0 引 言
月球作为地球唯一的卫星，蕴藏了地球、太阳系起源和演化的无穷奥秘，拥有丰富的特有资源，也是人类走向深远空间的前哨站和试验场。近年来随着深空探测活动的再次兴起，各主要航天国家都制定了新的月球探测规划。中国通过嫦娥探月工程和921载人航天工程，在一系列核心技术方面实现了重大突破和跨越，计划在2024年前后发射嫦娥六号、2026年前后发射嫦娥七号，2028年前后发射嫦娥八号，2030年前后建成国际月球科研站基本型并实现载人登月[1]。美国启动了新一轮的载人登月计划，即阿尔忒弥斯载人登月计划。该计划是由NASA主导、多方参与的登月计划，目标不仅是将美国宇航员再次送上月球，还要在月球建立长期运营基地，并为后续的载人探火行动奠定基础[2]。俄罗斯发布了《月球综合探索与开发计划草案》[3]，强调了俄罗斯参与月球探索与开发的必要性，对2040年前俄罗斯月球探索与开发计划进行了全面阐述。印度的“月船”3号着陆器于2023年8月23日在月球近南极地区成功实现软着陆，使印度成为第４个成功实现月面软着陆的国家。印度宣布将在2035年前建立“印度空间站”，在2040年前将首位印度航天员送上月球[4]。
1 月球中子概述
1.1 月球中子与水含量
超热中子（epithermal）的流强随含水量的变化非常显著，如图1 所示[7]，当含水量从0.1%增加到10%时，超热中子流强会减少为约原来的1/10。相对而言，热中子的流强变化幅度较小，而且并非负相关，其在含水量为1%~3%时达到最大值。快中子流强会随着含水量的增加而持续减少，但变化幅度远小于超热中子。因此，通常通过测量超热中子流强的变化来确定月壤的含水量。基于这一原理，美国的月球勘探者号（Lunar Prospector，LP）[8]和月球勘测轨道器（Lunar Reconnaissance Orbiter，LRO）[9]利用其携带的轨道中子探测器发现了月球两极的永久阴影区中存在挥发性水冰和氢浓度增高的现象。
文献[10]探讨了月壤中水的存在及其循环过程，数据分析表明月球表面存在一个厚度约为8 cm的干燥表层，下面是含水量为220~520 μg/g的土壤层。月球表面和深层之间通过流星体撞击实现了水的循环和迁移[10]，如图2 所示，微流星体撞击月球表面会释放水进入月球外层空间，LADEE探测器上的中性质谱仪(NMS)观测到月球外层空间水含量波动与微流星体撞击事件在时间上存在关联[10]。文献[11]通过分析嫦娥五号样品发现，太阳风来源的水含量至少为170 μg/g，太阳风质子注入是月球表面水的重要来源之一。通过月壤中子探测载荷，获得月壤内部水含量数据，分析月球早期存在的水，对于理解全月球水循环和月球演化历史，具有重要意义。
1.2 月球中子与辐射防护
月壤内部中子流强垂直分布数据对月球科研基地辐射防护设计十分重要。月球科研基地通常采用原位月壤屏蔽辐射，宇宙线与月壤相互作用产生的次级辐射十分复杂，包括伽马、质子、中子等。迄今为止，国际上对月壤内部中子辐射环境的测量只有阿波罗17号任务的月球中子探测实验（Lunar Neutron Probe Experiment，LNPE），该实验也只测量了月壤2 m深度内的中子数密度[12]。当前对月壤内部辐射的估计是基于模拟软件，误差较大。中子是影响航天员安全和月表驻留时间的重要因素。中子对航天员的危害，宏观方面可能会引发癌症，微观方面可能会导致细胞凋亡、DNA断裂等。相比同等剂量的伽马射线和带电粒子，中子对人体造成的危害更为严重，根据能量的不同，中子辐射权重因子是电子、伽马等的5~20倍，生物效应高[13]。中国的嫦娥四号（Chang' e-4，CE-4）发现其着陆点月球背面南极−艾特肯盆地冯·卡门撞击坑附近，中性粒子（中子和伽马射线）辐射剂量贡献了总辐射剂量的23.5%[14]。微重力可能会影响生物DNA修复，导致地球生物进化出的辐射损伤应对策略减弱，从而产生更严重的DNA损伤[15]。此外，极端太阳高能粒子事件会在短时间内对航天员产生非常大的辐射剂量[16]。对于任务周期在数十天的载人登月任务，其面临的最大辐射风险就是可能遭遇极端太阳高能粒子事件。开展月球中子原位探测可以测量中子辐射随时间的变化，开展月球中子的时变分析和进行高精度的月球中子辐射环境预报，进而为宇航员的出舱活动提供指导。
