Akademia Górniczo Hutnicza

Wydział Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska

Praca dyplomowa
Geofizyka Stosowana

Badania geofizyczne w trakcie załogowej eksploracji Księżyca w ramach programu Apollo.

Mateusz Matt Harasymczuk

Promotor pracy
Prof. dr hab. inż. Kaja Pietsch

2.17. Neutron Probe Experiment (NPE)

Tab. 22. Neutron Probe Experiment (NPE)

Ośrodek badawczy

California Institute of Technology, USA

Misje

Apollo 17

Nazwa eksperymentu (j. ang.)

Neutron Probe

Nazwa eksperymentu (j. pol.)

Sonda neutronowa

Dziedzina

Radiometria

2.17.1. Przedmiot badania

Górne warstwy powierzchni księżyca składają się z regolitu księżycowego. W jego skład wchodzi grunt oraz drobne fragmenty skalne wytworzone w trakcie ciągłego procesu zderzania meteorytów o Księżyc. Na skutek impaktu zostaje uformowany krater, a materiał skalny zostaje wyrzucony. W zależności od rozmiaru meteorytu oraz jego prędkości siła uderzeniowa może unieść materiał na różne odległości. Proces ten powtarzany przez miliardy lat spowodował rozdrobnienie materiału skalnego do postaci pyłu, który jest dobrze wymieszany z innym materiałem skalnym.

Gdy wysokoenergetyczne cząstki promieniowania kosmicznego uderzają o powierzchnię Księżyca, reakcje jądrowe pomiędzy protonami i atomami w podłożu powodują emisję neutronów. Cząstki te mogą przenikać niewielkie głębokości wewnątrz regolitu. Neutrony są docelowo wchłaniane przez inne atomy, a skutkujące tym reakcje jądrowe prowadzą do formowania się radioaktywnych izotopów, które później ulegają rozpadowi do form stabilnych. Te radionukleotydy pozwalają na określenie tempa mieszania się warstw regolitu. Ze względu na to, że neutrony mogą jedynie spenetrować niewielkie odległości wewnątrz warstw osadowych regolitu. Znalezienie radioaktywnych cząstek na większych głębokościach świadczy o mieszaniu warstw (do mierzonej głębokości) w czasie mniejszym niż czas rozpadu izotopu. Pomiar mieszania się regolitu wymaga trzech rzeczy [Jon95]:

  • dużej liczby radioaktywnych cząstek w próbkach rdzeni przywiezionych przez astronautów na Ziemię,

  • znania prędkości rozkładu radionukleotydów (określonych w badaniach laboratoryjnych na Ziemi),

  • prędkości tworzenia radioaktywnych izotopów w wyniku bombardowania neutronami, wg. pomiaru z eksperymentu Neutron Probe Experiment (NPE).

2.17.2. Materiały i metody

../_images/NPE-diagram.jpg

Ryc. 31. Diagram przedstawia eksperyment Neutron Probe Experiment (NPE). Źródło: Fig. 18-1 [PBB+73].

Eksperyment Neutron Probe Experiment (NPE) wykonano podczas misji Apollo 17 w celu określenia prędkości mieszania się warstw regolitu. Składał się z 2,4 metrowego pręta z przytwierdzonymi detektorami. Pręt umieszczano w otworach wiertniczych utworzonych na potrzeby pobrania próbek podpowierzchniowych. Detektory rejestrowały liczbę neutronów przenikających poszczególne warstwy na różnych głębokościach.

Eksperyment zaprojektowano w celu pomiaru tempa wychwytu niskoenergetycznych neutronów jako funkcji głębokości regolitu księżycowego. Pomiar przeprowadzono za pomocą dwóch sposobów detekcji śladów padania cząstek [Jon95]:

  • plastikowego detektora złożonego z filmu trioctowej celulozy w połączeniu z boronem-10 w celu zapisu emisji cząstek alfa,

  • detektorów mica w celu wykrycia śladów fragmentów wywołanego neutronami rozpadu uranu-235.

Sensor aktywowano i dezaktywowano w skutek zmiany pozycji urządzenia, gdy detektor i cel wychodziły z układu współosiowego. Mechanizm załączania i wyłączania był konieczny w celu zapobiegania rejestracji akumulacji wydarzeń tła wytworzonych w trakcie przez neutrony z generatora mocy zestawu ALSEP i z neutronów pochodzących z promieniowania kosmicznego wewnątrz statku podczas lotu między Księżycem a Ziemią [PBB+73].

Punkty źródłowe uranu-238 były umieszczone na przyrządzie w celu zapewnienia znaków odniesienia, aby sprawdzić, czy sonda została prawidłowo aktywowana. Podobnie zamieszczono również pochłaniacze kadmu-48 w środku oraz na dole próbnika w celu otrzymania spektrum energii neutronów na poziomie 0,35 eV. Dalsze widmowe informacje były uzyskiwane poprzez analizę kryptonu-80 i kryptonu-82 wytworzonych przez wychwyt bromku neutronowego w bromku potasu zawartym w próżniowych kapsułkach, które umieszczono w górnej, środkowej i dolnej części sondy, [Jon95], [PBB+73].

2.17.3. Przebieg eksperymentu

Próbnik neutronowy rozstawiono podczas pierwszego EVA. Eksperyment przebiegł prawidłowo od czasu jego aktywacji 12 grudnia 1972 roku do czasu wyłączenia następnego dnia. Urządzenie zabrano na końcu trzeciego EVA, po ekspozycji trwającej 49 godzin. Instrument wraz z rejestratorami cząstek przewieziono na Ziemię w celu analizy.

2.17.4. Rezultaty

Stopień wymieszania regolitu zależy od wielkości ciała uderzającego. Masywniejsze obiekty mieszają warstwy na większych głębokościach. Mniejsze uderzenia są znacznie częstsze i z tego powodu mieszanie się w warstwie przypowierzchniowej zachodzi z większą częstotliwością. Obecne szacunki prowidują, że do mieszania się warstw na głębokości 1 cm dochodzi raz na milion lat. Mieszanie się warstwy 1 metra zachodzi co miliard lat. Tempo zostało oszacowane na podstawie określenia liczby radioaktywnych izotopów w skorupie księżycowej pobranej z rdzenia otworu wiertniczego jak również na podstawie chemicznych pomiarów tych próbek.