王 赤，李 磊，張愛(ài)兵，張珅毅，侯東輝，徐子貢，謝良海，王慧姿，羅朋威，郭靜楠，史全岐，張小平

（1.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心 空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院 國(guó)家空間科學(xué)中心，北京 100190；3.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，合肥 230026；5.山東大學(xué) 空間科學(xué)與物理學(xué)院，威海 264209；6.澳門(mén)科技大學(xué)，澳門(mén) 999078）

引 言

月球沒(méi)有全球性的偶極磁場(chǎng)和大氣層，太陽(yáng)風(fēng)、太陽(yáng)高能粒子、銀河宇宙線幾乎可以無(wú)阻礙地到達(dá)月面，與月表物質(zhì)相互作用，形成特殊的月表環(huán)境。

早年，人們認(rèn)為月壤能夠吸收到達(dá)月面的所有太陽(yáng)風(fēng)粒子，月球?qū)ι嫌蔚奶?yáng)風(fēng)沒(méi)有擾動(dòng)，但下游會(huì)形成太陽(yáng)風(fēng)的空腔。然而，近年的觀測(cè)表明，太陽(yáng)風(fēng)并沒(méi)有被完全吸收，太陽(yáng)風(fēng)通量的0.1%～1%以質(zhì)子的形式[1-2]，更多的（約20%）則以氫原子的形式被月面散射[4-8]。此外，太陽(yáng)風(fēng)轟擊月面還可從月壤中濺射出重原子[9]。散射的太陽(yáng)風(fēng)氫原子和濺射的月壤重原子通常都具有較高的速度，統(tǒng)稱(chēng)為能量中性原子（Energetic Neutral Atom，ENA）。

太陽(yáng)風(fēng)與月球相互作用形成ENA的過(guò)程，不僅與太陽(yáng)風(fēng)來(lái)流的狀態(tài)、月表電磁環(huán)境有關(guān)，還涉及局部地形、月壤的物理化學(xué)特性等因素?！霸麓?號(hào)”（Chandrayaan-1）觀測(cè)結(jié)果顯示，ENA并不是理論預(yù)期的前向散射，而是以后向散射為主，這可能與月表的微觀結(jié)構(gòu)有關(guān)[3]。另外，ENA的能量近似呈Maxwell-Boltzmann分布，其溫度正比于入射太陽(yáng)風(fēng)的速度，但散射率卻與太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)無(wú)相關(guān)性[5]。進(jìn)一步分析IBEX的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)入射太陽(yáng)風(fēng)的能量較高時(shí)（>250 eV），ENA的散射率才呈現(xiàn)與太陽(yáng)風(fēng)能量的反相關(guān)性，即ENA散射率隨太陽(yáng)風(fēng)能量增大而減小[8]。上述結(jié)果都是根據(jù)環(huán)月軌道上的觀測(cè)得到的。由于觀測(cè)位置距離ENA在月表的散射源大于數(shù)十km，從數(shù)據(jù)中得到的是ENA在宏觀尺度上的平均特征，而太陽(yáng)風(fēng)在月面散射的微觀過(guò)程還有待進(jìn)一步觀測(cè)研究。

另外，月面散射的ENA的空間分布與月球磁場(chǎng)有關(guān)[10-11]。月球雖然沒(méi)有全球性的內(nèi)稟磁場(chǎng)，但月殼常有磁性（稱(chēng)為磁異常）。磁異常主要分布于月球背面，強(qiáng)度為幾十到幾百nT，水平方向的尺度約為100 km。在磁異常區(qū)，Chandrayaan-1發(fā)現(xiàn)，能量較高的ENA（150～600 eV）的通量明顯下降，推測(cè)太陽(yáng)風(fēng)被磁異常偏轉(zhuǎn)，局地形成了微磁層[11]。關(guān)于月球微磁層，早期的觀測(cè)證據(jù)來(lái)自LP衛(wèi)星的原位測(cè)量。Lin等[12]報(bào)道，在磁異常區(qū)上空，發(fā)現(xiàn)了與弓激波相關(guān)的磁場(chǎng)壓縮及低頻擾動(dòng)現(xiàn)象。然而對(duì)于通常磁層應(yīng)有的等離子體空腔，至今只有LP衛(wèi)星的1次觀測(cè)。Chandrayaan-1間接證明了微磁層存在等離子空腔，然而，目前仍然缺乏對(duì)微磁層內(nèi)部的直接觀測(cè)。在“嫦娥四號(hào)”之前，還從未有過(guò)在月面觀測(cè)微磁層的報(bào)道。

