高能宇宙射线对探测器落月的影响Word文件下载.docx

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各国纷纷大力开展、发展探月计划，我国也紧跟世界先进脚步，发展航天深空探测。

实现月球探测是我国航天深空探测零的突破。

同时，抢先实施登陆月球，能够在航空航天，国防军事等领域确立极大的优势。

然而领先于此领域的国家对于探月各项技术积极开发研究的同时，又对我国进行严密封锁，因此，我们一定要不甘落后，突破更加细致的，领先的技术。

本文利用MCNP对高能宇宙射线中的质子对于探测器采集数据影响做了详细的研究，但仅涉及闪烁体探测器探测概率问题，并加以校正，旨在为后续落月探测任务中建立更精准的距离测量。

本文第一章简要介绍了目前各国探月成果以及计划；

第二章简要介绍了闪烁体探测器的简单结构；

第三章详细介绍了宇宙射线，其中重点介绍宇宙射线中的质子；

第四章介绍了MCNP功能性质及使用方法；

第五章介绍了MCNP软件的核心思想—蒙特卡罗方法；

第六章简要介绍了模型的建立以及程序的编写；

最后一章则对模拟数据进行了分析。

第二章月球的探测

2.1各国探月现状

站在月球探测工程的视角看世界。

月球是距离地球最近的天体，又是地球唯一的天然卫星，成为空间探测的第一宇航员和月行车。

同时，月球上具有各种独特矿产资源、能源，是对地球资源的重要储备，将对人类的可持续发展产生深远影响，因此，月球已成为未来航天大国争夺战略资源的焦点。

自二十世纪五十年代以来，随着航天技术得到大力的发展，特别是深空探测越来越吸引人们的眼球，世界各国纷纷增加对月球的探索计划。

据统计，从1959年起，美、苏两国就开始发射探测器对月球探测，已发射约70个月球探测器和登月载人飞船，世界上有127次的月球探测活动。

苏联：

世界上第一个探测月球的国家

早期的苏联探月，领先于其他国家。

月球号是苏联的第一个月球探测计划“月球计划”中所使用的空间探测器的名称。

1959年1月2日，苏联发射了月球一号探测器，成功实现人类探测器在月球的第一次飞行。

从1959年至1976年，前苏联发射了40个月球号探测器，其中24个被正式命名，18个完成探月任务，经历了飞越、硬着陆、环绕、软着陆和取样返回等探测阶段。

在美国成功登陆月球后，苏联于1976年取消了登月计划。

留守的俄罗斯

俄罗斯在探月技术上可与美国匹敌，从技术的角度来看，俄罗斯无疑是世界第一梯队；

从理论上讲，俄罗斯掌握了载人登月技术。

但受经济条件的制约，昔日的航天大国俄罗斯近年来没有包括任何月球空间探测，只是提出了一系列的计划。

俄罗斯计划在2040年成功载人登月。

美国：

留在月球上的脚印

在美国历史上的“阿波罗登月计划”，发挥了决定性的作用。

但这个计划失去了第一的争夺战。

在1967年1月27日进行的一次例行测试中，阿波罗1号指令舱发生大火，突然发生大火，使三名宇航员丧生。

在1969年7月，阿波罗11号成功地降落在月亮上，宇航员阿姆斯特朗在月球上留下脚印，这是一个最辉煌的成果，也是人类探索月球最辉煌的成果。

之后，美国又陆续发射阿波罗号月球探测器。

由于财政和其他原因，在阿波罗计划后的近30年的研究中，美国放缓对月球的探测计划。

在1986年，美国才提出重返月球的设想。

1994年1月和1998年1月，美国发射陆续两颗轨道探测器成为月球探测的基础，为未来的探月之旅探路。

霸王美国

第一的总体实力，美国已经有“驻月”设想，但其他国家仍然停留在“绕月”和“探月”活动计划。

探索月球是探索太阳系的第一步，美国起步较早，有大推力火箭，登月宇宙飞船技术已经成熟，综合实力第一，其他国家暂时无法比拟。

欧洲

在月球的太空探测技术上，欧洲曾一度处于世界的领先地位。

1609年，著名天文学家伽利略创制伽利略望远镜，并且首次观测到月球表面有崎岖不平的现象，绘制出世界上第一幅月面特征图。

1964，欧洲七个国家设立了欧洲航天火箭发展组织和欧洲空间研究组织。

1975年5月29日，欧洲太空局成立，是欧洲国家组织和协调空间科学技术活动的机构，成员国有法国、德国、英国、意大利、比利时、瑞典、瑞士、荷兰、丹麦、西班牙和爱尔兰。

