γ源輻射角度對光子高度計性能的影響分析

張楠 吳世通 沈超

（北京空間機電研究所，北京 100094）

0 引言

我國“神舟”飛船返回艙回收著陸過程中，首先利用降落傘阻力將其減速至某一穩降速度，返回艙觸地前，著陸反推發動機點火工作，使返回艙再次減速并實現安全著陸[1]。其中，反推發動機的點火指令由γ光子高度計觸發。而在需要著陸的月球探測任務中，反推發動機在著陸階段維持著陸器緩速下降，當著陸器降低到預定的近月面高度時，關閉反推發動機，使著陸器以自由落體的方式著陸。我國月球著陸器的低高度測高方法借鑒了“神舟”飛船，即采用γ光子高度計實現測高并發出指令關閉反推發動機[2]。早在前蘇聯時期，以Lunar-21為代表，成功利用γ光子高度計實現了探測器月面軟著陸。俄羅斯圣彼得堡機器人研究所對于一些因素（如真空、月塵等因素）對γ光子高度計應用性能的影響有成熟的研究分析，而目前國內對γ光子高度計性能仿真研究尚處于起步階段。

γ光子高度計由發射器和接收處理器組成。發射器輻射γ光子，接收處理器接收經著陸面散射的光子，不同的高度對應的光子計數是不同的。γ源屏蔽體主要有兩個作用：一是在操作人員安裝放射源時起到保護作用，二是決定屏蔽體的遮擋范圍。發射器輻射角度大小對接收的光子計數有直接影響，產品設計時要選擇合適的輻射角度。著陸器距離著陸面高度和放射源的強度一定時，輻射角度越大，光子與著陸面發生相互作用的有效面積越大，從而直接影響了接收處理器接收到的光子計數。

本文介紹了γ光子高度計的工作原理，通過建立月球著陸器結構模型和物理模型，在不同的高度下仿真計算不同輻射角度對應的光子計數，得到了月球環境下γ源輻射角度對光子高度計性能的影響規律，從而為產品設計提供參考。

1 γ光子高度計工作原理

γ光子高度計的發射器由γ源和屏蔽體組成，γ源在衰變過程中以輻射角度θ輻射γ光子，屏蔽體輔助γ源也以θ角輻射γ光子，光子穿越空間介質（揚塵、發動機羽流和宇宙射線）后，經著陸面散射的一部分光子被接收處理器捕獲。接收處理器由閃爍探測器和后續處理電路組成，閃爍探測器由閃爍體和光電倍增管組成，經著陸面散射的光子由閃爍體接收，閃爍體的原子或分子受激而產生熒光，熒光光子被收集到光電倍增管的光陰極，通過光電效應打出光電子，電子運動并倍增，由陽極輸出回路輸出電流信號給后續處理電路[3]。γ光子高度計工作原理過程，如圖1所示。圖中，S為光子與著陸面發生相互作用的有效面積。接收處理器每秒接收的光子計數即光子計數率與著陸器距離月球表面高度，存在如圖2所示的對應關系[4]。

圖1 γ光子高度計工作原理Fig.1 The principle of gamma photons altimeter

圖2 不同高度對應光子計數的示意Fig.2 Photons counting corresponding to differentheights

2 γ源輻射角度對計數影響的仿真

發射器輻射角度大小對接收的光子計數有直接影響，產品設計時要選擇合適的輻射角度。著陸器距離著陸面高度及放射源的強度一定時，輻射角度越大，與光子發生相互作用的著陸面面積越大，從而直接影響了接收處理器接收到的光子數。

2.1 仿真平臺

仿真計算依靠基于蒙特卡羅方法的粒子輸運程序軟件（Monte Carlo N-Particle Transport Code,MCNP）進行，MCNP是基于蒙特卡羅（Monte Carlo,MC）方法的軟件包，用于計算三維復雜幾何結構中的中子、光子、電子或者耦合中子/光子/電子輸運問題，也具有計算核臨界系統（包括次臨界和超臨界系統）本征值問題的能力[5-8]。

本文在準確構建空間分布和物質元素組成的前提下，利用MCNP程序包模擬放射源以一定的角度出射單能γ光子，光子經過空間介質散射吸收，再由著陸面多次康普頓散射后以一定的角度和能量分布進入接收處理器的過程。

2.2 仿真模型

本文在MCNP軟件平臺基礎上建立月球環境下簡化月球著陸器結構模型，然后改變結構模型中γ光子高度計源輻射角度的大小，仿真計算高度一定時不同源輻射角度對應的接收處理器光子計數。