月表的粒子輻射環(huán)境由宇宙線、宇宙線的反照輻射以及月球放射性核素的輻射構(gòu)成[13]。一方面，月表接近真空且缺乏全球性磁場(chǎng)的保護(hù)，時(shí)刻遭受著宇宙線的轟擊。銀河宇宙射線由能量極高、通量極低的帶電粒子組成，其中質(zhì)子和重離子占98%，電子和正電子占2%。高能的重離子，尤其是高原子序數(shù)的重離子，有著非常高的線性能量傳輸譜（Line Energy Transfer，LET）和很強(qiáng)的穿透性，會(huì)引起很強(qiáng)的生物輻射損傷效應(yīng)。太陽(yáng)高能粒子為偶發(fā)事件，只有在太陽(yáng)活動(dòng)比較活躍，如日冕物質(zhì)拋射或太陽(yáng)耀斑時(shí)，才會(huì)發(fā)出大量高能粒子，包括質(zhì)子、電子和氦離子，以及少量的重離子，一般會(huì)持續(xù)幾個(gè)小時(shí)到幾天。銀河宇宙射線一般與太陽(yáng)活動(dòng)反相關(guān)，即當(dāng)太陽(yáng)活動(dòng)增強(qiáng)時(shí)銀河宇宙線減弱。另外一方面，銀河宇宙射線和太陽(yáng)高能粒子撞擊月壤，產(chǎn)生二次輻射，主要為中子（包括能量1～20 MeV的快中子）和伽馬射線，其中一部分與月壤不發(fā)生作用或被月壤減速后逃離月表，形成反照輻射。反照輻射取決于銀河宇宙射線和太陽(yáng)高能粒子的強(qiáng)度以及月壤條件，隨時(shí)間、地點(diǎn)均有變化。此外，月球上天然放射性元素衰變是伽馬射線的主要來(lái)源。

月面粒子輻射會(huì)嚴(yán)重威脅宇航員和精密儀器的安全。因此，保障人類(lèi)登月活動(dòng)的安全，離不開(kāi)對(duì)月表輻射環(huán)境的全面準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)。然而，對(duì)月球及周邊的輻射測(cè)量的研究并不多：近年國(guó)內(nèi)外主要有“嫦娥一/二號(hào)”、Chanderaan-1和月球勘查軌道器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）在環(huán)月軌道上監(jiān)測(cè)月球空間粒子輻射環(huán)境[22-24]，軌道高度一般不低于50 km。在“嫦娥四號(hào)”之前，人類(lèi)還沒(méi)有在月表開(kāi)展過(guò)輻射測(cè)量，對(duì)月面輻射環(huán)境的認(rèn)知完全依靠模型。以模型預(yù)測(cè)的銀河宇宙線和太陽(yáng)高能粒子參數(shù)作為輸入，輻射傳輸模型計(jì)算得到的月表總吸收劑量或總劑量當(dāng)量的不確定性較大[22]。

2019年1月2日，“嫦娥四號(hào)”成功著陸于月球背面的南極-艾特肯盆地（South Pole-Aitken basin）內(nèi)的馮?卡門(mén)撞擊坑（Von Kármán crater），在人類(lèi)歷史上首次開(kāi)展月球背面的著陸和巡視探測(cè)。著陸器和巡視器分別搭載了月表中子與輻射劑量探測(cè)儀（Lunar Neutrons and Dosimetry，LND）和中性原子探測(cè)儀（Advanced Small Analyzer for Neutrals,ASAN），為研究月表空間環(huán)境，太陽(yáng)風(fēng)和宇宙線與月球及月壤的相互作用提供了難得的機(jī)遇。

1 月表太陽(yáng)風(fēng)ENA觀測(cè)

1.1 中性原子探測(cè)儀（ASAN）

ASAN搭載在“嫦娥四號(hào)”巡視器上，對(duì)月表的ENA和正離子的能量、通量和成分進(jìn)行測(cè)量[14]。ASAN傳感器工作原理如圖1所示。在中性原子模式下，ENA經(jīng)過(guò)離子偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)后進(jìn)入儀器內(nèi)部，被電荷轉(zhuǎn)換面電離為正離子，正離子通過(guò)靜電分析器完成能量分析，之后由飛行時(shí)間單元（離子打在起始面上產(chǎn)生二次電子，并被電子倍增器放大產(chǎn)生的起始信號(hào)；離子與起始面作用后生成的中性原子打在終止面上，產(chǎn)生二次電子并被電子倍增器放大產(chǎn)生的終止信號(hào)）確定其速度，通過(guò)能量和速度可以得到中性原子的質(zhì)量（成分）信息。ASAN有兩種工作模式：中性原子探測(cè)模式和離子探測(cè)模式，可分時(shí)探測(cè)中性原子和正離子，中性原子為主要探測(cè)模式。在離子探測(cè)模式下，離子偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)關(guān)閉，可實(shí)現(xiàn)正離子探測(cè)[14]。

圖1 中性原子探測(cè)儀傳感器工作原理[14]Fig.1 Advanced Small Analyzer for Neutrals sensor optics[14]