2 方案概述
2023年7月17日，中国载人航天工程办公室发布了关于征集载人月球探测工程月面科学载荷方案的公告，内容显示我国将在月面钻探不小于10 m深的钻井用以提取月壤样品。与此同时，美国PRIME-1和VIPER任务也都配备了深钻系统[17]，通过钻取月壤获得月壤中的水等物质。新一轮国际探月热潮之下，本文提出了基于月球钻井开展中子探测作为未来月球中子研究的发展方向。月壤钻井中子探测载荷的基本功能是在钻取月壤后形成的钻井内垂直放置中子探测器，实时测量钻井内该位置处的超热中子和热中子流强。
通过比较和选择，最适用于月球钻井中子探测且具有高探测效率的探测技术为氦-3正比计数管技术。采用氦-3正比计数管技术测量月壤内部的超热中子和热中子流强，共包括3个氦-3正比计数管。镉涂层的氦-3管子用于探测超热中子，锡涂层的氦-3管子用于探测热中子和超热中子的总和。将一个镀镉管（见图3 中A管）和一个镀锡管（见图3 中B管）串联在一起，垂直安放在月壤钻取后形成的钻井中，用一个步进电机调节其在钻井中的深度，测量该位置的热中子和超热中子流强。另一个镀镉的氦-3管（见图3 中C管）放置在着陆器上或月壤表面，用以测量飞出月表的超热中子流强。通过对比钻井内和月表的两个全同的镀镉氦-3管数据，可以有效消除宇宙线流强、相互作用截面和探测器响应带来的系统误差，从而提高热中子和超热中子的测量精度。
3 探测任务的科学与工程目标
人类对月球中子的探测活动覆盖了近月空间、月球表面和月球内部。迄今为止，只有阿波罗17任务的LNPE探测器测量了月壤2 m深度内的中子数密度，但该测量基于带回地球的月壤样品分析，不具备区分中子能量的能力。相比阿波罗任务，本任务在原位、近实时，能量覆盖热中子和超热中子等方面具有先进性。根据部署方式，月壤钻井中子探测载荷在以下科学与工程目标上可以做出独特贡献，如图4 所示。
3.1 原位获得月壤深部水含量的垂直分布
3.2 原位获得月壤内部中子辐射环境实测数据
月球科研站的辐射防护通常采用月壤原位材料屏蔽辐射，屏蔽效果如何，目前只能通过仿真模拟得到，并没有足够多的直接实验数据的支撑，且不同的仿真结果差距和误差较大，如图5 所示[21]。月壤钻井中子探测载荷将直接测量不同月壤深度的超热中子和热中子的辐射剂量，可为我国月球科研站的设计提供关键数据支持。利用实际测量数据对蒙特卡罗仿真软件进行校正，可以给出高置信度的伽马、质子和阿尔法等多种粒子的辐射情况，从而为月球科研站的辐射防护设计提供全面的数据支持。
3.3 获得Sm-Nd同位素体系定年关键校准数据
在Sm-Nd同位素定年方法中，需要用同位素比值来计算样品的年龄，如$ {}^{\text{143}}\mathrm{N}\mathrm{d}/{}^{\text{144}}\mathrm{N}\mathrm{d}\mathrm{和}{}^{\text{147}}\mathrm{S}\mathrm{m}/{}^{\text{144}}\mathrm{N}\mathrm{d} $ 等。暴露于月表的月壤样品因长时间受到宇宙线辐射，中子俘获会导致同位素的比值发生一定的变化，当$ {}^{\text{143}}\mathrm{N}\mathrm{d} $ 俘获一个中子后会变成$ {}^{\text{144}}\mathrm{N}\mathrm{d} $ ，这同时改变了$ {}^{\text{143}}\mathrm{N}\mathrm{d} $ 和$ {}^{\text{144}}\mathrm{N}\mathrm{d} $ 的含量，使得定年结果产生不确定性。月壤钻井中子探测载荷将直接测量钻井内热中子和超热中子流强的垂直分布，可以修正中子俘获带来的不确定性，提高Sm-Nd同位素定年的准确性和可靠性。
3.4 获得月面反照超热中子原位探测数据
