嫦娥四号：月表中子与辐射剂量探测仪

2019-03-22 15:42:34来源：中科院之声

2019年1月3日10时26分，嫦娥四号探测器自主着陆在月球背面南极-艾特肯盆地内的冯•卡门撞击坑内，实现了人类探测器首次在月球背面软着陆。嫦娥四号携带了大量先进的探测仪器，这些仪器中除了大家比较熟悉的各种相机，还包括几台能用于空间环境探测的仪器。今天，我们就来给大家说一说这些特别的仪器和它们要观测的物理现象。

月表中子与辐射剂量探测仪

人类对太空的探索活动始终面临高能辐射的威胁，1958年，美国的第一颗人造卫星—Explorer I卫星研究组的Ernie Ray就发出了这样的感叹：“My God， space is radioactive!(天哪，太空居然是放射性的!)”。经过几十年的探测研究，人们对地球附近的高能辐射环境已经有了相当的了解，但月球表面的辐射环境与地球附近的辐射环境有很大的不同，月球表面没有稠密的大气，磁场也十分微弱，因此太空中的宇宙射线会直接轰击月表的岩石和月壤，宇宙线粒子与月表物质发生核反应会释放出中子、γ射线等具有强穿透力的粒子，尤其是中子，其辐射品质因子高于质子、电子和光子，对航天员具有很大的危害性。

图1 月表辐射环境示意图（作者自绘）

图1 月表辐射环境示意图(作者自绘)

嫦娥四号上携带的月表中子与辐射剂量探测仪，由中国和德国联合研制，安装在着陆器上，不仅能探测着陆区的中子和辐射剂量，还能探测太阳爆发产生的质子、电子和α粒子。该探测仪有助于科学家们对月表辐射环境进行评估，为未来载人登月及月球基地的辐射防护提供依据，同时，该仪器能够直接探测到来自太阳的能量粒子，用于研究太阳风暴的起因、高能粒子传播规律等。

图2月表中子与辐射剂量探测仪

低频射电频谱仪

所谓射电其实就是常见的无线电波，我们在家里就能够用短波收音机收听到非常遥远的地方、甚至地球另一端发出的无线电信号，是因为在地球大气上层(60公里以上)存在电离层，电离层中的大气处于部分电离和完全电离状态，会反射或吸收频率较低的无线电，短波信号可以在电离层与大地之间来回反射，从而传播很远的距离。

图3 电离层与无线电传播示意图

电离层虽然能够给地球带来通信的便利，却也阻断了电离层外的低频无线电向地面的传播。来自太阳及其它宇宙天体发出的低频电磁波信号被地球电离层遮挡，无法抵达地球地面，要探测它们只能在太空环境中进行，而月球背面由于阻挡了来自地球的各种天然及人工电磁辐射干扰，这里的电磁环境非常干净，是非常理想的低频射电观测位置。

嫦娥四号任务中的低频射电探测仪有两台，一台由中国独立研制，安装在嫦娥四号着陆器上(图4)，另一台由中国和荷兰联合研制，安装在中继星“鹊桥”号上(图5)。两台设备互相配合，可以对太阳、地月空间及宇宙天体的各种射电现象进行观测和研究，尤其是太阳爆发时，利用低频射电观测，可以观测并且追踪太阳爆发活动的整个过程，这对研究日地空间的天气效应，构建模型预报太阳灾害事件等有很大帮助。

图4 嫦娥四号着陆器上的低频射电频谱仪

图5 中继星“鹊桥”上的低频射电探测仪

月表中性原子探测仪

太阳持续不断的向四面八方“吹”出超声速带电粒子流，被称为太阳风。由于月球没有磁场、大气层的保护，太阳风能够直接“吹”到月球表面上，太阳风中的质子和离子作用到月壤表面会反射和溅射出能量中性原子(Energetic neutral atom，简称ENA)和其他粒子。同时，光照会导致月表充正电荷，等离子体会导致月表充负电，在月面阴阳交界处静电力会抛起月尘，所有这些抛出、溅射和反射出的物质组成了月球的逃逸层(图6)。科学家需要搞清楚月球逃逸层形成过程中各种机制的作用大小，这对于研究太阳系中许多与月球类似的星体(如水星、小行星等)具有重要意义。

图6 月球逃逸层示意图（作者自绘）