侯東輝，張珅毅，Robert F Wimmer-Schweingruber，于 佳，Soenke Burmeister，沈國紅，袁 斌，王春琴，張斌全

（1.中國科學院國家空間科學中心，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100049；3.中國科學院天基空間環(huán)境北京市重點實驗室，北京 100190；4.德國基爾大學，基爾 24118）

引 言

月球上粒子輻射環(huán)境較為復雜，除了銀河宇宙射線（Galactic Cosmic Ray，GCR）、太陽粒子以外（Solar Energetic Particle，SEP）事件，還有銀河宇宙射線或太陽粒子事件與月壤產(chǎn)生的反照輻射，以及天然放射性核素。銀河宇宙射線由能量極高、通量極低的帶電粒子組成，其中重子成分即質(zhì)子和重離子占98%，電子和正電子占2%[1]。重子成分中質(zhì)子占87%，氦離子占12%，其它重離子占1%。重離子成分中的高能粒子尤其是高原子序數(shù)的高能粒子，有著非常高的LET（Line Energy Transfer）譜和很強的穿透性，具有很強的生物輻射損傷效應。

太陽粒子事件屬于偶發(fā)事件，一般會持續(xù)幾個小時到幾天。只有在太陽活動比較活躍，如日冕物質(zhì)拋射或太陽耀斑時，才會有大量高能粒子發(fā)出。這些高能粒子以質(zhì)子、電子和氦粒子為主，只有少量的重離子。太陽活動與銀河宇宙射線成反相關，即當太陽活動增強時銀河宇宙射線減弱[2]。銀河宇宙射線和太陽粒子事件與月壤作用均可能發(fā)生反照輻射，產(chǎn)生的次級粒子是月球表面中子最主要的來源，因此中子劑量受銀河宇宙射線和太陽質(zhì)子事件的影響較大。反照中子的能量一般在1～20 MeV 之間，產(chǎn)生的反照中子會繼續(xù)與土壤碰撞或衰變而損失能量，因此逸出月球表面的中子既可能有熱中子又會有快中子。不同輻射環(huán)境反照中子對有效劑量貢獻不同，當輻射環(huán)境主要是GCR 時，反照中子對有效劑量的貢獻約為20%。SEP占主導時中子對有效劑量的貢獻約為2%[3]。月球上有天然放射性核素：釷系、鈾系、鉀等，這些核素的衰變是月球上伽馬射線的主要來源。月球粒子輻射環(huán)境的探測有利于人類進一步了解月球并探尋在月球建立基地的可能性。

1958年，人類踏上了探測月球的旅程，期望能夠在月球上發(fā)現(xiàn)適合人類長期生存的條件。1969年，阿姆斯特朗登陸月球，這是人類第1次踏上月球，從此掀起了一股人類探索月球的熱潮。1994年，“克萊門汀號”（Clementine）發(fā)射，此后月球探測進入第2波熱潮。從1958年第1顆月球探測器發(fā)射到現(xiàn)在，人類已經(jīng)發(fā)射了超過200顆月球探測器。但是，從近年發(fā)射的月球探測器載荷的數(shù)據(jù)分析來看，現(xiàn)階段得到有效輻射探測數(shù)據(jù)的探測器較少。

第1次探月熱潮中“勘探者”（Surveyor）系列探測器、“阿波羅”（Apollo）系列探測器雖然獲取了月球輻射環(huán)境的數(shù)據(jù)，但是由于現(xiàn)階段的太陽活動周期的變化以及月球環(huán)境的變化，這些數(shù)據(jù)已不再適用于現(xiàn)階段的月球環(huán)境，需要對輻射數(shù)據(jù)進行更新。下面將對近年來國內(nèi)外月球粒子輻射探測結(jié)果進行介紹。

1 國外月球粒子輻射探測現(xiàn)狀

1.1 “克萊門汀號”（Clementine）

“克萊門汀號”在1994年2月19日進入月球軌道。其攜帶了“帶電粒子望遠鏡”（Charged-Particle Telescope，CPT），對月球附近的高能質(zhì)子以及電子的通量進行觀測。

