[发明专利]一种空间主动激发X射线荧光探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于空间X荧光探测设备的结构和热设计，属于空间探测技术领域。

背景技术

空间高分辨主动激发X射线谱仪(APXS)是嫦娥三号玉兔号月球车的科学载荷之一，也是机械臂上唯一的载荷。它通过携带的主动激发源激发月岩或月壤中的元素，并探测其产生的特征X射线，从而获得月球元素的种类及含量信息，为月球地质化学过程和形成演化研究提供重要依据。

空间高分辨主动激发X射线谱仪是嫦娥三号巡视器机械臂末端，安装有主动激发放射源、低功耗、高分辨的X射线荧光探测设备。探测器对其自带激发源激发产生的月表元素X射线荧光进行探测，并形成能谱下传，供用户分析反演得到月表的主量元素的含量信息。

它对主要的成岩元素Mg、Al、Si、Ca、Ti和Fe等元素进行激发探测，从而得到月球表面各种主要成岩元素的荧光射线强度，对月球表面的主要元素成分进行定量分析。

空间高分辨主动激发X射线谱仪主要是行星表面的成分探测。由于没有空气或者空气稀薄，月球和火星表面对低能X射线和带电粒子的阻止本领远低于地球表面，因此，适合对低能的Mg、Al和Si的特征线进行激发探测。由于没有大气层保护，因此月球和火星表面昼夜温差变化极大，需要考虑对设备适应极端温度条件的适应能力进行设计。

美国的NASA、俄罗斯和欧洲ESA等都曾经在航天器上携带类似的物质成分分析设备，由于其卫星平台可以对设备进行主动控温，因此，这些设备都没有自带的温控设备。在嫦娥三号任务中，由于APXS为舱外设备，其与平台没有传导散热的通道，在月昼，其工作时自身产生的热量、太阳照射以及月球表面等外热流对仪器都有热量输入，而在月夜条件下，设备周围的环境温度可达到-180℃，设备对外输出热量，如果没有热量输入，设备的温度也将达到-180℃，对于设备内部的电子元器件及设备中的硅漂移室探测器来说，都超过了其额定的耐受温度范围，因此，需要对设备的结构和热进行整体设计，保证设备能够在轨正常工作，安全度过月夜。

目前物质成分分析设备主要包括：

一、NASA的SurveyorsⅤ，Ⅵ，Ⅶ探月任务中，都携带了α散射化学成分分析实验装置，该实验应用²⁴²Cm同位素α粒子放射源产生的α粒子与其他原子核碰撞后在近180°反冲散射的能谱以及核反应产生的质子能谱来分析获得月表元素的含量。

SurveyorsⅤ，Ⅵ，Ⅶ的α探测器选用金硅面垒探测器，质子探测选用锂漂移探测器，探测器由探头、电子学构成，电子学位于飞行器的控温组件内部。无自主保温功能，需要额外15W的加热功耗。²⁴²Cm同位素存在核裂变可能性，每次衰变会有1.6*10^-7个中子发射，需要考虑中子辐照影响。

二、俄罗斯的Mars 96任务，NASA的Mars Pathfinder任务、Mars Exploration Rovers任务，Mars Science Laboratory Rover、MSL任务以及ESA的Rosetta任务都曾使用粒子激发X射线谱仪，这些任务中选用²⁴⁴Cm放射源，通过探测背散射的α粒子和样品中被激发产生的特征X射线进行定量分析。

以上粒子激发X射线谱仪设计使用²⁴²Cm或者²⁴⁴Cm放射性同位素作为激发源，²⁴²Cm(²⁴⁴Cm)同位素存在核裂变可能性，每次衰变会有1.6*10^-7个中子发射，需要考虑中子辐照影响。同时，该探测器采用一体化设计，整个外壳为一体，前端和后端无热阻，基本是一个等温体。由于采用的同位素原因，无法探测Rb、Sr和Y等微量元素。设备无自主保温功能，需要额外的热控措施。

三、欧空局的Beagle 2任务携带了X射线谱仪，该设备包含两个件，探头组件和数据处理电子学，选用的放射性同位素激发源为两枚⁵⁵Fe源(105.6MBq)和两枚¹⁰⁹Cd源(8.77MBq)。通过探测样品中被激发产生的特征X射线进行定量分析，X射线探测器选用300微米厚，7mm2面积的硅PIN探测器。

该设备注重小型化设计，整体体积较小，虽然前端采用碳纤维材料，因为热容关系，隔热效果并不理想，且由于过于紧凑的设计，放射源的活度及均匀性都收到一定的限制，因此分析精度也受限。该设备无主动热控，无在轨定标设计。

发明内容