γ射線譜儀：獲取全月表元素含量與分布
由于各種物質(zhì)受激發(fā)發(fā)出的X/γ射線不同，嫦娥一號(hào)衛(wèi)星通過X/γ射線譜儀，分析月球表面的礦物組成和巖石類型，評(píng)估其鐵、鈦等14種元素含量和物質(zhì)類型分布特點(diǎn)，初步了解月球的構(gòu)成和資源。
為什么一項(xiàng)任務(wù)要用兩個(gè)設(shè)備來共同完成呢？γ射線譜儀分系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師常進(jìn)解釋道：“兩個(gè)設(shè)備的探測(cè)能量范圍不同，γ射線譜儀的能段是300keV～9MeV，而X射線譜儀的能段是1～60keV。能段一高一低，起到互補(bǔ)的作用。”
紫金山天文臺(tái)承制的γ射線譜儀是嫦娥一號(hào)的主要有效載荷之一，其科學(xué)使命是獲取全月表有用元素的豐度與分布，進(jìn)而分析各元素和物質(zhì)類型的富集區(qū)域和分布特點(diǎn)等。
常進(jìn)介紹，月球表面一些元素（如釷、鈾）本身就有放射性，發(fā)出γ射線；另外一些元素（如硅、鎂、鋁）在宇宙線轟擊下會(huì)發(fā)出γ射線。不同元素發(fā)出γ射線的能量有所不同，或者說各種元素都具有特征能量γ射線。
常進(jìn)說：“如果γ射線譜儀探測(cè)到某一元素的特征能量γ射線，就可以證明這種元素的存在。而這種特征能量的γ射線出現(xiàn)的幾率越高，該元素的相對(duì)含量也越高。通過統(tǒng)計(jì)特征能量的γ射線出現(xiàn)的幾率，就可以探測(cè)元素的相對(duì)含量。利用這種方法，就可以探測(cè)到月球上的一些主要元素，如氧、硅、鎂、鋁、鈣、鐵、鈦、鈉、錳、鉻、鉀、釷、鈾及稀土元素等的含量與分布特征。”
常進(jìn)進(jìn)一步指出，根據(jù)探測(cè)的結(jié)果，可以繪制各元素的全月球分布圖，發(fā)現(xiàn)月球表面資源富集區(qū)，鑒別新的巖石類型，為月球的開發(fā)利用提供有關(guān)的資源分布數(shù)據(jù)，以及對(duì)月球地質(zhì)歷史進(jìn)行深入研究。
γ射線譜儀是如何工作的？
“γ射線譜儀由探測(cè)晶體、信號(hào)采集和放大電路、指令控制和數(shù)據(jù)傳輸電路等主要部分組成。其中主探測(cè)器和包裹在外的反符合探測(cè)器均為大尺寸的碘化銫晶體。來自月球方向的γ射線進(jìn)入探測(cè)器主晶體，產(chǎn)生熒光，經(jīng)過多次反射后進(jìn)入光電倍增管轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。同樣道理，來自其他方向，包括衛(wèi)星材料被高能粒子激發(fā)所產(chǎn)生的熒光，也將會(huì)被反符合晶體接收并被經(jīng)過電子學(xué)線路處理和剔除。這樣，γ射線譜儀就得到純粹來自月球表面物質(zhì)的γ射線信息。此外，指令控制和數(shù)據(jù)傳輸電路將按照地面指令對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)施行控制，并將采集到的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)發(fā)回地面。”常進(jìn)介紹。
據(jù)了解，在衛(wèi)星環(huán)繞月球飛行約一年的工作期間，γ射線譜儀將反復(fù)飛經(jīng)月球各個(gè)區(qū)域，將飛經(jīng)每一個(gè)區(qū)域的探測(cè)數(shù)據(jù)累加和處理，就可以得到該區(qū)域內(nèi)不同元素含量的準(zhǔn)確信息。
同樣作為探月有效載荷，我國的γ射線譜儀有著自己的特點(diǎn)。“我們的γ射線譜儀跟當(dāng)年美國月球勘探者（1998年）比較，通俗地講，探測(cè)器有效面積大，能量分辨本領(lǐng)高，靈敏度高。跟日本月亮女神的γ射線譜儀相比較，雖然它們的能量分辨比我們高很多，但探測(cè)器體積較小，有效面積只有我們的1/10，因此，在幾個(gè)兆電子伏以上的高能波段探測(cè)方面，我們稍占優(yōu)勢(shì)。
兩個(gè)儀器的側(cè)重點(diǎn)不同，月亮女神主要研究是否有水，我國的則主要研究全月面元素分布。從γ射線譜儀的工作原理上講，累計(jì)有效探測(cè)時(shí)間越長，效果就越好。”
月球探測(cè)用的γ射線譜儀可以在地球上用么？常進(jìn)的回答是肯定的：“與月球探測(cè)類似，空間探測(cè)用的γ射線譜儀*可以應(yīng)用到地球資源探查和環(huán)境監(jiān)測(cè)上。”
據(jù)介紹，從上個(gè)世紀(jì)60年代開始，世界上的一些大公司已經(jīng)使用γ射線譜儀來尋找鈾礦。美國、歐洲都采用γ射線譜儀進(jìn)行了全國掃描，以得到鈾資源在全國的分布。
20世紀(jì)80年代開始，隨著技術(shù)的進(jìn)步，γ射線譜儀不僅可以探測(cè)鈾資源，還可以區(qū)分巖石類型，尋找其他礦產(chǎn)資源。其原理與月球探測(cè)一樣，由于γ射線無法穿過大氣進(jìn)入空間，所以必須采用飛機(jī)或地面車輛進(jìn)行觀測(cè)。加拿大就采用該方法，發(fā)現(xiàn)了許多鈾礦和金屬礦。
γ射線譜儀還可以監(jiān)測(cè)環(huán)境。人類的活動(dòng)（如開礦、城市建設(shè)等）可以改變當(dāng)?shù)氐妮椛洵h(huán)境，對(duì)該地區(qū)的將來影響很大，有的經(jīng)濟(jì)活動(dòng)可以*改變當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境，造成災(zāi)難性的后果。另外，核電站周圍的環(huán)境，也必須用γ射線譜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
γ射線譜儀：獲取全月表元素含量與分布
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