1994年2月21日，發(fā)生了大型太陽高能粒子事件，此時“克萊門汀號”距離地心382 320 km?！皫щ娏Ｗ油h鏡”對此高度的質(zhì)子的觀測結(jié)果如圖1所示[5]。在0700-0920UT 之間每個能段通量呈上升趨勢，之后在0920-1000UT期間單位通量下降，但是在1000UT時通量數(shù)倍激增。此時航天器在磁尾，Baker認為這種通量激增現(xiàn)象可能是磁層邊界運動以及磁層邊界與月球相互作用造成的[5]。

圖1 “帶電粒子望遠鏡”在1994年2月21日0700UT-1100UT期間的觀測數(shù)據(jù)[5]Fig.1 Detail of CPT data for the period 0700-1100UT on Feb 21，1994[5]

1.2 “月球勘探者號”（Lunar Prospector）

1998年，美國發(fā)射的“月球勘探者號”分別在月球極地軌道100、50 和30 km 的高度飛行獲得了月球軌道上的中子和伽馬射線探測結(jié)果，并利用這些結(jié)果尋找水和計算月球表面的鐵元素豐度。

中子-伽馬譜儀在30 km 的近月軌道對0.6～8 MeV的快中子能譜進行了觀測。得到的快中子能譜信息如圖2所示[6]。從探測結(jié)果來看快中子的通量集中在較低能段，0.6～4.5 MeV的快中子計數(shù)占總計數(shù)的95%，并在1.5 MeV附近中子能譜達到峰值。

圖2 全月球低軌中子能譜的平均計數(shù)[6]Fig.2 Spectrum in counts，which is averaged for the whole Moon and the low-altitude data set[6]

由于中子和氫原子的相對質(zhì)量相近，中子和氫原子發(fā)生彈性碰撞后會快速損失能量而變成熱中子，因此如果月球某個區(qū)域氫含量較高，那么該區(qū)域中子的計數(shù)率將會發(fā)生異常，熱中子的計數(shù)率增加而超熱中子和快中子的計數(shù)率減小。根據(jù)“月球勘探者號”對中子計數(shù)率的分析可以發(fā)現(xiàn)，在南北兩極熱中子和超熱中子計數(shù)率異常，含氫量明顯增多，因此很有可能存在水冰。據(jù)估計南極水冰含量占1.50±8%，北極的水冰含量高于南極[7]。

“月球勘探者號”搭載的中子譜儀和伽馬譜儀，在軌道高度平均30 km處對月球表面大部分地區(qū)的鐵元素豐度進行測量，利用熱中子俘獲產(chǎn)生的7.6 MeV伽馬射線峰值推導出鐵的相對豐度，并根據(jù)計算結(jié)果對之前“克萊門汀號”的數(shù)據(jù)進行了校正。如圖3所示，月海玄武巖區(qū)域是月球表面Fe豐度最高的地區(qū)，在18 wt%處Fe 的豐度達到峰值與“克萊門汀號”的結(jié)果類似。而如圖4所示，艾特肯盆地Fe的豐度則比之前的估計小，平均Fe 的豐度為8～9 wt%，只有小部分區(qū)域Fe豐度可達到10 wt%，小于“克萊門汀號”估算的鐵豐度。因而Lawrence 認為并不符合Lucey所提出的此處由低鉀弗拉摩洛玄武巖（LKFM）和低鈦玄武巖按1∶1的比例混合而成的假設[4,8]。

圖3 在月海玄武巖地區(qū)“月球勘探者號”與“克萊門汀號”對鐵豐度測量結(jié)果對比[8]Fig.3 Histograms of FeO abundances for nearside mare basalt regions[8]

圖4 在艾特肯盆地“月球勘探者號”與“克萊門汀號”鐵豐度的對比[8]Fig.4 Histograms of FeO abundances for SPA Basin[8]

1.3 “月船1號”（Chandrayaan-1）

“月船1號”是印度2008年發(fā)射的一個探測器，上面搭載的輻射劑量監(jiān)測器（RADiation Monitor，RADOM）是一個小型的劑量譜儀，用來監(jiān)測運行軌道的輻射環(huán)境，對劑量率和通量情況長期觀測。輻射劑量監(jiān)測器從“月船1號”發(fā)射2 h 后開始工作，記錄了從地球軌道到月球軌道的輻射情況。

