Skip to main content

ФРЕНД/FREND — детектор эпитепловых нейтронов высокого разрешения (Fine Resolution Epithermal Neutron Detector)

Эксперимент ФРЕНД (FREND) предназначен для регистрации и картографирования потоков нейтронов от поверхности Марса с высоким пространственным разрешением.

Потоки нейтронов от поверхности планеты позволяют судить о содержании водорода и, как следствие, воды и водяного льда в приповерхностном слое глубиной до одного метра. Карты распространенности водорода необходимы, чтобы более точно выбирать места посадки будущих марсианских миссий.

Нейтронный телескоп ФРЕНД создаётся по образу и подобию двух своих предшественников, приборов ХЕНД и ЛЕНД, созданных в отделе ядерной планетологии для миссий НАСА Mars Odyssey (запуск 2001, исследования Марса) и Lunar Reconnaissance Orbiter (запуск 2009, исследования Луны).

За 13 лет работы ХЕНД на орбите Марса были построены подробные карты нейтронных потоков и, как следствие, содержания водорода в приповерхностном слое. Но пространственное разрешение ХЕНД составляет порядка 300 км, что недостаточно для подробного и детального изучения распределения приповерхностного водорода.

Чтобы сузить поле зрения нейтронного детектора, необходимо поместить его внутрь коллиматора — экрана, который будет поглощать нейтроны, прилетающие из направлений, отличных от надира. Такой коллиматор был использован в приборе ЛЕНД. С его помощью были созданы карты нейтронных потоков Луны с пространственным разрешением всего 5 км.

ФРЕНД максимально использует отработанные и проверенные технологии этих приборов.

Цели эксперимента ФРЕНД

- Построить карты потоков нейтронов от поверхности Марса с пространственным разрешением 40 км,

- Построить карты содержания водорода в приповерхностном грунте Марса глубиной до 1 м с разрешением в 40 км;

- Сравнить потоки нейтронов от поверхности Марса в зависимости от сезона;

- Сопоставить данные орбитальных измерений с данными аналогичных приборов других миссий, орбитальных и посадочных;

- Провести мониторинг потоков нейтронов и заряженных частиц в периоды активного и спокойного Солнца;

- Провести мониторинг радиационной обстановки на орбите вокруг Марса, изучить состояние гелиосферы на трассе перелёта «Земля-Марс» и на марсианской орбите, исследовать вклады разных типов частиц (электронов, протонов и других) в радиационную дозу на орбите вокруг Марса.

Основные параметры:

Масса — 36 кг

Потребление — 14 Вт

Размеры — 465 x 380 x 370 мм

Диапазон энергий — 0,4–500 кэВ (нейтроны) и 0,5–10 МэВ (частицы)

Разрешение по времени — от 1 с

Разрешение на поверхности — ~40 км

Разрешение по глубине — ~1 м

Энергетическое разрешение дозиметра не хуже 100 кэВ (диапазон энерговыделений в детекторе 100 кэВ÷8 МэВ) и не хуже 350 кэВ (диапазон 8 МэВ÷70 МэВ)

Объем телеметрии — 50 Мбит в день

Конструкция

1. Детекторы прибора для создания карт нейтронного излучения Марса:

- четыре пропорциональных счетчика, наполненных гелием-3 (3He) под давлением в 6 атм, регистрирующих нейтроны с энергиями в диапазоне 0,4–500 кэВ. Каждый из детекторов ведет независимое накопление отсчетов нейтронов, что улучшает статистику измерений и повышает отказоустойчивость прибора,

- сцинтилляционный счетчик на основе кристалла стильбена для регистрации высокоэнергетических нейтронов с энергиями 0,5–10 МэВ. Предусмотрена антисовпадательная защита, чтобы отделить полезный сигнал нейтронов от сигналов выскоэнергетичных заряженных частиц.

2. Коллимационный модуль — полностью пассивный элемент конструкции, внутри которого располагаются все пять детекторов прибора. Наружный слой коллиматора выполнен из полиэтилена высокой плотности, внутренний – из порошка обогащенного бора (10B). Нейтроны, попадающие на стенки коллиматора, сначала затормаживаются в полиэтилене, содержащем большое количество атомов водорода. Далее замедленные нейтроны попадают в слой 10B и поглощаются.

Благодаря коллиматору поле зрения детекторов прибора сужается до пятна диаметром 40 км на поверхности Марса с круговой орбиты в 400 км. В результате пространственное разрешение нейтронных карт Марса будет в 7,5 раз выше по сравнению с картами прибора ХЕНД.

3. Дозиметрический модуль «Люлин-МО» для мониторинга радиационной обстановки на орбите планеты (разработчик — Институт космических исследований и технологий Болгарской академии наук). «Люлин-МО» измеряет поток, поглощенную дозу и мощность поглощенной дозы заряженных частиц космического излучения, спектр их ионизационных потерь и спектры энерговыделений в детекторах прибора. Модуль состоит из двух телескопа, каждый из которых содержит по два кремниевых полупроводниковых детектора (чувствительная площадь 2 см2).

Измерения дозиметра необходимы для изучения радиационной обстановки во время перелёта и работы на околомарсианской орбите, в том числе чтобы оценить радиационную опасность для перспективных космических аппаратов и выработать системы защиты от неё.

Нейтроны космических лучей проникают в марсианский грунт на глубину до 1 метра и взаимодействуют с веществами, составляющими его. По энергетическому распределению нейтронов, вышедших из-под поверхности, можно судить о том, какие элементы содержатся в приповерхностном слое грунта (с) ЕКА/Роскосмос/ФРЕНД/ИКИ
(с) ЕКА/Роскосмос/ФРЕНД/ИКИ
(с) ЕКА/Роскосмос/ФРЕНД/ИКИ

Разработчики и соисполнители

Заказчик — Государственная корпорация по космической деятельности «Роскосмос»

Головной исполнитель — Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)

Научный руководитель эксперимента ФРЕНД – д.ф.-м.н. Игорь Георгиевич Митрофанов, заведующий отделом ядерной планетологии ИКИ РАН

Организации-участники эксперимента:

  • Институт космических исследований и технологий Болгарской академии наук (ИКИТ БАН)
  • ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт минерального сырья им. Н.М. Федоровского» (ФГУП «ВИМС», г. Москва)
  • ОАО «Государственный научный центр – Научно-исследовательский институт атомных реакторов» (ОАО «ГНЦ НИИАР», г. Димитровград-10)
  • Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук (ИМАШ РАН, г. Москва)
  • Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ, г. Дубна)
  • Институт медико-биологических проблем Российской академии наук (ГНЦ РФ ИМБП РАН, г. Москва)

Страница эксперимента ФРЕНД https://np.cosmos.ru/FREND.html