X射线谱仪

用于测量谱线位置和强度的设备

X射线谱仪由X射线谱仪探测器、太阳监测器和电控箱三部分构成，主探测器采用Si-PIN组成半导体探测器阵列，在1keV～60keV能区，实现对全月面成像观测，即得到X射线月貌图，其中，在10keV～60keV能段将是人类首次在环月轨道上对月面的观测。

仪器简介

X射线谱仪设计有20路探测器，是此次载荷中探测器路数最多的系统，为有效预防多路探测器之间相互干扰，在硬/软件设计中还专门设计了“隔离”探测器单元功能及对太阳监测器计数率的调阈指令，以提高探测器在轨长期工作的可靠性。

X射线谱仪指向月面，由16路硬X射线半导体探测器阵列，4路高分辨软X射线半导体探测器组成，分别用于探测月表不同元素或天然放射物质发生的特征X射线，获得不同能段X射线的能谱。

仪器发展

X射线谱仪是我国绕月探测工程实现月球资源探测、研究月球组成预演化等的重要手段和有效方法之一。“在我国探月工程分三步走的进程中，通过一期嫦娥一号卫星有效载荷绕月工程在轨观测，我们将获得月球表面元素的种类及其含量、分布。有了月表元素分布图，就能为探月二期工程利用月球车登月后进行资源探测和进一步的科考研究提供依据，为研究月球的形成、演化模型和未来资源开发利用提供更进一步的验证信息。”

20世纪70年代，美国Apollo-15、Apollo-16从环月轨道上各发射了一颗环月运行的科学卫星，卫星上就有荧光X射线探测器，首次在环月轨道上探测月表X射线荧光，进而研究月表的地质化学组成。2003年，欧空局发射的SMART-1卫星在0.5～10keV能区探测了镁、铝、硅的绝对分布；2007年9月日本发射的“月亮女神号”探月卫星搭载了一台X射线谱仪，也对月球元素进行了探测。同年，我国的“嫦娥一号”（CE-1）搭载一台X射线谱仪进去月球轨道。印度2008年将发射“月船一号”（Chandrayyan-1）探月卫星,搭载了C1XS（Chandrayyan-1X-ray spectrometer）探测器（为SMART-搭载的D-CIXS的改进型）对月球低能X射线进行探测。

20世纪90年代后，国际上兴起的新一轮探月热，因为月球是地球的天然卫星，更重要的还在于月球宝贵的资源和月球位置的价值。因为通过元素探测，我们可以知道月球上分布着哪些资源，将来开发月球时可选择在资源富集的地区，通过开采月球资源，满足人类社会的需求。”因此，对月球元素探测是一项很重要的科学研究。

嫦娥一号卫星探测工程在国防科工委月球探测工程中心、航科集团探月卫星总体及中科院有效载荷总体部的领导下，用不到4年时间完成一项复杂而庞大的工程，开创了我国航天史上研制时间最短的先例。X射线探测器作为中科院承制的有效载荷之一、我国深空X射线探测能段首例，在研制进程中遇到不少困难。

仪器特点

X射线谱仪X射线探测器具有灵敏度高、分辨率好、重量轻及功耗低等特点，但易受到外界干扰，特别是温度的影响。由于我们探测器入射窗是暴露在卫星外，月球表面的昼夜周期极限温度变化非常大，温度环境对探测器性能有影响；另外探测器采用的硅半导体阵列，每片厚度仅微米数量级，承受外力的能力差和弱探测信号等不利因素都给设计、研制、温控，特别是工艺设计等方面带来不少困难。

仪器组成

X射线谱仪主要由X射线谱仪探测器，太阳监测器和电控箱组成。

1.太阳监测器：指向太阳，监测太阳X射线辐射，配合月表X 射线观测，获得元素的绝对丰度分布。由Si-PIN组成的半导体探测器阵列，包括4路1～10keV的低能探测器，探测面积为1cm2，16路10～60keV的高能探测器，探测面积为16cm2。在轨观测时探测器始终对着月面。

2.电控箱：内含数据获取系统、数据管理系统及软件等，它负责电源供给，在轨观测元素信号的处理、数据管理、数据传输等，并将信号传到卫星有效载荷的大容量存储器，通过卫星传到地面控制中心。

3.X射线谱仪探测器：利用太阳监测器监测太阳X射线辐射状态，获得射入到月球的太阳X射线能谱、流强等信息，为X射线谱仪数据处理提供参考依据。一般位于卫星顶部，对着太阳，观测太阳X射线，可配合月表X射线观测，进而获得元素的绝对丰度分布。同时可以利用太阳监测器监测太阳活动，做出太阳X射线连续谱。太阳监测器探测能区为1～10keV，有效面积为0.25cm2。采用先进的Si-PIN半导体探测器技术，具有低功耗、高分辨的特点，主要由3台单机组成。

仪器性能

X射线谱仪X射线谱仪和太阳监测器分别安装在卫星顶板和侧板上。其中，X射线谱仪用于探测月球表面元素受太阳X射线或宇宙射线激发产生的荧光X射线，如Mg、Al或Si元素等。其飞行方向与卫星轨道成45度角，正对月面。太阳监测器正对太阳，监测太阳活动，从而得到入射的太阳X射线能谱，结合X射线谱仪，获得到相关元素的绝对丰度。在月表向阳面，当太阳X射线射到月表，发生光电效应，产生X射线荧光；这些荧光被X射线谱仪某个(些)探测器单元探测到，经过后级电子学系统处理，将所探测信号转换数字信号后，以1024道能谱的方式被记录, 并经1553B总线传到地面。

太阳监测器采集太阳X射线，将所探测信号转换数字信号后，并以1024道能谱的方式被记录,并经1553B总线传到地面，探测器单元的硅介质与一定能量的X射线荧光产生光电效应，至少产生一个电子空穴对，由此产生的电信号反映月表不同元素或天然放射物质发生的特征X射线能量不一样，将被观测信号以不同能谱方式记录，根据这些能谱，依据定标曲线推算对应的元素。

分析、融合和归纳X射线谱仪探测器与太阳监测器的观测结果，可以绘制各元素的全月球分布图，发现月球表面资源富集区，鉴别新的类型，为月球的开发利用提供资源分布的数据，以及检验月球形成与演化的模型，为月球演化的深入研究提供重要信息和有用数据。

仪器应用

我国“嫦娥一号”探月卫星的一个有效载荷，它可探测月表元素受太阳X射线或宇宙射线激发产生的X射线荧光，并能对太阳X射线辐射进行监测，通过数据反演法可获得月表主要元素的含量和分布，以确定月表岩石类型和资源分布，并为月球探测和检验月球形成与演化模型提供重要信息。

一些天文卫星上都会应用X射线探测器。今后，星载探测器发展的趋势是高性能、低功耗、小体积、轻重量。在探月二期工程中，我们将在一期的研制基础上，使X射线探测器设计更简化、更小巧、更可靠、更高性能，可把它安装在月球车机械臂上，在月球上行走，实现近距离元素探测。

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