當“月船1號”距月表30 800～20 000 km時，輻射劑量監(jiān)測器對1～10 MeV電子以及17.5～200 MeV質(zhì)子觀測。測得的平均劑量率為12.76 μGyh-1，平均通量為3.14 cm-2s-1[9]。隨著探測器飛行高度變低，由于月球自身對輻射的屏蔽作用，劑量率和粒子通量都顯著減小。檢測結(jié)果如圖5所示，當運行軌道高度在92～118 km時，劑量率和通量都隨高度增加而增加，即在118 km附近取得最大值，在92 km附近取得最小值，此時粒子通量在1.8～3.0 cm-2s-1之間浮動[9]。

圖5 月球軌道高度在92 ～118 km之間時RADOM的通量監(jiān)測數(shù)據(jù)[9]Fig.5 Variations of the RADOM flux at lunar altitudes between 92 and 118 km[9]

在100 km的圓軌道（2008年11月22日—2009年5月18日）處RADOM 測量的平均劑量率為9.46 μGyh-1，之后隨著探測器變軌到200 km 高度（2009年5月20日—2009年8月28日），RADOM 的平均劑量率為 10.7 μGyh-1[9]。通過 2008年11月22日—2009年8月28日的長期觀測發(fā)現(xiàn)，RADOM探測到的劑量率和粒子通量呈增長趨勢（見圖6），這與地球上的奧盧中子監(jiān)測儀的結(jié)果相符[9]。DACHEV認為這段時間劑量率和粒子通量的增長可能和太陽活動減少導致的GCR的增加有關[9]。

圖6 2008年11月22日—2009年8月28日RADOM的劑量率、通量以及地球表面奧盧中子監(jiān)測器的測量結(jié)果[9]Fig.6 The results of long-term observations of RADOM and Oulu Neutron monitor from 22/11/2008 to 28/08/2009[9]

在2009年3月15日，劑量率和粒子通量都出現(xiàn)異常的激增，此時“月船1號”處在地球弓激波內(nèi)，通過分析發(fā)現(xiàn)這個異常這可能與2009年3月13日發(fā)生的磁暴有關[9-10]。

綜上所述可知，月球軌道劑量率和粒子通量的變化與軌道高度、銀河射線變化以及太陽活動有關。

1.4 “月球勘測軌道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter）

2009年，美國發(fā)射了“月球勘測軌道器”，其搭載的“輻射效應宇宙射線望遠鏡”（Cosmic Ray Tele‐scope for the Effects of Radiation，CRaTER），從2009年6月—2010年5月，對月球軌道電離總劑量以及劑量率進行了估計。

“輻射效應宇宙射線望遠鏡”在3.3 mm的鋁遮擋下運行，在前333 天，其探測到的電離總劑量只有12.2 Rads，比月球勘探軌道器任務預計的值低2 個量級（發(fā)射前預估值為4.6 kRads），這是由于當時正處于第24 個太陽活動周上升期，沒有強烈的太陽高能粒子事件發(fā)生，銀河宇宙射線占主導地位[12]。CRaTER還進行了劑量率的測量，得出月球軌道高度為50 km時劑量率為9.17～11.25 μGyh-1[11]。此外，通過對CRaTER的數(shù)據(jù)分析確定了月球上反照質(zhì)子的存在，反照質(zhì)子是初級銀河宇宙射線撞擊月球產(chǎn)生的，這是首次在月球上直接觀測到反照質(zhì)子。

“月球勘測軌道器”上搭載的“月球勘探中子探測器”（Lunar Exploration Neutron Detector，LEND）測量中子輻射并根據(jù)中子輻射數(shù)據(jù)進行了找水的工作。LEND對月球上大的永久性陰影區(qū)的超熱中子通量觀測，并和當?shù)氐闹凶颖尘拜椛渥霰容^，發(fā)現(xiàn)只有南極的舒梅克環(huán)形山、凱布斯隕石坑以及北極的羅茲德斯特溫斯基隕坑有大量的氫聚集[15]。這些數(shù)據(jù)表明兩極可能存在水冰，但是水冰的量并沒有之前“月球勘探者號”測得的那么多。

1.5 小 結(jié)

通過上面的調(diào)研可知，近年來國外對月球粒子輻射環(huán)境的探測主要是對月軌輻射劑量以及能譜的測量。此外，通過月軌粒子輻射環(huán)境的測量數(shù)據(jù)反演間接估算月球表面的礦物質(zhì)組成、水冰含量等信息。