中性原子探測(cè)儀安裝在“玉兔二號(hào)”巡視器的+X艙板上[15]，傳感器的入口系統(tǒng)通過(guò)+X艙板的開(kāi)孔伸出艙外，視軸斜向下指向月表，與水平方向夾角為30°，視場(chǎng)呈梯形，面積約為1.57 m2，如圖2，圖2（a）為ASAN安裝在巡視器的+X艙板上示意圖，+X方向?yàn)檠惨暺髑斑M(jìn)方向，ASAN垂直方向視場(chǎng)為37°，視軸（點(diǎn)虛線）與水平面夾角為30°，指向月面；圖2（b）為ASAN在月面上的的視場(chǎng)范圍，隨著巡視器在月面的行走，ASAN可以在不同的太陽(yáng)風(fēng)入射角度下探測(cè)來(lái)自月面的ENA，獲取米級(jí)尺度的ENA分布，用于研究太陽(yáng)風(fēng)與月壤相互作用的小尺度特征。

中性原子探測(cè)儀隨“玉兔二號(hào)”在月面上開(kāi)展巡視探測(cè)，月晝開(kāi)機(jī)，每次科學(xué)探測(cè)的持續(xù)時(shí)間約為3 h。由于ENA計(jì)數(shù)率較低，為了改善數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的質(zhì)量，將單次科學(xué)探測(cè)的原始計(jì)數(shù)進(jìn)行積分，扣除由巡視器放射性同位素?zé)嵩矗≧adioisotope Heater Unit，RHU）產(chǎn)生的背景噪聲（參見(jiàn)2.2節(jié)），并將粒子計(jì)數(shù)轉(zhuǎn)換為微分通量，評(píng)估數(shù)據(jù)不確定性及其可能的原因[15]。

1.2 月表ENA的觀測(cè)結(jié)果

ASAN在月面獲取的ENA典型能譜[15]如圖3所示，圖中還給出了Chandrayaan-1和IBEX從空間對(duì)月球ENA遙感觀測(cè)的結(jié)果[5-6]，ENA的能量和通量分別用太陽(yáng)風(fēng)的能量和通量做了歸一化。比對(duì)圖中不同的能譜發(fā)現(xiàn)，能量高于太陽(yáng)風(fēng)離子能量（Esw）的10%時(shí)，氫ENA能譜與Chandrayaan-1和IBEX的觀測(cè)數(shù)據(jù)一致性較好；而在＜0.1 Esw時(shí)，ASAN測(cè)得的氫ENA通量要高于Chandrayaan-1和IBEX的結(jié)果。從能譜結(jié)構(gòu)推測(cè)，ENA來(lái)自?xún)蓚€(gè)不同的生成過(guò)程：能量高于0.1 Esw的ENA主要是太陽(yáng)風(fēng)被月壤散射生成的氫ENA，而能量低于0.1 Esw的ENA則主要是被太陽(yáng)風(fēng)濺射的月壤物質(zhì)ENA。月壤ENA通量隨能量下降而迅速上升的原因，可能是ENA濺射產(chǎn)率的變化以及月壤中氫含量的變化。相對(duì)于Chandrayaan-1和IBEX在軌道上對(duì)ENA的大尺度探測(cè)，ASAN的探測(cè)視場(chǎng)僅覆蓋了月1.57 m2的面積，局地月壤特性（如疏松程度、顆粒大小以及成分等）也可能對(duì)能譜有影響，尤其是當(dāng)ENA能量較低時(shí)。此外ENA能譜還會(huì)隨著太陽(yáng)天頂角（Solar Zenith Angle，SZA）和觀測(cè)極角變化[3]，因此，特定的觀測(cè)角度也可能會(huì)導(dǎo)致不同的能譜結(jié)構(gòu)。

圖3 ENA能譜，相對(duì)于太陽(yáng)風(fēng)能量（Esw）和通量作了歸一化[15]Fig.3 ENA energy spectrums,normalized by the solar wind energy (Esw) and flux[15]

Wang等[16]分析了2019/1/11—2020/10/12期間23個(gè)月晝的ENA能譜，結(jié)合同期太陽(yáng)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)的ENA微分通量與太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)如通量、密度及動(dòng)壓呈正相關(guān)關(guān)系。ENA能量在100～600 eV時(shí)，相關(guān)系數(shù)較高，大約在140～333 eV相關(guān)性最好；能量較低的ENA(＜100eV)，相關(guān)性不明顯。ASAN觀測(cè)的ENA存在兩種來(lái)源，能量小于100 eV的ENA可能來(lái)自月壤和儀器內(nèi)表面材料濺射物的ENA，而大于100 eV的ENA才是被月面散射的氫ENA。這一結(jié)論與文獻(xiàn)[15]的分析一致。

1.3 ENA觀測(cè)發(fā)現(xiàn)月球微磁層的證據(jù)

Xie等[17]分析了UT 2019/1/11—2020/04/28期間46個(gè)ENA能譜數(shù)據(jù)，考察了ASAN觀測(cè)結(jié)果與月球地方時(shí)的關(guān)系（月球地方時(shí)定義如下：日下點(diǎn)為12點(diǎn)，日下點(diǎn)的對(duì)跖點(diǎn)為24點(diǎn)）這其中，有26個(gè)能譜的觀測(cè)地方時(shí)為07:00—09:30；其它地方時(shí)為14:30—17:00。鑒于能量低于100 eV的ENA可能被月壤濺射物污染[15-16]，只考慮100 eV以上的ENA。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是上午還是下午時(shí)段，ENA的微分通量JENA與JSW,N（月球上游未擾太陽(yáng)風(fēng)在月表的法向通量）均有較好的線性關(guān)系，如圖4所示。然而，關(guān)鍵問(wèn)題是，為什么下午時(shí)段的JENA整體上小于上午時(shí)段的JENA？

