Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Лабораторные испытания макета прибора КГС-МЗЧ на ускорителе протонов в ОИЯИ показали его практическую реализуемость. Численное моделирование эксперимента с КГС-МЗЧ также подтвердило возможность значительного повышения достоверности измерения ядерных гамма-линий вещества под воздействием потока протонов. В лабораторном эксперименте с макетом КГС-МЗЧ на протонном ускорителе ОИЯИ было подтверждено, что важнейшим преимуществом применения метода «меченых заряженных частиц» в планетных исследованиях является практически полное исключение вклада гамма-лучей от окружающего вещества за пределами облучаемой области толстой мишени, которые при традиционных измерениях приводят к неопределенности в оценках интенсивностей линий излучения от ядер породообразующих элементов. Так, для толстой мишени из стекла, которое является достаточно хорошим аналогом планетного вещества, было показано, что линии неупругого рассеяния нейтрона на кремнии с энергиями 4,42 МэВ и 4,93 МэВ (первая возникает от утечки гамма-кванта 0,511 МэВ) имеют статистическую значимость 5,7 и 4,9 сигма, соответственно. При этом указанные линии практически не видны в интегральном спектре отсчетов гамма-лучей, построенном без учета критерия совпадения.

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В течение второго 2019 года реализации проекта была продолжена экспериментальная и теоретическая разработка предложенного метода гамма-спектрального анализа на борту космического аппарата состава вещества поверхности небесного тела без атмосферы или с тонкой атмосферой. Был разработан более совершенный лабораторный образец ЛО-02 прибора «Космический гамма-спектрометр с мечеными заряженными частицами» КГС-МЗЧ, в котором измерение времени регистрации гамма-кванта практически не зависит от соответствующего ему энерговыделения в детекторе. В предыдущем лабораторном образце ЛМ-01 2018 года такой эффект присутствовал, что затрудняло выполнение условия одновременной регистрации протона и соответствующего ему гамма-фотона от ядерной реакции в веществе. В образце ЛМ-02 этот эффект практически отсутствует, при этом качество спектрометрического измерения не ухудшилось. Для экспериментальных работ 2019 года была создана экспериментальная установка ЭУВ-02, на которой проводились измерения с лабораторным образцом ЛМ-02 на протонном пучке фазотрона Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ. Благодаря применению специально разработанного коллиматора был создан квази-однородный пучок протонов с энергиями около 160 МэВ, со средним потоком частиц 10**4сек-1см-2 и с сечением 8 х 8 см. Такой пучок является удовлетворительным физическим имитатором потока космических лучей, бомбардирующего поверхность планеты. Полное время измерений на пучке ускорителя в 2019 году составило 21.5 часов. Принципиальным изменением экспериментальных исследований метода «меченых протонов» в 2019 году стало использование составных мишеней СМ, как образцов-аналогов планетного вещества. Эти мишени представляли собой прямоугольную призму с продольным размером вдоль направления пучка 20.5 см и поперечными размерами 8 х 8 см. В основном фрагменте мишени ОФСМ, по всей его длине имеется угловой вырез c размерами 3 на 3 см, в который вставляются сменные фрагменты составной мишени СФСМ, изготовленные из силикатного стекла, Na, Al, Mg, Fe и Ti. Таким образом, облучаемая поверхность мишени СМ представляет собой комбинацию силикатного стекла (86% облучаемой поверхности) и сменного вещества (14% от облучаемой поверхности). Очевидно, что в случае СФСМ из силикатного стекла полная мишень СМ имеет однородный состав. Основная задача измерений на установке ЭУ-02 состояла в экспериментальном подтверждении преимущества метода гамма-спектрального анализа с «мечеными протонами» для обнаружений неоднородностей состава планетного вещества по сравнению с традиционным измерениями. Это сопоставление было выполнено на основе двух вариантов измерений: на основе обычного метода гамма-спектрометрических измерений, и на основе метода «меченых протонов», когда для спектрометрии отбираются только те фотоны, регистрация которых по времени в пределах нескольких десятков наносекунд