2.2.1 結構模型

本文中，簡化月球著陸器仿真結構模型主要包括，底板及底板下的著陸腿和足墊、對接環和發動機噴管，如圖3所示。γ光子高度計安裝于著陸器底板下方，其發射器及接收器與著陸器底板相對位置關系如圖4所示。

圖3 著陸器結構示意Fig.3 The sketchmap of lander

圖4 γ光子高度計與著陸器底板相對位置示意Fig.4 The sketchmap of relative positional of gamma photons altimeter and lander floor

2.2.2 物理模型

γ光子與物質的相互作用主要包括康普頓效應、光電效應和電子對效應。γ光子與原子的核外電子發生非彈性碰撞，γ光子的一部分能量轉移給電子，使它脫離原子成為反沖電子，而散射光子的能量和運動方向發生變化的過程稱為康普頓效應；當低能γ光子與物質原子中的束縛電子作用時，光子把全部能量轉移給某個束縛電子并使之發射，入射光子消失的效應為光電效應；隨著入射光子能量的增高，光電效應的吸收作用很快減弱，康普頓效應也逐漸減弱，當光子能量大于1.02MeV時，就可能發生電子對效應，即光子完全被吸收而產生一正、負電子對[9]。

對于不同能量的γ光子和阻止介質，光電效應、康普頓散射、電子對效應所起的作用是不同的，圖5給出了這3種效應與吸收體原子序數Z和光子能量關系。

圖5 3種效應與吸收體原子序數、光子能量關系Fig.5 The relations between three effects and the absorber atomic number photon energy

由圖5可知，對于低能γ射線和原子序數高的吸收物質，光電效應占優勢；對于中能γ射線和原子序數低的吸收物質，康普頓散射占優勢；對于高能γ射線和原子序數高的吸收物質，電子對效應占優勢。

本仿真中γ源放出能量為0.662MeV的光子，與月壤中的Fe、Mg、O等原子序數較低元素的電子相互作用時，以康普頓散射為主并伴有少部分的光電效應。

2.3 仿真計算及結果分析

仿真計算中進行了如下假設：

1）放射源為點源，各向同性發射單能γ光子[10]；

2）近似處理后的著陸器結構元素均假設為等效的單一元素Al，著陸器底板以上其它結構的影響忽略不計；

3）著陸器在下降過程中保持水平狀態，并假設著陸面平坦；

4）程序編寫中，假設存在一個足夠大的空間，粒子穿越出空間會被自動終止；

5）月球環境按真空處理，忽略羽流影響，月壤及月塵的密度和物質元素組成按照“阿波羅14號”登月點的礦物成分編寫。

在上述假設條件下，利用MCNP軟件平臺進行了相應的仿真計算。仿真中高度定義為著陸器底板到月球表面的垂直距離，分別計算2.4m、2.5m、2.6m和2.7m高度時，0°～180°范圍內43個γ源輻射角度值對應的閃爍體接收到的光子計數。仿真結果如圖6所示。

圖6 光子計數隨輻射角度變化曲線Fig.6 The photons counting w ith radiation angle

仿真結果表明：

1）輻射角度一定時，光子計數隨著高度的降低而增加；

2）高度一定，輻射角度在0°～116°范圍內時，光子計數隨輻射角度以圖6所示的趨勢增加；在116°～180°范圍內時，光子計數隨γ源輻射角度變化趨于平緩，即源輻射角度對光子計數的影響幾乎可忽略不計。

隨著輻射角度的增加，光子與著陸面相互作用的有效面積S越來越大，接收處理器接收的光子計數也呈增加的趨勢。如果輻射角度達到180°即γ源位于屏蔽體下面一點，屏蔽體只對向上輻射的光子起到屏蔽作用，光子與著陸面相互作用的有效面積S為無窮大，接收處理器直接接收γ源輻射的光子，光子計數達到最大值。由于γ光子高度計是通過測量光子計數測量高度的，高度一定時，接收到的光子計數越多，其測量精度越高。根據仿真結果可知，輻射角度大于116°時，光子計數接近最大值，且隨輻射角度變化波動較小。因此，發射器設計時可在[116°,180°]范圍內選擇輻射角度。

3 結束語

本文采用月球著陸器簡化模型，仿真分析了放射源輻射角度對光子計數的影響，仿真計算結果表明：輻射角度在[116°,180°]范圍內時，測量高度對應的光子計數較大而且隨輻射角度變化較平穩，產品設計時應在此區間內選擇輻射角度。本文的分析結果可以為未來我國自主設計γ光子高度計合理確定其發射器內放射源的輻射角度提供理論依據。

由于γ光子高度計工作環境復雜，本文僅對月球著陸器水平著陸的狀態進行了仿真分析，著陸器傾斜姿態及月球表面不平坦的情況尚需進一步研究。

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