КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 18-12-00487
НазваниеПерспективный прибор «Космический гамма-спектрометр с мечеными заряженными частицами» (КГС-МЗЧ) для изучения Луны, Марса и других небесных тел солнечной системы методами ядерной физики
Руководитель Митрофанов Игорь Георгиевич, Доктор физико-математических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт космических исследований Российской академии наук , г Москва
Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-703 - Солнце и Солнечная система
Ключевые слова Гамма-лучи, космические лучи, ядерные линии, химический состав планетного вещества, планеты, Луна, космические исследования
Код ГРНТИ89.15.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Данная заявка на проект РНФ 2018 – 2020 гг. (ниже Проект 2018) подготовлена группой ученых, которые были участниками научного коллектива Проекта РНФ №14-22-00249 в 2014 – 2016 гг. (ниже Проект 2014, см. Дополнительный материал 1, приложение №1.1). В Проекте 2014 были созданы лабораторные прототипы перспективной ядерно-физической научной аппаратуры для космических планетных исследований, были разработаны программы численного моделирования ядерно-физических процессов, имеющих место в планетных исследованиях, были построены уникальные экспериментальные установки для натурных испытаний ядерно-физической аппаратуры космического применения на основе методик «толстой мишени» и «гамма-станции». (см. Дополнительный материал 1, приложение №1.1). Итоговый отчет по Проекту 2014 был одобрен на основе полностью положительных отзывов двух рецензентов (см. Дополнительный материал 1, приложение №1.2). Замечаний к его результатам отмечено не было. Один из рецензентов отметил, что «проект имеет перспективу продления с целью создания максимально чувствительной аппаратуры для изучения Луны и планет Солнечной системы».
Чувствительность аппаратуры для ядерно-физических исследований вещества небесных тел зависит от отношения «сигнал/фон». Применение даже самых современных средств и методик ядерной физики и технологии для достижения максимально возможной величины измеряемого «сигнала» требует использования детекторов с большой массой и объемом. Во многих случаях это оказывается невозможным вследствие весовых ограничений для бортовой аппаратуры межпланетных исследовательских аппаратов. Поэтому насущной потребностью при создании перспективных ядерно-физических приборов для планетных исследований является максимально возможное снижение сопровождающего измерения «фона». Исходя из этого вывода, в 2016 г. научным коллективом Проекта 2014 была направлена заявка на продление исследований этого проекта в 2017 – 2019 гг. (см. Дополнительный материал 1, приложение №1.3).
Эту заявку рассмотрели два рецензента. Первый дал полностью положительную оценку с рекомендацией поддержки (см. Дополнительный материал 1, приложение №1.4). Второй рецензент также представил в целом положительный отзыв, но указал в качестве слабой стороны отсутствие в плане работ дополнительных исследований «химического многообразия вещества» планетных тел наряду с предложенными ядерно-физическими исследованиями (Дополнительный материал 1, приложение №1.4). К сожалению, этот рецензент не обратил внимание на раздел итогового отчета по Проекту 2014, где были представлены результаты конкретной реализации такого дополнительного химического исследования, уже выполненного нами в рамках Проекта 2014. Руководителем Проекта 2014 было направлено письмо в РНФ с указанием некорректности указанного замечания второго рецензента (см. Дополнительный материал 1, приложение №1.5).
Мы уверены в том, что предложенные ранее в заявке на продление Проекта 2014 исследования по разработке перспективных низкофоновых приборов для ядерно-физических космических исследований небесных тел имеют высокую актуальность. В настоящее время в ходе формирования перспективной Федеральной космической программы на период после 2025 г. обсуждаются проекты по изучению Луны, разведке и освоению ее ресурсов, которые нуждаются в исследовательской аппаратуре для бесконтактного анализа состава лунного вещества. Однако для того, чтобы инновационная научная аппаратура могла быть включенной в состав полезной нагрузки космического аппарата, она должна иметь достаточно высокий уровень технологической разработки TRL > 6: этот уровень соответствует успешному лабораторному макетированию нового научного прибора с демонстраций его заявленных возможностей (см. описание требований Technology Readiness Level в Дополнительном материале 1, приложение №1.6). Госкорпорация «Роскосмос», как правило, не финансирует поисковые исследования по созданию опытных образцов научной аппаратуры на основе новых идей или физических принципов, которые необходимы для достижения уровня TRL = 6. Поэтому предложенный в данной заявке Проект 2018 в рамках мероприятия РНФ «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами» представляется оптимальным средством для проведения исследований по созданию перспективных космических приборов. Проект 2018 в случае его поддержки будет проводиться на основе научных результатов и экспериментальных средств, полученных и созданных ранее в Проекте 2014. Материальный вклад Проекта 2014 в заявленный Проект 2018 составляет около 7 млн. руб.