圖4 月球地方時(shí)上午（紅）和下午（藍(lán)）時(shí)段，能量高于100 eV的ENA通量隨未擾動(dòng)太陽(yáng)風(fēng)月表法向通量的變化[17] 及ASAN觀測(cè)結(jié)果Fig.4 ENA flux variation with the undisturbed solar wind normal incidence flux[17],measured by ASAN in mornings (red) and afternoons (blue),lunar local time

“嫦娥四號(hào)”著陸點(diǎn)位于艾特肯盆地的中部（177.6°E，45.4°S），西北方向是月球最強(qiáng)的磁異常區(qū)——雨海對(duì)跖區(qū)（Imbrium antipode）。該磁異常區(qū)半徑達(dá)600 km，中心位于（162°E，33°S）[18]，“嫦娥四號(hào)”剛好位于該磁異常區(qū)的東南邊緣。由圖5可知，下午時(shí)段，太陽(yáng)風(fēng)從西邊吹過(guò)來(lái)時(shí)，“嫦娥四號(hào)”位于磁異常的下游，這時(shí)如果上游磁異常區(qū)形成微磁層，“嫦娥四號(hào)”可能被包裹在微磁層的磁尾里。而上午時(shí)段，“嫦娥四號(hào)”位于雨海對(duì)跖區(qū)磁異常區(qū)的上游。這意味著上午/下午不同時(shí)段觀測(cè)結(jié)果的差異很可能和太陽(yáng)風(fēng)與磁異常的相互作用有關(guān)。如果形成了微磁層，當(dāng)“嫦娥四號(hào)”位于磁異常的下游時(shí)，就可能被包裹在微磁層的磁尾里。由于微磁層對(duì)太陽(yáng)風(fēng)的屏蔽作用，到達(dá)月面的太陽(yáng)風(fēng)通量就會(huì)降低，相應(yīng)月面散射的EAN通量也會(huì)降低。

圖5 “嫦娥四號(hào)”著陸點(diǎn)周?chē)拇艌?chǎng)大小分布[17]Fig.5 Magnetic field strength around the landing site of Chang’E-4[17]

為了進(jìn)一步確定上下午觀測(cè)差異的原因，Xie等[19]針對(duì)“嫦娥四號(hào)”的觀測(cè)場(chǎng)景，利用全球Hall-MHD模型，模擬計(jì)算了太陽(yáng)風(fēng)與月球的相互作用。模擬結(jié)果證實(shí)了上文的推測(cè)：雨海對(duì)跖區(qū)磁異常區(qū)形成了微磁層，下午時(shí)段，“嫦娥四號(hào)”位于磁異常區(qū)的下游，微磁層的磁尾延伸到了“嫦娥四號(hào)”的位置，太陽(yáng)風(fēng)被微磁層遮擋，造成ENA通量的下降〔圖6，表明雨海對(duì)跖點(diǎn)磁異常區(qū)形成了微磁層，下午時(shí)段，“嫦娥四號(hào)”位于磁異常區(qū)的下游時(shí)，被微磁層包裹，圖中展示了歸一化的太陽(yáng)風(fēng)密度（N/Nsw），以及月表的磁場(chǎng)強(qiáng)度（B）[17]〕。

圖6 太陽(yáng)風(fēng)與月球相互作用Hall-MHD模擬結(jié)果Fig.6 Solar wind interacts with the Moon,simulated by the Hall-MHD model[17].

1.4 微磁層的特性

圖7 ASAN觀測(cè)結(jié)果[16]Fig.7 Results based on ASAN observations[16]

此外，比較圖7（c）中3類(lèi)事件的能譜，微磁層內(nèi)的ENA通量（藍(lán)色）整體低于上游ENA通量（紅色，上午時(shí)段觀測(cè)數(shù)據(jù)），并且這種差異在高能段更明顯。這表明離子在穿過(guò)微磁層到達(dá)月表時(shí)已經(jīng)減速，從而高能段通量向低能段轉(zhuǎn)移。下午觀測(cè)中不在微磁層內(nèi)的數(shù)據(jù)（綠色），與上游觀測(cè)結(jié)果在高能段相差不大，但是低能段（低于0.2 ESW）的ENA通量比上游結(jié)果還高。這部分額外的低能粒子可能是在上游或周邊被磁異常偏轉(zhuǎn)或減速的太陽(yáng)風(fēng)粒子，有待進(jìn)一步研究。