совпадает с моментами регистрации частиц, прошедших через протонный телескоп. Составная мишень СМ в установке ЭУ-02 устанавливалась таким образом, что «меченые протоны» могут попасть только в ее сменный фрагмент СФСМ. Поэтому во втором случае прибором регистрируются гамма-лучи, образовавшиеся в СФСМ, и также те фотоны от локального гамма-фона, которые могут быть зарегистрированы в течение короткого промежутка времени относительно момента регистрации какой-либо заряженной частицы. Были обработаны результаты измерений для СМ с однородном составом и также с СФСМ из алюминия и из железа. Сопоставление спектров, полученных на основе обычного метода измерений гамма-лучей от однородной СМ и от СМ с фрагментом из алюминия, продемонстрировало их практически полное совпадение. Оценка значимостей ожидаемых спектральных деталей для алюминия не превысила порога в 3 стандартных отклонения на фоне статистических флуктуаций. Это связано с тем, что в статистику отсчетов в гамма-детекторе большой вклад вносит излучение от основного фрагмента ОФСМ из силикатного стекла и также фоновое излучение. Следует также учесть, что в реальных условиях планетного эксперимента в спектре фонового излучения также будут присутствовать ядерные линии алюминия в веществе космического аппарата. Это означает, что без использования метода «меченых протонов» в реальных условиях наблюдений на борту посадочного аппарата существенно возрастет неопределенность в оценке концентрации алюминия в грунте. С другой стороны, для аналогичных измерений мишеней СМ с однородным составом и с фрагментом из алюминия по методу «меченных протонов» между спектрами гамма-лучей обнаружено существенное различие. Этот результат подтверждает чувствительность метода. В случае однородной мишени СМ «меченые протоны» облучают только фрагмент СФСМ из силикатного стекла, а в случае неоднородной СМ они облучают только СФСМ из алюминия. Действительно, на спектре излучения для СМ с алюминием присутствуют линии с энергиями 843 кэВ, 1015 кэВ, 2211 кэВ, 3004 кэВ, которые соответствуют переходам ядра алюминия из возбужденных в основное состояние. Также наблюдаются линии с энергиями 1129 кэВ, 1369 кэВ, 1611 кэВ, 1808 кэВ, которые соответствуют возбужденным состояниям различных изотопов магния, образующихся в ядерных реакциях при облучении алюминия. Значимость обнаруженных линий достаточно высока. Аналогичные результаты были получены при сравнении спектров гамма-лучей от однородной мишени СМ из силикатного стекла и от мишени, включающей фрагмент СФСМ из железа. Сравнение спектров, полученных обычным методом спектрометрии не позволило обнаружить ядерных линий железа. Напротив, при применении метода «меченых протонов» в спектре гамма-лучей от СМ с железным фрагментов наблюдается сильная ядерная линия железа с энергией 847 кэВ, которая излучается при переходе ядра железа в основное состояние. Исследования на протонном пучке сопровождались их детальным численным моделированием. Были рассчитаны спектры гамма-лучей для всех основных вариантов лабораторных измерений. Было получено хорошее согласие теории с экспериментом. Численные эксперименты полностью подтвердили возможность изучения неоднородности элементного состава вещества на основе гамма-спектрометрии с применением метода «меченых протонов». Особенностью этого метода является возможность измерять содержание того или иного элемента в веществе по интенсивностям только тех ядерных линий, которые возникают в реакциях раскола ядер протонами или неупругого рассеяния вторичных быстрых нейтронов. На основе численного моделирования было показано, что в природе имеется достаточное число таких линий, измерения которых позволят различить основные типы лунного реголита. В частности, были выполнены расчеты гамма-спектров для лунного реголитов с составом FAN и А11, измеренные на основе метода «меченых протонов». Показано, что имеется набор гамма-линий алюминия, магния и железа, измерения интенсивностей которых позволят достоверно различить эти два типа лунного вещества. Этот вывод открывает возможность детальных исследований состава лунного вещества с высоким пространственным разрешением. При перемещении мобильного аппарата от точки к точке прибор как-бы «сканирует» поверхность в пределах телесного угла, в котором на нее попадают «меченые протоны», и предоставляет возможность измерить переменность ядерных линий от вещества, расположенного в пределах этого телесного угла. Для измерений на поверхности Луны обнаружение локальных неоднородностей, где содержание основных породообразующих элементов оказывается существенно отличным от среднего содержания, играет важную роль. Это может предоставить уникальную информацию о механизмах формирования поверхности на различных стадиях эволюции Луны. Это также создает условия для геологоразведки лунных ресурсов для их практического применения в будущем.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В работах третьего 2020 года проекта было намечено получить результаты для трех основных ЗАДАЧ проекта, подводящие итог всему Проекту в целом в соответствии с исходной заявкой, подготовленной в 2018 году. Ниже показано, что это сделать удалось несмотря на негативные обстоятельства, возникшие в 2020 году в связи с эпидемиологическими ограничениями, существенно затруднившими проведение исследований в ИКИ РАН и экспериментальные исследования на протонном ускорителе в ОИЯИ. Результаты исследований третьего года Проекта в рамках ЗАДАЧИ 1: На основе анализа данных измерений на протонном пучке в 2018 – 2019 гг. было установлено, что принципиальное значение для реализации методики гамма-спектрометрии с регистраций меток от заряженных частиц имеет уменьшение «мертвого времени» регистрации отсчетов электронного тракта усиления и оцифровки сигнала. Уменьшение этого времени позволяет сократить интервал времени совпадения для выработки метки заряженной частицы в процессе регистрации фотона гамма-лучей. Исходное значение “мертвого времени” для обработки сигналов регистрации фотонов в лабораторном макете составляло около 2.4 микросекунды. Целью исследований третьего года проекта стало создание лабораторного макета ЛМ-03, для которого “мертвое время” было бы сокращено в 2 – 3 раза. В третьем году проекта были изготовлены два доработанных варианта лабораторного образца ЛМ-02 (03.1) и (03.2), как прототипы для создания нового макета лабораторного макета ЛМ-03. Для этих образцов также были измерены значения «мертвого времени» около 1 микросекунды и сделаны выводы о возможностях его сокращения. Эти образцы применялись в серии экспериментов в составе экспериментальной установки ЭУ-03 на протонном ускорителе ОИЯИ ускорителе в июне 2020 г. На основе результатов испытаний доработанных вариантов ЛМ-02 был изготовлен новый лабораторный макет ЛМ-03 с применением новых схемных решений для цепей амплитудно-цифрового преобразования детекторного блока гамма-спектрометра. Были выполнены измерения «мертвого времени» обработки сигналов в ЛМ-03 на специально созданной лабораторной установке в ИКИ РАН с применением радиоактивных источников гамма-лучей. Было экспериментально установлено, что величина «мертвого времени» для ЛМ-03 составляет 948 наносекунд. Участники проекта планируют подать Заявку на продление Проекта в 2021 – 2022 гг. В случае, если Заявка будет поддержана в 2021 г. ЛМ-03 будет использоваться в лабораторных исследованиях на протонном ускорителе в составе экспериментальной установки ЭУ-03 (см. ниже). Также в случае поддержки Заявки будут продолжены работы по созданию наиболее чувствительного макета ЛМ-04, который может стать прототипом бортового прибора для космических исследований на основе применения метода КГС-МЗЧ. Результаты исследований третьего года Проекта в рамках ЗАДАЧИ 2: Разработка и изготовление экспериментальной установки ЭУ-03 выполнена в запланированном объеме. Принципиально важными свойствами этой установки являются, во-первых применение поперечно-перемещаемой сборной мишени-носителя из кварцевого стекла со свободными объемами для размещения в них вставных мишеней-аналогов из металлов или вставных контейнеров с веществами с разными химическими составами, имитирующими различные типы марсианского вещества. Во-вторых, ЭУ-03 позволяла управляемо перемещать мишень-носитель в направлении поперек направления пучка протонов для изменения состава облучаемого объема мишени-носителя. Запланированные работы по изготовлению толстой мишени со