近年來國外的航天器在不同高度的月球軌道獲取了有效的輻射數(shù)據(jù)，比如電離總劑量、劑量率和通量等。但是這些航天器所觀測的高度都是不低于50 km的月球軌道，沒有直接在月球表面觀測，從而缺少月表粒子實際測量數(shù)據(jù)。

“月球勘探者號”以及“月球勘測軌道器”均利用搭載的中子探測儀器的中子通量變化，對月球表面的水冰含量以及分布情況做了估測，結(jié)果差別較大。需要有更多探測數(shù)據(jù)進一步確定。

此外，“月球勘探者號”利用中子譜儀以及伽馬譜儀的測量數(shù)據(jù)計算了月球兩極演示中氧化鐵的含量，并與“克萊門汀號”光譜儀反映的月球表面含鐵量進行了對比分析。兩者在艾特肯盆地的含鐵量差別較大。

2 國內(nèi)月球粒子輻射探測現(xiàn)狀

我國對月球粒子輻射環(huán)境的探測較少，到目前為止，已發(fā)射的搭載粒子載荷的月球航天器有“嫦娥1號”“嫦娥2號”。此外，在2018年12月8日成功發(fā)射得“嫦娥4號”搭載的空間粒子探測器—月表中子與輻射劑量探測儀，對月球表面粒子輻射環(huán)境進行觀測。

2.1 “嫦娥1號”“嫦娥2號”

“嫦娥1號”在2007年10月24日發(fā)射，其搭載的高能粒子探測器觀測了月球軌道高度200km處的高能粒子。該儀器的觀測表明，在此高度附近4～400MeV高能質(zhì)子通量約為0.0031(cm2?sr?s?MeV)-1，13～105MeV的He通量約為7.45×10-4(cm2?sr?s?MeV)-1，117～590MeV的C通量約為1.11×10-5(cm2?sr?s?MeV)-1，0.1～2MeV電子通量約為41.0(cm2?sr?s?MeV)-1，＞2MeV電子通量約為6.8(cm2?sr?s?MeV)-1[13]。

“嫦娥2號”與“嫦娥1號”的高能粒子探測器有相似的技術指標以及探測原理，但是“嫦娥2號”的探測地點在月球軌道100km附近。根據(jù)兩臺儀器對高能電子的觀測數(shù)據(jù)，王馨悅等認為月球附近高能電子的急劇增加可造成月球向陽側(cè)表面電位大幅下降[14]。

2.2 “嫦娥4號”

“嫦娥4號”在位于月球背面的艾特肯盆地著陸。“嫦娥4號”上搭載的中德合作的月表中子與輻射劑量探測儀將測量月球表面的輻射劑量率、通量等數(shù)據(jù)，此外還增加了對于月球表面快中子能譜的測量。月球表面中子譜可為研究月球表面形成過程提供重要的信息。

月表中子與輻射劑量探測儀有4個科學目標：①載人登月輻射劑量的測量；②月球南極艾特肯盆地水含量的測量；③艾特肯盆地FeO含量的測量；④為日球?qū)涌茖W研究提供依據(jù)。其中，輻射劑量的測量為主要目標。下面將對各個科學目標的必要性進行簡單說明。

載人登月輻射劑量的測量：現(xiàn)階段月球表面粒子輻射環(huán)境的估計是基于輻射模型的計算，通過宇宙線能譜和太陽宇宙線事件作為模型輸入?yún)?shù)，還沒有一個真實的測量值。常用的銀河宇宙射線模型為CREME96、ISO-15390以及Nymmik。這3種模型對地球磁場外銀河宇宙射線中質(zhì)子能譜的預測如圖7所示，alpha粒子能譜預測如圖8所示。從圖7～8所示的3種模型的估算譜可以看出：有模型估計之間存在差別，無法為載人登月提供一個準確的風險評估月球表面輻射環(huán)境的真實測量值為將來的載人登月提供更加準確可靠的風險評估值。

圖7 CREME96、ISO-15390以及Nymmik 3種銀河宇宙線模型的質(zhì)子估算譜對比[17-19]Fig.7 Comparison of proton estimation spectra of three galactic cosmic ray models[17-19]