В Проекте 2018 мы предлагаем разработать физические основы КОСМИЧЕСКОГО ГАММА-СПЕКТРОМЕТРА С МЕЧЕНЫМИ ЗАРЯЖЕННЫМИ ЧАСТИЦАМИ (КГС-МЗЧ), создать и провести экспериментальные испытания его лабораторного макета (ГАММА-СПЕКТРОМЕТР С МЕЧЕНЫМИ ПРОТОНАМИ, ГС-МП) в качестве действующего прототипа перспективного космического прибора для исследований ядерного состава вещества с борта космического аппарата на поверхности небесного тела (см. Дополнительный материал 1, приложения №1.7 и 1.8).
Известно, что каждая энергичная частица космических лучей, попадающая на поверхность небесного тела без атмосферы или с тонкой атмосферой, производит в верхнем слое вещества каскад ядерных реакций с образованием возбужденных ядер и быстрых нейтронов. Переходы ядер в основные состояния и неупругие рассеяния нейтронов на ядрах сопровождаются генерацией гамма-лучей с энергиями, соответствующим переходам между уровнями квантовых состояний ядер. Измеряя энергетические спектры гамма-лучей, можно по энергиям и интенсивностям гамма-линий определить ядерный состав вещества в слое с толщиной около нескольких десятков сантиметров (см. Дополнительный материал 2, Приложение №2.1).
Основная идея эксперимента с прибором КГС-МЗЧ состоит в том, чтобы для каждого фотона, регистрируемого в Детекторе Гамма Лучей (ДГЛ), измерять с точностью до наносекунд время его регистрации относительно последнего предшествующего момента регистрации в Детекторе Заряженных Частиц (ДЗЧ) протонов и ионов космических лучей (см. Дополнительный материал 1, приложение № 1.7). ДЗЧ будет регистрировать только те заряженные частицы, которые прошли через него из фиксированного телесного угла на небесной сфере и попали в определенный объем вещества небесного тела, расположенный непосредственно под ДГЛ и ограниченный телесным углом его поля зрения (см. Дополнительный материал 1, приложение № 1.7). Те гамма-фотоны, которые зарегистрированы в ДГЛ с малым временем запаздывания порядка десятка наносекунд относительно предшествующего момента регистрации частицы в ДЗЧ, с высокой вероятностью должны быть испущены в выделенном объеме вещества, в который попадают зарегистрированные в ДЗЧ заряженные частицы. Метод «меченых заряженных частиц» позволяет практически полностью исключить из измеренных спектров гамма-лучей вклад излучения от вещества, расположенного за пределами выделенного объема. В частности, будет исключен вклад гамма-лучей от самого космического аппарата и также от удаленных участков поверхности. Оценки показали, что чувствительность гамма-спектрометрического анализа состава вещества на основе метода «меченых заряженных частиц» позволит определить содержание основных породообразующих элементов с очень высокой точностью (см. Дополнительный материал 2, приложение №2.2).
В известных экспериментах по космической гамма-спектрометрии фоновое излучение от космического аппарата и от удаленных участков поверхности существенно затрудняло поиск и отождествление гамма-линий от исследуемого вещества, понижало статистическую значимость оценок концентрации породообразующих элементов (см. Дополнительный материал 2, приложение №2.3). При проведении гамма-спектрометрического анализа состава планетного вещества с борта космического аппарата на поверхности небесного тела оказывается практически невозможным изучение концентрации тех химических элементов, которые входят в состав конструкции аппарата. Это связано с тем, что аппарат под воздействием космических лучей также является источником вторичного гамма-излучения, и ядерные гамма-линии в спектре этого излучения перекрываются с аналогичными линиями от планетного вещества. НОВИЗНА заявленного Проекта 2018 состоит в разработке и практической реализации принципиально нового метода анализа состава вещества небесных тел на основе низкофоновых измерений энергетических спектров собственного гамма-излучения их поверхности с практически полным исключением вклада от космического аппарата.