按理論預(yù)測(cè)，磁異常區(qū)上空形成微磁層時(shí)，離子因其慣性長(zhǎng)度大，會(huì)穿透微磁層，而電子被屏蔽在微磁層外，因而產(chǎn)生電荷分量，形成靜電場(chǎng)，使得穿入磁層的離子減速[20]。因此，下午事件的截止能量低于上午事件〔見(jiàn)圖8，這里ENA的截止能量為ASAN能分辨的最高ENA能量，對(duì)應(yīng)圖3中虛線以上能量的最大值，圖8中虛線表示95%置信區(qū)間，矩形顯示了兩個(gè)分別在上、下午觀測(cè)的太陽(yáng)風(fēng)能量（約680 eV）相似的事件〕。Wang等[16]根據(jù)ASAN上、下午觀測(cè)事件中ENA截止能量之差，估算太陽(yáng)風(fēng)的減速率為12%～18%，對(duì)應(yīng)的靜電勢(shì)范圍在50～260 V。

圖8 上午時(shí)段(紅)和下午時(shí)段(藍(lán))太陽(yáng)風(fēng)能量與ENA截止能量的關(guān)系[16]Fig.8 ENA cut-off energy as a function of the solar wind energy in mornings (red) and afternoons(blue)[16]

2 月表粒子輻射環(huán)境

2.1 月表中子與輻射劑量探測(cè)儀（LND）

月表中子與輻射劑量探測(cè)儀[21]用于測(cè)量月球表面帶電粒子的輻射劑量率、通量，以及月球表面快中子的能譜，包括0.5～數(shù)MeV的電子、8～35 MeV的質(zhì)子、17～75 MeV/nuc的重核，獲取月球表面的劑量率隨時(shí)間的變化，以及線性能量轉(zhuǎn)移LET譜。

LND采用10 片硅固體探測(cè)器（A～J）構(gòu)成一個(gè)粒子望遠(yuǎn)鏡，傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖9（a）所示。每片硅固體探測(cè)器有兩個(gè)靈敏區(qū)如圖9（b），斜線部分為外探測(cè)器，網(wǎng)格部分為內(nèi)探測(cè)器，可以輸出兩個(gè)獨(dú)立的信號(hào)，分別用1、2標(biāo)識(shí)，如探測(cè)器A1、A2。探測(cè)器A的正上方覆有一個(gè)擋光層；探測(cè)器 B、C、D 用于測(cè)量中性粒子（快中子和伽馬射線）；探測(cè)器 E、F 之間以及探測(cè)器 G、H 之間夾有很薄的釓片（紅色部分），分別測(cè)量來(lái)自 LND 上方和下方的熱中子；探測(cè)器 F、G 之間有一個(gè)厚釓片，用于吸收來(lái)自 LND 下方的熱中子，防止其干擾E-F三明治結(jié)構(gòu)探測(cè)器的測(cè)量?？偽談┝亢蛣┝柯释ㄟ^(guò)探測(cè)器B測(cè)量，中性粒子的吸收劑量和劑量率通過(guò)探測(cè)器C1測(cè)量，緊密靠近的探測(cè)器B、D以及探測(cè)器C2作為反符合用于區(qū)別帶電粒子。如上文所述，LET譜由dE/dx確定。這里的dE/dx可通過(guò)有不同計(jì)數(shù)率和平均路徑長(zhǎng)度的3種探測(cè)器邏輯組合方式測(cè)量得到。穿透粒子的測(cè)量需要10片探測(cè)器中均有信號(hào)產(chǎn)生。

圖9 月表中子與輻射劑量探測(cè)儀[21]Fig.9 Lunar Neutron and radiation detector[21]

2.2 著陸器放射源的干擾校正

LND安裝在“嫦娥四號(hào)”著陸器上。然而，著陸器上還有4個(gè)為儀器提供熱量和動(dòng)力的放射源，包括一個(gè)放射性同位素?zé)犭姲l(fā)生器（Radioisotope Thermoelectric Generator，RTG）和3個(gè)放射性同位素加熱器裝置（RHU），在工作過(guò)程中會(huì)持續(xù)不斷地釋放中子/伽馬射線。來(lái)自RTG/RHUs的輻射若穿透著陸器的屏蔽結(jié)構(gòu)，入射到 LND 中，就成為L(zhǎng)ND數(shù)據(jù)的本底干擾。由于RTG/RHUs的輻射相對(duì)穩(wěn)定，如在“嫦娥四號(hào)”發(fā)射前，通過(guò)地面實(shí)驗(yàn)測(cè)量RTG/RHUs對(duì)LND的本底干擾，并假定“嫦娥四號(hào)”落月后來(lái)自RTG/RHUs的輻射不變，那么后期數(shù)據(jù)處理時(shí)將地面測(cè)試的本底值減去，即可獲得月表環(huán)境的數(shù)據(jù)。