свободными объемами для мишеней-аналогов планетного вещества с пространственно-неоднородным элементным составом также выполнены в полном объеме. Была изготовлена первая серия из 4-х мишеней-аналогов, предназначенная для испытаний на ЭУ-03 с ЛМ-02 в качестве прототипа КГС-МЗЧ для экспериментальной демонстрации возможностей поиска локальных включений из алюминия, железа и титана в грунте-аналоге лунного реголита. Эта серия мишеней применялась в первой серии натурных испытаний в июне 2020 г. в составе новой установки ЭУ-03 на протонном пучке в ОИЯИ. Вторая изготовленная серия из 11 мишеней была предназначена для испытаний на ЭУ-03 возможностей эксперимента с КГС-МЗЧ в части поиска переменности состава марсианского реголита. На основе анализа данных измерений состава грунта прибором APXS на борту марсохода НАСА Кюриосити были установлены 11 вариантов марсианского грунта с различным составом основных породообразующих элементов. Для этих вариантов были изготовлены 11 мишеней-аналогов, состав вещества которых достаточно точно воспроизводил состав 11 вариантов марсианского грунта. На третий 2020 год проекта были запланированы две серии экспериментов с ЭУ-03 в ОИЯИ для лабораторной демонстрации возможностей позиционно-чувствительных измерений переменности состава планетного вещества на основе применения методики гамма-спектрометрии КГС-МЗЧ на борту мобильного космического аппарата на поверхности небесного тела. Первая серия экспериментов в июне 2020 г. была выполнена полностью с четырьмя мишенями-аналогами лунного вещества с локальными включениями из алюминия, железа и титана. Было экспериментально показано, что космический прибор КГС-МЗЧ на борту лунохода позволит обнаружить такие локальные металлические включения в грунте Луны. Вторая серия экспериментов с 11 мишенями-аналогами разных вариантами состава марсианского грунта была намечена на осень 2020 г. Во второй серии экспериментов должны были быть проведены измерения спектров гамма-лучей по методике КГС-МЗЧ при облучении 11 мишеней-аналогов марсианского вещества, разработанных и изготовленных в соответствии с данными измерений прибора APXS на борту марсохода НАСА Кюриосити. Эта серия экспериментов была полностью подготовлена но не была проведена в связи с эпидемиологическими ограничениями в ИКИ РАН и в ОИЯИ. Вместо второй серии экспериментальных исследований в ОИЯИ были проведены в ИКИ РАН работы сравнительному анализу результатов измерений, выполненных в июне 2020 г. на протонном пучке ускорителя протонов по традиционной методике гамма-спектрометрии на основе измерения интегрального спектра гамма-лучей и по предложенной в данном проекте методике КГС-МЗЧ гамма-спектрометрии фотонов с метками регистрации заряженных частиц, ответственных за регистрацию этих фотонов. Было показано, что второй метод имеет значительное преимущество по сравнению с традиционной методикой, основанной на измерении интегрального спектра гамма-лучей. Результаты исследований третьего года Проекта в рамках ЗАДАЧИ 3: Численное моделирование лабораторного эксперимента на протонном пучке с применением новой экспериментальной установки ЭУ-03 и с применением первой серии мишеней-аналогов лунного вещества с локальными включениями металлов выполнено полностью. Показано, что имеется хорошее согласие экспериментальных и численных результатов для спектров гамма-лучей от разных мишеней-аналогов как для традиционной методики гамма-спектрального анализа интегральных спектров гамма-лучей, так и для предложенного в данном проекте метода выборочного гамма-спектрального анализа фотонов с метками заряженных частиц, которые обеспечили генерацию этих фотонов. Также было выполнено численное моделирование лунного космического эксперимента КГС-МЗЧ на луноходе. Показано, что предложенная методика гамма-спектрометрии фотонов с метками от заряженных частиц позволяет с высокой достоверностью обнаружить изменение состава реголита в верхнем слое вещества между типами FAN и Apollo-11. Анализ данных моделирования позволил определить конкретные ядерные линии определенных химических элементов, измерения интенсивностей которых методом КГС-МЗЧ предоставляют наиболее достоверные спектрометрические признаки разных типов лунного реголита.