АКТУАЛЬНОСТЬ заявленного Проекта 2018 заключается в том, что к 2021 году будут разработаны физические основы и решены научно-технические задачи, соответствующие основным этапам создания, лабораторных испытаний и численного моделирования научной аппаратуры КГС-МЗЧ. На основе полученных в проекте результатов научная группа проекта планирует в 2021 году приступить к созданию прибора КГС-МЗЧ в летном космическом исполнении для его применения в национальном проекте «Луна-Грунт», предусмотренном Федеральной космической программой для реализации после 2025 года. В этом проекте планируется доставить с Луны для исследований на Землю образцы лунного полярного реголита. Современные данные показали, что в полярном реголите могут присутствовать значительные количества замерзших летучих соединений, и их детальные исследования представляют значительный интерес для выяснения условий образования и эволюции Луны, комет и всей Солнечной системы. Прибор КГС-МЗЧ позволит провести предварительную разведку наиболее перспективного района в окрестности посадочного аппарата для забора образцов, а также выполнить предварительный анализ для отбора наиболее интересных образцов для доставки на Землю. В конце второго десятилетия гамма-детектор на основе метода «меченых заряженных частиц» может стать важным научным инструментом для разведки лунных полезных ископаемых в составе будущего исследовательского аппарата «Луноход» и также будущих мобильных аппаратов по изучению Марса, Меркурия и других небесных тел Солнечной системы.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1. Митрофанов И. Г., Санин А. Б., Никифоров С. Ю., Головин Д. В., Аникин А. А., Дьячкова М. В., Карпушкина Н. Е., Лисов Д. И., Литвак М. Л., Мокроусов М. И., Дубасов П. А., Зонтиков А. О. Cosmic Gamma-Ray Spectrometer with Tagged Charged Particles of Galactic Cosmic Rays Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (год публикации - 2019)
2. Митрофанов И.Г., Головин Д.В., Никифоров С.Ю., Санин А.Б., Аникин А.А., Дьячкова М.В., Карпушкина Н.Е., Лисов Д.И., Литвак М.Л., Мокроусов М.И., Тимошенко Г.Н., Крылов А.Р., Швецов В.Н., Мицин Г.В., Молоканов А.Г., Дубасов П.А., Зонтиков А.О. Результаты экспериментальной верификации гамма-спектрометра с мечеными заряженными частицами на протонном пучке ускорителя ОИЯИ Письма в журнал «Физика элементарных частиц атомного ядра» (год публикации - 2019)
3. Аникин А.А., Дьячкова М.В., Литвак М.Л., Митрофанов И.Г., Мокроусов М.И., Никифоров С.Ю., Санин А.Б. Перспективный эксперимент с гамма-спектрометром на борту мобильного космического аппарата для изучения элементного состава вещества Луны, Марса и других небесных тел без атмосферы или с тонкой атмосферой Космические исследования (год публикации - 2020)
4. Митрофанов И.Г., Литвак М.Л., Головин Д.В., Никифоров С.Ю., Санин А.Б., Аникин А.А., Мокроусов М.И., Тимошенко Г.Н., Крылов А.Р., Швецов В.Н., Мицин Г.В., Молоканов А.Г. Гамма-спектрометрия составных мишеней-аналогов планетного вещества на протонном пучке ускорителя ОИЯИ с использованием метода меченых протонов Письма в журнал «Физика элементарных частиц атомного ядра» (год публикации - 2020)
5. Санин А. Б., Митрофанов И. Г., Бахтин Б. Н., Литвак М. Л., Аникин А. A., Головин Д. И., Никифоров С. Ю. Об изучении пространственной переменности состава вещества Луны в экспериментах по гамма-спектроскопии на борту мобильного аппарата с применением метода «меченых космических лучей» Астрономический вестник (год публикации - 2020)
6. Митрофанов И.Г., Санин А.Б, Литвак М.Л., Головин Д.В., Никифоров С.Ю. The concept of gamma-ray remote sensing of the lunar regolith onboard a Moon Rover Acta Astronautica (год публикации - 2021)
7. Митрофанов И.Г., Литвак М.Л., Санин А.Б, Аникин А.А., Мокроусов М.И., Головин Д.В., Никифоров С.Ю., Тимошенко Г.Н., Швецов В.Н. Laboratory demonstration of space experiment for spectrometry of planetary gamma-rays with tags of galactic cosmic rays producing them Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (год публикации - 2021)
Публикации
1. Митрофанов И. Г., Санин А. Б., Никифоров С. Ю., Головин Д. В., Аникин А. А., Дьячкова М. В., Карпушкина Н. Е., Лисов Д. И., Литвак М. Л., Мокроусов М. И., Дубасов П. А., Зонтиков А. О. Cosmic Gamma-Ray Spectrometer with Tagged Charged Particles of Galactic Cosmic Rays Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (год публикации - 2019)