然而，由于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試環(huán)境和月面條件差異較大，比如地面宇宙線輻射的影響、實(shí)驗(yàn)室墻壁的作用等等，地面實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無(wú)法直接用于校正LND在月面的觀測(cè)結(jié)果。HOU等[25]提出了一種實(shí)驗(yàn)和仿真相結(jié)合的方法：通過(guò)有放射源與無(wú)放射源時(shí)地面輻射實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，確定了地面宇宙射線對(duì)實(shí)驗(yàn)的干擾；搭建地面實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，經(jīng)GEANT4 仿真得到RTG/RHUs在LND探測(cè)器B 中產(chǎn)生的總劑量率本底為5.20±0.56 μGy/h，而中性粒子（中子和伽馬射線）的劑量率本底為 1.69±0.46 μGy/h[13]。在此基礎(chǔ)上，可對(duì)LND月面觀測(cè)的總劑量率進(jìn)行校正。

2.3 月表輻射環(huán)境觀測(cè)

圖10展示了“嫦娥四號(hào)”落月后最初兩個(gè)月晝內(nèi)（2019年1～2月）LND的觀測(cè)數(shù)據(jù)[26]，圖中從上到下依次為總劑量率（a）、中性粒子劑量率（b）、帶電粒子劑量率（c）以及穿透性粒子通量（d）隨時(shí)間變化的結(jié)果。（a）和（c）的劑量率以及（d）的穿透粒子通量與B的中性粒子劑量率相比，顯示出更大的波動(dòng)。中性粒子劑量率測(cè)量時(shí)，記錄的主要是中子與探測(cè)器C1中Si發(fā)生核反沖作用時(shí)轉(zhuǎn)移到Si中的反沖能量，及低能伽馬射線（Eγ＜1 MeV）在探測(cè)器C1中的能量沉積。因沒(méi)有方向信息，此測(cè)量的幾何因子比穿透粒子測(cè)量的大得多。因此，在（a）、（b）和（d）中看到的波動(dòng)是對(duì)總劑量率有貢獻(xiàn)的氦核，甚至是重離子的數(shù)量波動(dòng)引起的。另外，LND測(cè)量的LET譜具有顯著的不變性。圖11展示的是第一次月晝不同時(shí)間段的LET譜[26]。由于LET譜只測(cè)量了帶電粒子，因此其不變性和圖10（c）～（d）的現(xiàn)象一致，即在LND工作期間帶電粒子劑量率以及通量幾乎沒(méi)有變化。這說(shuō)明前兩個(gè)月晝中總劑量率的明顯變化是中性粒子劑量率變化引起的。

圖10 “嫦娥四號(hào)”著陸后前兩個(gè)月晝LND測(cè)量的月球輻射環(huán)境隨時(shí)間的變化[26]Fig.10 Temporal variation of the lunar radiation environment within the first two lunar days after Landing of Chang’E-4[26]

根據(jù)圖10及圖11的測(cè)量數(shù)據(jù)（圖11中，黑色圓圈是在著陸器巡視器分離前的結(jié)果；紅色方框是巡視器離開(kāi)著陸器，但是艙門(mén)仍然關(guān)閉時(shí)的結(jié)果；紫色正三角為艙門(mén)打開(kāi)后的測(cè)量結(jié)果；藍(lán)色倒三角表示熱循環(huán)系統(tǒng)工作后的結(jié)果），可得到在硅中的平均總劑量率為13.2±0.7 μGy/h，平均中性粒子劑量率為3.1±0.5 μGy/h。根據(jù)2.2節(jié)給出的RTG/RHUs引起的LND本底，表1給出了校正后的測(cè)量結(jié)果以及相對(duì)誤差，來(lái)自RTG/RHUs的本底誤差被認(rèn)為是系統(tǒng)誤差，并在“最終結(jié)果”列中按二次方相加扣除。中性粒子對(duì)總劑量率的貢獻(xiàn)為23%±8%。減去中性粒子的貢獻(xiàn)后，帶電粒子引起的硅中劑量率為10.2±0.9 μGy/h。將硅中的LET譜轉(zhuǎn)換為水中LET譜，計(jì)算得到平均品質(zhì)因子為＜Q>=4.3±0.7。將上述帶電粒子吸收劑量率（水中）與＜Q>相乘得到來(lái)自GCR帶電粒子的計(jì)量當(dāng)量率為57.1±10.61 μSv/h[26]。

圖11 線性能量轉(zhuǎn)移譜（LET，已轉(zhuǎn)化到水中LET）[26]Fig.11 LET spectrum (converted to LET in water)[26]

表1 月球表面劑量率（μGy/h）測(cè)量結(jié)果匯總[16]Table 1 Results of dose rates(μGy/h) measured on the lunar surface[16]

比較太陽(yáng)平靜期（UT 2019.01—2020.02）LND和近地航天器（ACE、SOHO和STEREO-A）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，在約10～100 MeV/nuc能量范圍內(nèi)，LND的宇宙線能譜與近地航天器得到能譜是一致的[27]。具體說(shuō)，LND與近地航天器對(duì)H和CNO的觀測(cè)結(jié)果在誤差范圍內(nèi)是一致的，通量比的平均值分別為（1.05±0.15）和（1.08±0.16）；對(duì)于He和重離子，近地航天器與LND的觀測(cè)結(jié)果在1.7σ內(nèi)相當(dāng)，通量比的平均值分別為（1.30±0.18）和（1.24±0.21）。因此，可得出結(jié)論：對(duì)于低能宇宙線的能譜，月表環(huán)境對(duì)它們的影響是可以忽略的?？紤]到更高能的宇宙線更不易受到月表環(huán)境的影響，因此可以將該結(jié)論進(jìn)一步推廣為：月表環(huán)境對(duì)這些宇宙線能譜的影響是可以忽略的[17]。