4 载荷主要功能设计与技术指标
初始空段落
4.1 工作原理
中子根据能量可划分为不同的类别，不同的研究目标，类别的划分依据略有不同。对于月壤钻井中子探测载荷来说，飞出月球表面的中子流强如图6 所示，类型划分为热中子（E<0.4 eV）（图6 中红虚线所示）、超热中子（0.4 eV<E<0.5 MeV）（图6 中黑实线所示）、快中子（E>0.5MeV)（图6 中蓝实线所示）。考虑到对月壤钻井的空间适应性，我们选用氦-3正比计数管，其对热中子和超热中子有较好的探测效率。月面快中子的能量范围约为0.5~20 MeV，数量相对较少，约数十个每秒。快中子探测通常使用硅固体探测器，但直接采用硅固体探测器探测效率较低，需要通过有效利用核反冲法在硅片表面增加转换层提高探测效率。由于快中子超出了氦-3正比计数管的探测范围及其对月球水的不敏感性，月壤钻井中子探测载荷不包括对快中子的探测。
氦-3正比计数管是一种气体电离放大探测器件，中子与管内3He发生3He(n,p)3H核反应，其反应如下：
反应产物为质子与氚核。质子与氚核通过气体时，同3He气体分子发生电离碰撞，使3He气体电离，变成电子和正离子，同时损失部分能量，在质子和氚核的运动轨迹上形成大量的电子离子对，在计数管阳极丝外加电场的作用下，电子和正离子分别向正、负电极漂移，被电极收集产生脉冲计数，如图7 所示。
对于热中子和超热中子的探测，可以通过镉涂层实现。带镉涂层的氦-3管子由于镉对热中子的强烈吸收，最终探测到的是超热中子，不带镉涂层的氦-3管子由于没有热中子吸收，探测到的是热中子和超热中子的总和。
4.2 物理指标
月壤钻井中子探测载荷的核心是氦-3正比计数管。氦-3探测器需是国内自主研制，具备在月面极端环境下进行热中子和超热中子探测的能力。氦-3探测器主要物理指标如表1 所示。高压密封的氦-3气体需保持气态，在月面低温和低压环境下能够正常工作。氦-3探测器还需具有较低的伽马敏感度，以减少伽马辐射的干扰。
表 1 氦-3正比计数管主要性能指标Table 1 Characteristics of helium-3 proportional counters |
| 项目 | 参数 |
| 内径 | 30 mm |
| 氦-3充气压强 | 2.0×106 Pa |
| 活性区长度 | ≥800 mm±3 mm |
| 总长度 | ≤900 mm |
| 分辨率 | ≤12% |
| 坪斜 | ≤2%/100 V |
| 氦-3气体纯度 | ≥99.99% |
| 真空漏率 | 10-9 Pa/m3·s−1 |
| 适应温度范围 | -80℃~﹢120℃ |
| 探测器工作寿命 | 不少于2年（自充气后开始计算） |
4.3 载荷产品设计
为了尽量减小重量和功耗，载荷需进行轻小型集成化设计。将氦-3正比计数管和电子学进行一体化设计，集成为一台单机。载荷电子学模块由电源供配电、高压模块、脉冲触发和能道幅值采集信号调理电路、数据存储和通信控制组成。信号调理电路应用ASIC实现多路传感器的信号集中处理，大幅度减少了分立元器件数量，有效降低了体积和功耗。电源供配电模块输出设备工作需要的二次电源，高压模块经过滤波电路后输出中子探头的工作电压，信号调理电路形成中子脉冲计数触发和脉冲幅值的数字输出，通信控制电路完成数据的采集、存储和下传。对外接口包括28 V电源供电1路，双向LVDS接口1路，温度量遥测1路和模拟量遥测3路，如图8 所示。同时为保持电子学和探头的正常工作温度范围，设备安装了温度传感器，由平台采集设备的温度量遥测，根据遥测值控制加热片加断电，实现对设备的热控。
机械结构方面，热中子探头和超热中子探头氦-3正比计数管的大小相同，尺寸均为直径3 cm，长8 cm，管壁材料为1.3 mm不锈钢，其中超热中子探头管壁镀0.63 mm镉，热中子探头管壁镀同样厚度的锡。经过计算，载荷的热、机、电接口信息如表2 所示。
表 2 载荷资源需求列表Table 2 Payload thermal, electrical interface requirements information list |