圖8 CREME96、ISO-15390以及Nymmik 3種銀河宇宙線模型的alpha估算譜對比[17-19]Fig.8 Comparison of alpha estimation spectra of three galactic cosmic ray models[17-19]

月球南極艾特肯盆地水含量的測量：水是人類生存所必需的，如果人類想長期在月球上生存，在月球上尋找水并確定水含量是一件非常重要的事情。艾特肯盆地位于月球的背面，很可能有水冰存在，因此可通過LND熱中子計數(shù)率的變化判斷艾特肯盆地中的水的存在及其含量。

艾特肯盆地FeO含量的測量：艾特肯盆地是月球上最大的盆地，這里形成盆地的沖擊很可能使得地殼甚至地幔裸露，因此通過對該盆地元素的測量可以獲取地幔物質(zhì)材料信息。

為日球?qū)涌茖W研究提供依據(jù)：因為月球沒有磁場，能夠直接探測到來自太陽的粒子信息。確定在月球背面粒子通量和它們隨時間的變化對于理解粒子在日球?qū)拥募铀俸蛡鬏敽苡杏?。當太陽粒子事件發(fā)生時，LND 作為一個重要的探測點，在估算太陽粒子事件發(fā)生時間的時候有更多的參考數(shù)據(jù)。雖然太陽粒子事件的能譜比宇宙線的軟，但依然是登月或月球軌道上航天員的危險因素。

為了實現(xiàn)這4個科學目標，LND的技術指標如下表1所示。

表1 LND技術指標Table 1 The technical indicators

3 總結(jié)與展望

本文對近年來國內(nèi)外已發(fā)射的月球探測裝置觀測到的月球附近輻射環(huán)境結(jié)果進行了介紹，并簡單介紹了我國發(fā)射的“嫦娥4號”搭載的LND載荷的科學目標以及實現(xiàn)這些目標所需要的技術指標。已發(fā)射航天器的輻射環(huán)境探測內(nèi)容如下所示。

1）“克萊門汀號”觀測了一次大的太陽高能粒子事件中月球軌道附近質(zhì)子通量的變化。

2）“月球勘探者號”對近月球軌道以及遠月球軌道的中子能譜進行了推測，并利用中子計數(shù)率變化進行了水冰含量測量；利用中子伽馬譜儀數(shù)據(jù)反演出月海玄武巖地區(qū)以及艾特肯盆地等地FeO 含量分布情況。

3）“月船1號”對100 km、200 km 等軌道高度劑量率和通量進行了探測。

4）“月球勘測軌道器”觀測了CRaTER運行的前333 天電離總劑量以及軌道高度50 km 處劑量率；LEND 在月球南北兩極的某些區(qū)域發(fā)現(xiàn)大量氫的存在。

5）“嫦娥1號”“嫦娥2號”探測器分別對軌道高度200 km和100 km 的高能質(zhì)子、電子以及氦和碳的通量進行了觀測。

上述幾個航天器全部運行在繞月軌道，而不是在月表進行測量，目前國際上沒有在月表的粒子輻射測量有效數(shù)據(jù)，所有月表粒子輻射數(shù)據(jù)均為模型仿真結(jié)果，不同仿真模型間的結(jié)果相差較大。

“嫦娥4號”在月球表面登陸，對月表粒子輻射進行直接測量，所得的測量數(shù)據(jù)可以對仿真模型校驗和修正。此外，不同航天器搭載的載荷對月球表面水冰含量的估計差別較大，“嫦娥4號”將繼續(xù)進行月球表面水含量的探索?！版隙?號”可以通過對艾特肯盆地FeO的測量，驗證“克萊門汀號”與“月球勘探者號”不同假設的正確性。

“嫦娥4號”LND 獲得月表粒子輻射劑量、中子輻射等數(shù)據(jù)，將為科學發(fā)現(xiàn)奠定基礎，也為我國將來的開發(fā)和利用月球提供重要的前期數(shù)據(jù)支持。此次任務中涉及到的中子探測的部分，是繼“實踐10號”空間中子劑量初步測量之后對空間中子能譜的再次探測。此后會在中國空間站以及其它任務中加入空間中子探測的載荷，為載人航天提供更精確可靠的參考數(shù)據(jù)。