此外，Luo等[27]還提取了3He/4He的通量比，發(fā)現(xiàn)在約12 MeV/nuc時(shí)有顯著增強(qiáng)。LND的觀測(cè)還證實(shí)了宇宙線通量的晨昏對(duì)稱(chēng)性。這些結(jié)果中，LND測(cè)量的宇宙線能譜，特別是質(zhì)子能譜，它與廣泛使用的CRèME模型給出的預(yù)測(cè)值之間存在顯著差異：對(duì)于CRèME96和CRèME2009模型[28-29]，LND與它們之間的通量比值的平均值分別達(dá)到（1.69±0.17）和（2.25±0.23）（如圖12）。這能為CRèME模型的改進(jìn)提供很強(qiáng)的約束，這些宇宙線能譜也能為其它相關(guān)的理論模型提供檢驗(yàn)和約束。當(dāng)然，這些宇宙線能譜最直接的作用是能夠直接為月背的宇宙線及與其相關(guān)的研究提供輸入數(shù)據(jù)，進(jìn)而促進(jìn)對(duì)月表的質(zhì)子、中子和伽馬發(fā)射能譜的了解。此外，LND測(cè)得的3He/4He通量比值與GALPROP模型給的預(yù)測(cè)值之間存在很顯著的差異，這也為GALPROP模型以及其它相關(guān)的理論模型提供很強(qiáng)的約束。LND對(duì)月表宇宙線通量的晨昏對(duì)稱(chēng)性的證實(shí)將為未來(lái)的載人登月任務(wù)著陸時(shí)間和宇航員月表出艙活動(dòng)時(shí)間的選擇提供重要指引。

圖12 LDN對(duì)宇宙線各組成分的通量測(cè)量與近地航天器觀測(cè)結(jié)果的比值平均值（紫色）[27]；LDN對(duì)宇宙線各組成分的通量測(cè)量與CRèME模型預(yù)測(cè)值的比值平均值[28-29]（綠色對(duì)應(yīng)CRèME96，橙色對(duì)應(yīng)CRèME2009）；紅色虛線表示比值為1.0Fig.12 Averaged ratio of GCR compositions from LND,to those from the near Earth spacecrafts (magenta)[27],and model predictions[28-29] (Green CRèME96,orange CRèME2009).Red dashed line marks the ratio of 1.0

根據(jù)LND兩年內(nèi)（UT 2 019.01—2 020.12）的觀測(cè)數(shù)據(jù)，月表粒子輻射在硅中的平均總吸收劑量率為12.66±0.45 μGy/h，其中，中性粒子吸收劑量率為2.67±0.16 μGy/h。輻射劑量率在兩年內(nèi)隨時(shí)間出現(xiàn)緩慢的下降，LET譜的變化則很小。另外，2020年12月的太陽(yáng)活動(dòng)末期，由于銀河宇宙線福布斯下降，輻射劑量率降低了10%左右（如圖13）[30]。

圖13 太陽(yáng)質(zhì)子爆發(fā)期間輻射劑量的變化情況[30]Fig.13 Radiation changes in the solar energetic particle events[30]

2.4 對(duì)太陽(yáng)高能粒子事件的觀測(cè)

LND不僅能測(cè)量輻射劑量，還能探測(cè)太陽(yáng)高能粒子，監(jiān)控太陽(yáng)爆發(fā)活動(dòng)及其對(duì)日地空間環(huán)境的影響。太陽(yáng)爆發(fā)（如耀斑、太陽(yáng)日冕物質(zhì)拋射）產(chǎn)生的太陽(yáng)高能粒子可直接到達(dá)月球表面。2019年5月6日，LND在月球背面探測(cè)到了第一個(gè)太陽(yáng)高能粒子（Solar Energetic Particle，SEP）事件[31]。這個(gè)事件峰值流量非常小，持續(xù)時(shí)間也很短，是典型的脈沖型太陽(yáng)高能粒子事件（impulsive SEPs）。根據(jù)不同能量段的粒子流量曲線，Xu等[31]計(jì)算了電子和質(zhì)子開(kāi)始到達(dá)月球的時(shí)間，開(kāi)始時(shí)間和對(duì)應(yīng)的速度（1/β=c/v）見(jiàn)圖14?？梢园l(fā)現(xiàn)，無(wú)論是電子還是質(zhì)子速度都呈現(xiàn)出彌散分布，也即速度快的粒子先到達(dá)，速度慢的粒子后到達(dá)。對(duì)圖14數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，可推出粒子從加速區(qū)釋放時(shí)間以及粒子到達(dá)月球前在行星際空間的傳輸距離。結(jié)果顯示電子釋放比質(zhì)子要早1 h。Xu等[31]還進(jìn)一步分析了該SEP事件的質(zhì)子能譜，結(jié)合SOHO衛(wèi)星和LND數(shù)據(jù)，擬合了能量從幾百keV～20 MeV的質(zhì)子能譜；并用常用的破折冪律譜對(duì)其進(jìn)行了擬合，發(fā)現(xiàn)能量拐點(diǎn)約為2.5 MeV。