| 项目 | 资源需求 |
| 机械接口 | 1、发射质量：0.9 kg 2、发射包络：Φ50mm×320mm 3、发射时安装方式：放置于包装箱中 4、展开质量：0.9 kg 5、展开包络：Φ50mm×320mm |
| 热接口 | 1、工作温度：-35℃~﹢55℃ 2、贮存温度：-35℃~﹢80℃ 3、表面状况：黑色阳极氧化 4、工作热耗：9W |
| 供电接口 | 1、供电电压：28V DC 2、供电功率：9W 3、加断电控制：加断电由平台控制 |
5 关键技术分析
月壤钻井中子探测载荷涉及的关键技术有月面极端环境高可靠中子探测器研制、验证技术和月壤中子流强数据分析技术。
5.1 月面极端环境低漏率中子探测技术
氦-3中子探测器内需要充入高纯度（99.999%以上）、高压力（20 atm）（1 atm=1.01×105Pa）的工作介质（氦-3），低漏率探测器系统需要具备抽空、增压和气体纯度检测功能的超洁净充放气系统设备。气体探测器在月面极端环境下长时间工作时，探测器封装是载荷成败关键。在密封连接的地方采用钎焊和激光焊等焊接技术，可使探测器具有较高的气密性和良好的机械性能。探测器主要的组成材料要具有低出气率，例如可伐合金、镉、不锈钢等，在探测器充入工作气体前，对整个探测器进行真空烘烤除气，可大大减少其他杂质对氦-3工作气体的污染。
月昼月夜温差可达280 K，为了保证探测器系统持续可靠工作，在研制过程中和研制出探测器样机后均要进行试验测试。开展热真空环境试验，研究温度变化过程中氦-3正比计数管的管壁强度与密封性是否稳定，以及电子学是否能保持正常工作。
5.2 中子探测器的标定与验证技术
中子由于不带电，其探测相对于带电粒子复杂。中子的探测效率随能量会变化，因此对中子探测器的地面标定就极其重要。对于研制的探测器样机，可以利用中国散裂中子源的中子测试束线开展实验，研究探测器对中子信号的响应特征，以及对不同能量中子的探测效率。
此外，月壤钻井中子探测载荷的水冰寻找任务，需要提前在模拟月壤中开展试验。北京卫星环境工程研究所在承研国家重大任务过程中建造完成了一个大面积的月球月壤模拟试验场，如图9 所示。试验场包含数吨月球岩石模拟物，月壤的深度在厘米到米之间。通过埋入不同含水量的水源并进行中子探测，开展水资源探测验证试验。
5.3 月球中子流强数据分析技术
月球中子与太阳活动、月表局部电磁环境、月壤成分、月壤温度、月壤厚度、地球风等均有关系。在分析月壤中子流强时，需要综合考虑多个误差来源，以得到更准确可信的结果。
（1）宇宙线。月球没有大气层遮挡，中子测量结果受宇宙线影响，银河系宇宙射线太阳调制和太阳高能粒子事件均对月球中子有影响。宇宙线流强变化带来的系统误差，可通过在月表放置与钻井中全同的中子探测器作为实时刻度源来部分消除这一误差。
（2）中子探测器。在进行月壤中子数密度测量时，需要考虑到氦-3管探测器的响应特性。由于月面环境的复杂性，钻井内其他材料以及探测器本身（例如Cd涂层厚度不均匀）都会对中子数密度测量带来干扰，需要通过中子源标定试验以及蒙特卡罗模拟等对这些因素进行分析。
（3）本底。月壤中子流强测量可能面临着各种各样的本底。例如，嫦娥四号的月表中子与辐射剂量探测仪安装在着陆器上，着陆器上有4个为仪器提供热量和动力的放射源，包括一个放射性同位素热电发生器和3个放射性同位素加热器装置，在工作过程中会持续不断地释放中子/伽马射线。这些辐射若穿透着陆器的屏蔽结构，就会成为本底干扰，需要开发相应的分析技术和方法来进行本底分析和扣除。
6 结语
钻取月壤后形成的钻井为开展月壤中子辐射环境垂直分布探测提供了理想条件。利用月球钻井开展月壤中子辐射探测将为月球水资源勘查提供新的突破口，有助于研究月球的起源与演化，同时也为我国未来月表的辐射防护和深空探测任务提供有力的数据支持。进行月面极端环境下高可靠中子探测、标定、数据分析技术攻关，择机实施月球钻井中子探测，对把握国际首次月球内部中子的原位测量先机具有十分重要的意义。