2. Митрофанов И.Г., Головин Д.В., Никифоров С.Ю., Санин А.Б., Аникин А.А., Дьячкова М.В., Карпушкина Н.Е., Лисов Д.И., Литвак М.Л., Мокроусов М.И., Тимошенко Г.Н., Крылов А.Р., Швецов В.Н., Мицин Г.В., Молоканов А.Г., Дубасов П.А., Зонтиков А.О. Результаты экспериментальной верификации гамма-спектрометра с мечеными заряженными частицами на протонном пучке ускорителя ОИЯИ Письма в журнал «Физика элементарных частиц атомного ядра» (год публикации - 2019)
3. Аникин А.А., Дьячкова М.В., Литвак М.Л., Митрофанов И.Г., Мокроусов М.И., Никифоров С.Ю., Санин А.Б. Перспективный эксперимент с гамма-спектрометром на борту мобильного космического аппарата для изучения элементного состава вещества Луны, Марса и других небесных тел без атмосферы или с тонкой атмосферой Космические исследования (год публикации - 2020)
4. Митрофанов И.Г., Литвак М.Л., Головин Д.В., Никифоров С.Ю., Санин А.Б., Аникин А.А., Мокроусов М.И., Тимошенко Г.Н., Крылов А.Р., Швецов В.Н., Мицин Г.В., Молоканов А.Г. Гамма-спектрометрия составных мишеней-аналогов планетного вещества на протонном пучке ускорителя ОИЯИ с использованием метода меченых протонов Письма в журнал «Физика элементарных частиц атомного ядра» (год публикации - 2020)
5. Санин А. Б., Митрофанов И. Г., Бахтин Б. Н., Литвак М. Л., Аникин А. A., Головин Д. И., Никифоров С. Ю. Об изучении пространственной переменности состава вещества Луны в экспериментах по гамма-спектроскопии на борту мобильного аппарата с применением метода «меченых космических лучей» Астрономический вестник (год публикации - 2020)
6. Митрофанов И.Г., Санин А.Б, Литвак М.Л., Головин Д.В., Никифоров С.Ю. The concept of gamma-ray remote sensing of the lunar regolith onboard a Moon Rover Acta Astronautica (год публикации - 2021)
7. Митрофанов И.Г., Литвак М.Л., Санин А.Б, Аникин А.А., Мокроусов М.И., Головин Д.В., Никифоров С.Ю., Тимошенко Г.Н., Швецов В.Н. Laboratory demonstration of space experiment for spectrometry of planetary gamma-rays with tags of galactic cosmic rays producing them Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (год публикации - 2021)
Публикации
1. Митрофанов И. Г., Санин А. Б., Никифоров С. Ю., Головин Д. В., Аникин А. А., Дьячкова М. В., Карпушкина Н. Е., Лисов Д. И., Литвак М. Л., Мокроусов М. И., Дубасов П. А., Зонтиков А. О. Cosmic Gamma-Ray Spectrometer with Tagged Charged Particles of Galactic Cosmic Rays Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (год публикации - 2019)
2. Митрофанов И.Г., Головин Д.В., Никифоров С.Ю., Санин А.Б., Аникин А.А., Дьячкова М.В., Карпушкина Н.Е., Лисов Д.И., Литвак М.Л., Мокроусов М.И., Тимошенко Г.Н., Крылов А.Р., Швецов В.Н., Мицин Г.В., Молоканов А.Г., Дубасов П.А., Зонтиков А.О. Результаты экспериментальной верификации гамма-спектрометра с мечеными заряженными частицами на протонном пучке ускорителя ОИЯИ Письма в журнал «Физика элементарных частиц атомного ядра» (год публикации - 2019)
3. Аникин А.А., Дьячкова М.В., Литвак М.Л., Митрофанов И.Г., Мокроусов М.И., Никифоров С.Ю., Санин А.Б. Перспективный эксперимент с гамма-спектрометром на борту мобильного космического аппарата для изучения элементного состава вещества Луны, Марса и других небесных тел без атмосферы или с тонкой атмосферой Космические исследования (год публикации - 2020)
4. Митрофанов И.Г., Литвак М.Л., Головин Д.В., Никифоров С.Ю., Санин А.Б., Аникин А.А., Мокроусов М.И., Тимошенко Г.Н., Крылов А.Р., Швецов В.Н., Мицин Г.В., Молоканов А.Г. Гамма-спектрометрия составных мишеней-аналогов планетного вещества на протонном пучке ускорителя ОИЯИ с использованием метода меченых протонов Письма в журнал «Физика элементарных частиц атомного ядра» (год публикации - 2020)
5. Санин А. Б., Митрофанов И. Г., Бахтин Б. Н., Литвак М. Л., Аникин А. A., Головин Д. И., Никифоров С. Ю. Об изучении пространственной переменности состава вещества Луны в экспериментах по гамма-спектроскопии на борту мобильного аппарата с применением метода «меченых космических лучей» Астрономический вестник (год публикации - 2020)
6. Митрофанов И.Г., Санин А.Б, Литвак М.Л., Головин Д.В., Никифоров С.Ю. The concept of gamma-ray remote sensing of the lunar regolith onboard a Moon Rover Acta Astronautica (год публикации - 2021)
7. Митрофанов И.Г., Литвак М.Л., Санин А.Б, Аникин А.А., Мокроусов М.И., Головин Д.В., Никифоров С.Ю., Тимошенко Г.Н., Швецов В.Н. Laboratory demonstration of space experiment for spectrometry of planetary gamma-rays with tags of galactic cosmic rays producing them Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment (год публикации - 2021)