圖14 粒子事件開(kāi)始的時(shí)間和粒子能量的關(guān)系[31]Fig.14 The start time of the SEP event is related with the particle energy[31]

這次SEP事件起源于一個(gè)M1.0級(jí)耀斑。結(jié)合模型，Xu等[31]發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)源區(qū)距離地球的磁力線足點(diǎn)非常遠(yuǎn)，超過(guò)110°。一般認(rèn)為脈沖型SEP會(huì)處在磁場(chǎng)連接性比較好的位置，因?yàn)榧铀俚牧Ｗ涌珊芸煊行У貍鞑ブ劣^測(cè)點(diǎn)，形成一個(gè)脈沖型的時(shí)間曲線。但是這個(gè)事件完全不屬于經(jīng)典的范疇。原因可能跟日冕物質(zhì)拋射驅(qū)動(dòng)的激波有關(guān)。激波可以加速粒子，激波在向外傳播的過(guò)程中和地球的磁力線鏈接了起來(lái)。另外一種解釋是劇烈變化的磁場(chǎng)為粒子的傳輸搭建了一個(gè)臨時(shí)通道，完全不同大結(jié)構(gòu)的太陽(yáng)勢(shì)場(chǎng)。但目前尚未有任何觀測(cè)能證實(shí)以上兩種解釋。

3 結(jié)束語(yǔ)

“嫦娥四號(hào)”首次在月面開(kāi)展了能量中性原子和粒子輻射環(huán)境的探測(cè)：

1）相比于以往的遙測(cè)觀測(cè)，“嫦娥四號(hào)”測(cè)量的ENA反射率較高，通量向低能段（低于100 eV）聚集；太陽(yáng)風(fēng)能量在100～600 eV能段，ENA微分通量與太陽(yáng)風(fēng)參數(shù)如通量、密度及動(dòng)壓呈正相關(guān)關(guān)系；月球地方時(shí)下午時(shí)段ENA的通量、截止能量和溫度均低于上午時(shí)段。

2）“嫦娥四號(hào)”觀測(cè)結(jié)合Hall MHD數(shù)值模擬，證明微磁層是造成不同地方時(shí)時(shí)段ENA差異的原因，但月球微磁層僅在太陽(yáng)風(fēng)離子慣性長(zhǎng)度較?。ǎ?20 km）時(shí)才可形成?！版隙鹚奶?hào)”在月面獲取了微磁層內(nèi)部的觀測(cè)證據(jù)，發(fā)現(xiàn)微磁層使到達(dá)月面的太陽(yáng)風(fēng)通量減小、速度降低，但部分太陽(yáng)風(fēng)質(zhì)子仍可穿透微磁層，穿透效率0.23～0.78，且正比于太陽(yáng)風(fēng)動(dòng)壓。

3）“嫦娥四號(hào)”測(cè)量了月表的輻射總劑量率、中性粒子劑量率、帶電粒子劑量率以及穿透性粒子通量隨時(shí)間的變化，轉(zhuǎn)換為硅中的平均總劑量率為13.2±0.7 μGy/h，平均帶電粒子劑量率為10.2±0.9 μGy/h，中性粒子劑量率為3.1±0.5 μGy/h，中性粒子對(duì)總劑量率的貢獻(xiàn)為23%±8%。比對(duì)太陽(yáng)平靜時(shí)期LND與近地航天器的觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)LND的質(zhì)子、CNO能譜與近地航天器觀測(cè)一致，說(shuō)明月表環(huán)境對(duì)宇宙線能譜沒(méi)有影響；但LND的質(zhì)子能譜與模型預(yù)測(cè)值有明顯差異，LND為模型改進(jìn)提供了強(qiáng)約束。

目前ASAN和LND仍在月球背面正常工作，源源不斷地向地面輸送觀測(cè)數(shù)據(jù)。LND長(zhǎng)期的觀測(cè)不僅可獲取更多事件的觀測(cè)資料，同時(shí)還可得到宇宙線和太陽(yáng)風(fēng)長(zhǎng)期變化帶來(lái)的月表環(huán)境的變化；隨著“玉兔二號(hào)”的月面巡視，ASAN的觀測(cè)將實(shí)現(xiàn)更大的空間覆蓋，探尋ENA軌道器遙感與月球車(chē)原位觀測(cè)之間的關(guān)系，建立從月表到月球空間的環(huán)境整體圖像，為未來(lái)月球科研站建設(shè)提供空間環(huán)境信息參考。這些結(jié)果加深了人類(lèi)對(duì)月表環(huán)境的認(rèn)識(shí)。