由17国组成的欧洲太空局正式开启探月研究工作。

2003年9月27日，欧州太空局将“智能”1号探测器送入太空，并成功完成多项探测任务。

日本

1990年1月，日本成功发射了“飞天”科学卫星，但这个小卫星很快失控，于在1993年4月撞上月球被毁。

1991，日本启动了一个探月计划，主要目标是在1995年发射一个月球探测器。

由于在研究阶段统筹安排的不足，同时过于急于求成，这一计划最终流产。

2007年9月14日，日本发射了“月亮女神”探月卫星。

在2009年6月，“月亮女神”完成调查任务调后，撞向月球表面，完成最后使命。

“月亮女神”是日本在真正意义上探测月球的里程碑。

并且作为后续的月亮女神，日本预计在2015，2025推出的“月亮女神2号，月亮女神3号”。

中国：

起步晚，起点高

2004年，中国正式开展月球探测工程。

嫦娥工程分为“无人月球探测”“载人登月”和“建立月球基地”三个阶段。

2007年10月24日，中国在西昌卫星发射中心，“嫦娥1号”。

2010年10月1日，中国成功发射了“嫦娥2号”。

嫦娥2号的主要任务是要获得更清晰更详细的月球表面影象数据和月球极区表面数据。

2013年12月2日，中国将发射“嫦娥三号”卫星。

按照计划，“嫦娥三号”将在月球表面软着陆，并开展多项科学实验。

中国的月球探测，虽然起步晚，但起点高，通过人类探月成果，使用优化的目标，优化方法，形成了一种具有路的月球探索自己的特点

第三章宇宙射线

指的是来自于宇宙中的一种具有相当大能量的带电粒子流，其成分较为复杂，目前实验测定银河宇宙射线中质子，阿尔法粒子，高能重粒子组成，且质子占比重较大，约为85%。

1912年，德国科学家韦克多·

汉斯利用电离室乘测定气球升空事空气电离度的实验中，发现电离室内测量到的电流，随着海拔升高而变大，从而认定变化的电流是来自地球以外的一种穿透性极强的射线所产生的，并将其命名为“宇宙射线”。

宇宙射线分为初级和次级宇宙射线。

初级宇宙射线泛指是指由宇宙中的辐射源直接发出的辐射，能量相对较高，穿透力较强，在碰撞其他物体时产生辐射，与其他物体中的原子核相互作用产生一系列新的粒子，这些粒子的射线束称做次级宇宙射线，这样就构成了全部的宇宙射线。

图3.1各种实验的宇宙线能谱观测结果

从各种实验中测得的宇宙射线数据显示，宇宙射线能量分布广，低能宇宙射线强度大，高能宇宙射线强度较低，随着能量增加，宇宙射线强度会急剧下降，但仍然有概率被探测器探测收集。

因此，我们需要建立一个模型模拟高能宇宙射线被探测器收集的概率，并加以校正，减少探测器高度测量的误差。

3.1太阳活动时的宇宙射线

太阳活动能产生高能粒子流,且主要成分是质子和氦原子核，高能重离子相对于普通宇宙射线可以忽略不计。

太阳活动主要是耀斑活动。

耀斑活动是一种最剧烈的太阳活动,其活动周期约为11年,有以下主要观测特征，太阳表面突然出现亮斑闪耀，并且迅速扩大，其寿命较短，一般仅在几分钟到几十分钟之间，亮度迅速上升，而下降较慢。

