能谱,扣除本底后,如图6a所示。
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　　将图1所示的实测伽马谱线,截取能量范围为0.68~2.5MeV,同方法扣除本底后,得出结果如图6b所示。与图6a对比,可发现:

　　1)两图中均有明显的0.8476MeV的Fe峰。当探测器各性能参数及测量时间已知时,峰面积和GCR强度与月表Fe含量相关。如确定GCR强度,可通过峰面积确定月表元素Fe的含量。

　　2)图6b中可看到0.94MeV附近有特征峰,在图6a中不存在,可得知它来自月表长寿命天然放射性元素,与GCR无关。根据Reedy[2]给出的月表各元素发出最强烈伽马射线的能量值及光子注量率列表,推测此峰为Th(能量0.9689和0.9646MeV)的特征峰。

　　3)图6a中可看到1.7808MeV的Si峰,但在图6b中此位置附近除了Si,还有来自月表长寿命天然放射性元素的其他峰。根据注量率表推测此处是Si和U(1.7645和1.7296MeV)的混合峰。

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　　5、结论

　　1)给出了定性定量分析月表多种非天然放射性核素的方法,通过此方法,很好地将月表天然和非天然放射性元素的特征峰区分。

　　2)扣除本底噪声的方法需进一步研究,以给出核素更精确的含量。

　　3)若使用更合理的方法扣除噪声,求出实测和模拟谱线相对应的峰面积并进行比较,可判断所使用的月表元素比例是否合适,并进行调整,直到峰面积相等,可得出月表非天然放射性元素的含量。

　　4)嫦娥二号装载能量分辨率更高的LaBr3探测器给出更好的特征峰。用此方法分析谱线可得到更多、更精确月表非天然放射性核素的含量。