分类号密级UDC 编号中国科学院研究生院博士学位论文用于探测行星表面元素成分的伽马射线谱仪马涛指导教师甘为群研究员、博士、中科院紫金山天文台常进研究员、博士、中科院紫金山天文台申请学位级别博士学科专业名称空间天文学论文提交日期论文答辩日期培养单位中国科学院紫金山天文台学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席GAMMA-RAY SPECTROMETER FOR ELEMENTS COMPOSITIONON PLANETARY SURFACESA Dissertation for the Doctoral Degree ofin the Graduate School of Chinese Academy of SciencesByTao MaDirected ByWei Qun GanJin ChangChinese Academy of Sciences11，2011关于学位论文使用权声明任何收存和保管本论文各种版本的单位和个人，未经著作权人授权，不得将本论文转借他人并复印、抄录、拍照、或以任何方式传播。
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签名：导师签名：日期：摘 要探测行星表面物质成分可以帮助人们理解行星的形成和演化机制，是行星探测任务的重要科学目标之一,而利用伽玛射线谱仪探测特征伽玛射线来获取行星表面物质成分被证明是一种有效的手段，其探测历史已经有了几十年。
嫦娥一号卫星是我国首次对月球进行探测，其上面搭载的伽马射线谱仪的科学目标是月表物质成分的识别以及绘制元素分布图。
本文介绍了探测行星表面物质成分的伽马射线谱仪的原理，描述了嫦娥一号伽马射线谱仪的工作原理以及仪器标定和验证结果。
本文的主要工作分为两个方面，一是对嫦娥一号伽玛射线谱仪数据进行处理，另一方面是对未来的探测任务设计探测器。
嫦娥一号探测任务是我国首次对月球进行探测，其上面携带了伽玛射线谱仪，采用CsI晶体，由于没有实测背景数据以及累积时间不够等条件的影响，仅获取了月面放射性元素（K、Th、U）的分布图，目前嫦娥二号已经发射成功，其上面携带的伽玛射线谱仪采用了能量分辨率较高的LaBr3晶体，初步分析结果表明，通过特征谱线能够识别K、Th、Fe、Ca、Al、Si、O、Ti等元素。
火星探测器是未来的任务之一，初步方案设计和预期结果表明，探测器的设计可以满足任务需求。
关键词：行星，月球，伽马射线，溴化澜AbstractMeasuring the gamma ray fluxes produced by the interaction of galactic cosmic rays with planetary surfaces and radioactive material allow constraining the chemical composition of the planetary surfaces. The analysis of the spectra thus obtained is used to identify and quantify the gamma emitting nuclides contained in the material.The fluxes of gamma rays emitted by a planetary surface allow mapping many elements of interest for deriving the geological history of a body.The present work focus on data processing based on two experiments, Chang’E-1 and Chang’E-2 Gamma Ray Spectrometer. Chang’E-2 Gamma Ray Spectrometer has a LaBr3 crystal with better energy resolution than Chang’E-1 Gamma Ray Spectrometer. The method how to process the data from Chang’E-1 is reviewed, and qualitative lunar maps of major elements ( K, Th, U) have been presented.Regretfully, the cislunar spectrum of Chang’E-1 GRS was not collected. Nevertheless, we give a method to estimate the background count rate in the energy field from 0.55 to 2.75MeV. Analysis of the Chang’E-2 Gamma ray spectrum showed the line of K、Th、Fe、Ca、Al、Si、O、Ti and the work is going on. The detector for the future Mars Mission has been designed and the expected results are studied.KEY WORDS：Planet, Lunar, Gamma ray, LaBr3目 录用于探测行星表面元素成分的伽马射线谱仪 (i)摘 要 (I)目 录 (III)图目录 (V)表目录 (VII)1 绪论 (8)2 用于行星探测的伽玛射线谱仪 (10)2.1伽马射线谱仪探测原理 (10)2.2伽马射线 (10)2.3行星表面伽马射线的来源 (10)2.4伽马射线谱仪 (13)2.4.1 伽马射线谱仪 (13)2.4.2 行星探测的伽马射线谱仪历史 (14)2.5月球 (15)3 嫦娥一号伽玛射线谱仪 (20)3.1 嫦娥一号伽玛射线谱仪任务 (20)3.1.1 嫦娥一号卫星伽玛射线谱仪原理 (20)3.1.2 嫦娥一号伽马射线谱仪功能框图 (21)3.1.3嫦娥一号伽玛射线谱仪的空间分辨 (22)3.1.4嫦娥一号伽玛射线谱仪背景分析 (24)3.1.5 嫦娥一号伽马射线谱仪标定 (25)3.2嫦娥一号伽马射线谱仪数据处理 (48)3.2.1国外伽玛射线谱仪的数据处理方法回顾 (48)3.2.2 伽玛射线能谱寻峰算法和应用 (51)3.2.3 伽玛射线谱仪数据处理模型与方法 (57)3.2.4 讨论 (70)3.3嫦娥二号伽马射线谱仪 (70)3.3.1嫦娥二号探测背景介绍 (70)3.3.2嫦娥二号伽马射线谱仪数据处理初步结果 (71)4 火星伽马射线谱仪 (72)4.1火星探测背景介绍 (72)4.1.1火星探测任务介绍 (72)4.2火星伽马射线谱仪设计 (72)4.2.1 火星伽马射线谱仪探测器设计 (72)4.2.2本底抑制系统 (74)4.2.3电子学设计 (74)4.2.4机械设计 (75)4.2.5 探测器小型化设计 (75)4.2.6 估计主量元素所需的观测时间 (76)4.2.7火星伽玛射线谱仪性能指标 (77)4.2.8结论 (78)5 结论 (79)参考文献 (81)附录 (83)致 谢 (84)图目录图表1行星表面伽玛射线的产生机制 (13)图表2高能量分辨伽玛谱仪获取的典型伽玛能谱 (13)图表3Lunar Prospector 3He 中子探测器 (15)图表4Harrison Schmitt 在Apollo17探测活动期间靠近一个巨大的卵石 (16)图表5探测月球的任务列表 (17)图表6月球的正面地图 (18)图表7月球的背面地图 (18)图表8CE-1伽马射线谱仪探测器示意图 (20)图表9嫦娥一号伽玛射线谱仪电路功能框图 (21)图表 10 伽玛谱仪(GRS）的空间分辨几何示意图 (22)图表 11 伽玛射线源点与星下点之间距离与相对星下点 (23)图表 12 标定测试框图 (26)图表 13 40K能峰能道与温度的相关曲线 (28)图表 14 208Tl能峰能道与温度的相关曲线 (29)图表 15 反符合计数率对探测器的影响因子标定示意图 (30)图表 16 主探测器死时间标定示意图 (31)图表 17 探测器能量线性标定和效率标定示意图 (34)图表 18 137Cs峰拟合结果 (35)图表 19 60Co峰拟合结果 (35)图表 20 57Co峰拟合结果 (36)图表 21 40K和208Tl峰拟合结果 (36)图表 22 能量线性拟合结果 (36)图表 23 能量分辨率拟合结果 (37)图表 24 探测器有效面积标定示意图 (38)图表 25 探测器效率模拟结果 (39)图表 26 探测器角度标定示意图 (40)图表 27 反符合效率标定示意图 (43)图表 28 反符合效率标定结果 (43)图表 29 探测器盲测标定示意图 (44)图表 30 样品#1-#4测得到的数据减去本底后的能谱图 (47)图表 31 为月面赤道（纬度0度），东经-42.75度的高原区域主量元素的丰度拟合计算结果 (48)图表 32 月面5度╳5度空间分辨K 的分布图 (49)图表 33 K 、Th 的相关性.....................................................................................................49 图表 34伽玛射线能谱特征峰数学模型，红色为高斯成分，蓝色为尾指数函数成分50图表 35 五个单能峰叠加在的连续本底 (53)-0.5x 10000B(x)⨯=图表 36 红色曲线模拟的测量谱，蓝色曲线为测量谱的点相关函数 (54)图表 37 扣除峰信号影响得到本底谱 (54)图表 38 利用叠代重构的真实谱 (55)图表 39 求得的峰信号只有480能道的峰在三个能道上有计数分布...........................55 图表 40 嫦娥一号累计谱，红：嫦娥一号数据，绿：拟合的本底，蓝：扣除拟合本底的残峰，黑：为提取的峰信息 (56)图表 41 伽玛射线谱仪数据处理流程 (57)图表 42 未作背景校正的2度╳2度月面自然放射性元素分布图 (61)图表 43 0.55-2.75MeV 平均计数率与不同轨道高度的线性关系及拟合曲线 (62)图表 44 经过背景校正的2度╳2度月面自然放射性元素分布图 (62)图表 45 嫦娥2号伽玛射线谱仪的巡航谱 (63)图表 46 嫦娥二号伽马射线谱仪在高地区域的单轨总计数率和轨道高度Vs 时间 (63)图表 47 嫦娥二号不同轨道高度的数据累计时间...........................................................64 图表 48 y Vs x ..图表图表图表................................................................................................................65 图表 49 Th 计数率（2.5-2.7MeV ）VS 放射性元素计数率（0.55-2.75MeV ）回归拟合66 50 Th 元素的计数率的2度╳2度分布图（ppm ）. (66)图表 51 主量元素产生的0.55MeV-2.75MeV 的计数率计算 (68)图表 52 全月面单位相元的观测时间分布 (69)图表 53嫦娥二号环月数据累积谱....................................................................................71 图表 54 高纯锗、平板CdTe 、半球形CdTe 、CsI(TI)、LaBr3(Ce)，全能峰探测效率比较...................................................................................................................................73 55 CsI(TI)、LaBr3(Ce)对放射源（662keV ）的探测能量分辨率比较 (73)图表 56 高纯锗、半球形CdTe 、平板CdTe ，探测能量分辨率比较..............................74 图表 57（左上:外观图, 右上:剖面图, 左下:测试图, 右下:俯视图）绿色为BGO ，蓝色为LaBr 3.........................................................................................................................75 58 探测器效率比较（溴化澜 Vs 高纯锗）. (76)表目录表格 1 自然放射性元素列表 (11)表格 2 非弹性散射产生的伽玛射线 (12)表格 3 中子俘获产生的伽玛射线 (12)表格 4 行星伽玛射线谱仪列表 (14)表格 5 标定实验设备列表 (26)表格 6 反符合计数率影响因子标定结果 (31)表格 7 主探测器死时间标定结果 (33)表格 8 探测器实测相对效率表 (39)表格 9 探测器角度影响因子标定结果 (41)表格 10 探测器增益标定结果 (42)表格 11 盲测结果与实际的结果相比在误差范围之类。