在一次较大的太阳耀斑爆发期间，短时间内可释放巨大能量，不仅太阳表面有局部突然增亮的现象，耀斑现象产生更主要表现在射线的辐射通量的突然增强。

太阳耀斑所辐射的各种射线种类繁多，除可见光外，有X射线、伽玛射线、紫外线和红外线，还有冲击波和高能粒子流，甚还至有能量极高的宇宙射线。

由此可得，太阳耀斑活动对太阳宇宙射线通量有极大的影响，最快可在几十分钟内到达地球。

因此，需考虑太阳耀斑活动时的宇宙射线能量、通量变化，以及对探测器产生的影响。

3.2宇宙射线中质子能谱

宇宙射线的能谱通常定义为单位面积、单位体积、单位立体角和单位能量间隔通过的粒子数目。

本次实验仅讨论宇宙射线中的质子，因此，图显示质子能谱。

第四章NaI（TL）探测器

闪烁体探测器（ScintillationDetector）是利用电离辐射能够在某些物质中产生闪光从而进行探测的，是目前应用最多也是最广泛的电离辐射探测器之一。

其具有探测效率高、分辨时间短、使用方便、适用性广等特点。

本实验使用的是NaI（Tl）闪烁体探测器，典型的NaI（Tl）探测器的探测系统如图1所示，由探头（包括闪烁体、光电倍增管、射极跟随器），高压电源，线性放大器、多道脉冲幅度分析器等几部分组成。

当射线通过闪烁体时，由于闪烁体的特性，闪烁体会发出光，光的强度与射线在闪烁体内损失的能量成正比。

不同射线引起发光的原理是不同的，例如不带电的γ射线首先与闪烁体相互作用从而

图1NaI（Tl）探测器结构示意图

产生光电子、康普顿电子及正、负电子对（当Ｅγ＞1.02MeV时），然后这些电子使闪烁体内的分子或原子激发和电离，受激的分子、原子由激发态退激至基态时就放出光子发光。

带电粒子通过闪烁体时直接使分子原子激发或电离，相对来说少了一些相互作用。

接下来闪烁体发出的光子会被闪烁体外的光反射层反射，然后聚集到阴极上，由于光电效应而产生光电子。

然后光电子打在打拿级上，经过多次倍增，产生大量电子，最后几乎全被阳极吸收最终形成一个电压脉冲从而可以探测到。

根据上述原理，我们可以认为，每有一个粒子进入探测器就会产生一个电压脉冲。

并且由于电压脉冲幅度受粒子在闪烁体内消耗的能量影响很大，几乎成正比关系，所以脉冲幅度的大小可以代表入射粒子的能量了，入射射线的能谱可以利用脉冲幅度分析器测定。

探测器最重要的部分是探头，探头主要由闪烁体、光电倍增管和分压器及射极跟随器等组成。

将下来将对其一一详细介绍。

3.1光电倍增管

光电倍增管的结构图如图2所示。

光电倍增管是进一步提高光电管灵敏度的光电转换器件，其输出的信号是一个电流脉冲，脉冲电流通过光电倍增管的负载电阻转变为电压脉冲。

有时会在光电倍增管周围包上坡莫合金，以起磁屏蔽作用，目的是防止外界磁场透入管子中，影响探测结果。

图2光电倍增管工作原理图

光电倍增管主要由四个主要部分：

光电阴极、电子光学输入系统、电子倍增系统和阳极。

除光电阴极和阳极外，光电倍增管的两极间还会放置多个瓦形倍增电极。

工作时，相邻的两个倍增电极间均加有一定的电压来加速电子。

光电阴极受到光照后会释放出光电子，在电场的作用下射向第一倍增电极，在第一倍增电极会引起电子的二次发射，从而激发出更多的电子，这些电子又会在电场作用下飞向下一个倍增电极，激发出更多的电子。

如此反复，电子的数目将会不断倍增，最终阳极收集到的电子可增加104～108倍，所以光电倍增管的灵敏度要比普通光电管高很多，可用来检测微弱的光信号。

正是由于光电倍增管高灵敏度和低噪声的特点，使得其在光测量方面有着极其广泛应用。

3.2分压器

光电倍增管中各个电极的电位是由外加电阻分压器抽头供