月球粒子辐射环境探测现状

侯东辉，张珅毅，Robert F Wimmer-Schweingruber，于 佳，Soenke Burmeister，沈国红，袁 斌，王春琴，张斌全

（1.中国科学院国家空间科学中心，北京 100190；2.中国科学院大学，北京 100049；3.中国科学院天基空间环境北京市重点实验室，北京 100190；4.德国基尔大学，基尔 24118）

引 言

月球上粒子辐射环境较为复杂，除了银河宇宙射线（Galactic Cosmic Ray，GCR）、太阳粒子以外（Solar Energetic Particle，SEP）事件，还有银河宇宙射线或太阳粒子事件与月壤产生的反照辐射，以及天然放射性核素。银河宇宙射线由能量极高、通量极低的带电粒子组成，其中重子成分即质子和重离子占98%，电子和正电子占2%[1]。重子成分中质子占87%，氦离子占12%，其它重离子占1%。重离子成分中的高能粒子尤其是高原子序数的高能粒子，有着非常高的LET（Line Energy Transfer）谱和很强的穿透性，具有很强的生物辐射损伤效应。

太阳粒子事件属于偶发事件，一般会持续几个小时到几天。只有在太阳活动比较活跃，如日冕物质抛射或太阳耀斑时，才会有大量高能粒子发出。这些高能粒子以质子、电子和氦粒子为主，只有少量的重离子。太阳活动与银河宇宙射线成反相关，即当太阳活动增强时银河宇宙射线减弱[2]。银河宇宙射线和太阳粒子事件与月壤作用均可能发生反照辐射，产生的次级粒子是月球表面中子最主要的来源，因此中子剂量受银河宇宙射线和太阳质子事件的影响较大。反照中子的能量一般在1～20 MeV 之间，产生的反照中子会继续与土壤碰撞或衰变而损失能量，因此逸出月球表面的中子既可能有热中子又会有快中子。不同辐射环境反照中子对有效剂量贡献不同，当辐射环境主要是GCR 时，反照中子对有效剂量的贡献约为20%。SEP占主导时中子对有效剂量的贡献约为2%[3]。月球上有天然放射性核素：钍系、铀系、钾等，这些核素的衰变是月球上伽马射线的主要来源。月球粒子辐射环境的探测有利于人类进一步了解月球并探寻在月球建立基地的可能性。

1958年，人类踏上了探测月球的旅程，期望能够在月球上发现适合人类长期生存的条件。1969年，阿姆斯特朗登陆月球，这是人类第1次踏上月球，从此掀起了一股人类探索月球的热潮。1994年，“克莱门汀号”（Clementine）发射，此后月球探测进入第2波热潮。从1958年第1颗月球探测器发射到现在，人类已经发射了超过200颗月球探测器。但是，从近年发射的月球探测器载荷的数据分析来看，现阶段得到有效辐射探测数据的探测器较少。

第1次探月热潮中“勘探者”（Surveyor）系列探测器、“阿波罗”（Apollo）系列探测器虽然获取了月球辐射环境的数据，但是由于现阶段的太阳活动周期的变化以及月球环境的变化，这些数据已不再适用于现阶段的月球环境，需要对辐射数据进行更新。下面将对近年来国内外月球粒子辐射探测结果进行介绍。

1 国外月球粒子辐射探测现状

1.1 “克莱门汀号”（Clementine）

“克莱门汀号”在1994年2月19日进入月球轨道。其携带了“带电粒子望远镜”（Charged-Particle Telescope，CPT），对月球附近的高能质子以及电子的通量进行观测。

1994年2月21日，发生了大型太阳高能粒子事件，此时“克莱门汀号”距离地心382 320 km。“带电粒子望远镜”对此高度的质子的观测结果如图1所示[5]。在0700-0920UT 之间每个能段通量呈上升趋势，之后在0920-1000UT期间单位通量下降，但是在1000UT时通量数倍激增。此时航天器在磁尾，Baker认为这种通量激增现象可能是磁层边界运动以及磁层边界与月球相互作用造成的[5]。

图1 “带电粒子望远镜”在1994年2月21日0700UT-1100UT期间的观测数据[5]Fig.1 Detail of CPT data for the period 0700-1100UT on Feb 21，1994[5]

1.2 “月球勘探者号”（Lunar Prospector）

1998年，美国发射的“月球勘探者号”分别在月球极地轨道100、50 和30 km 的高度飞行获得了月球轨道上的中子和伽马射线探测结果，并利用这些结果寻找水和计算月球表面的铁元素丰度。

中子-伽马谱仪在30 km 的近月轨道对0.6～8 MeV的快中子能谱进行了观测。得到的快中子能谱信息如图2所示[6]。从探测结果来看快中子的通量集中在较低能段，0.6～4.5 MeV的快中子计数占总计数的95%，并在1.5 MeV附近中子能谱达到峰值。

图2 全月球低轨中子能谱的平均计数[6]Fig.2 Spectrum in counts，which is averaged for the whole Moon and the low-altitude data set[6]

由于中子和氢原子的相对质量相近，中子和氢原子发生弹性碰撞后会快速损失能量而变成热中子，因此如果月球某个区域氢含量较高，那么该区域中子的计数率将会发生异常，热中子的计数率增加而超热中子和快中子的计数率减小。根据“月球勘探者号”对中子计数率的分析可以发现，在南北两极热中子和超热中子计数率异常，含氢量明显增多，因此很有可能存在水冰。据估计南极水冰含量占1.50±8%，北极的水冰含量高于南极[7]。

“月球勘探者号”搭载的中子谱仪和伽马谱仪，在轨道高度平均30 km处对月球表面大部分地区的铁元素丰度进行测量，利用热中子俘获产生的7.6 MeV伽马射线峰值推导出铁的相对丰度，并根据计算结果对之前“克莱门汀号”的数据进行了校正。如图3所示，月海玄武岩区域是月球表面Fe丰度最高的地区，在18 wt%处Fe 的丰度达到峰值与“克莱门汀号”的结果类似。而如图4所示，艾特肯盆地Fe的丰度则比之前的估计小，平均Fe 的丰度为8～9 wt%，只有小部分区域Fe丰度可达到10 wt%，小于“克莱门汀号”估算的铁丰度。因而Lawrence 认为并不符合Lucey所提出的此处由低钾弗拉摩洛玄武岩（LKFM）和低钛玄武岩按1∶1的比例混合而成的假设[4,8]。

图3 在月海玄武岩地区“月球勘探者号”与“克莱门汀号”对铁丰度测量结果对比[8]Fig.3 Histograms of FeO abundances for nearside mare basalt regions[8]

图4 在艾特肯盆地“月球勘探者号”与“克莱门汀号”铁丰度的对比[8]Fig.4 Histograms of FeO abundances for SPA Basin[8]

1.3 “月船1号”（Chandrayaan-1）

“月船1号”是印度2008年发射的一个探测器，上面搭载的辐射剂量监测器（RADiation Monitor，RADOM）是一个小型的剂量谱仪，用来监测运行轨道的辐射环境，对剂量率和通量情况长期观测。辐射剂量监测器从“月船1号”发射2 h 后开始工作，记录了从地球轨道到月球轨道的辐射情况。

当“月船1号”距月表30 800～20 000 km时，辐射剂量监测器对1～10 MeV电子以及17.5～200 MeV质子观测。测得的平均剂量率为12.76 μGyh-1，平均通量为3.14 cm-2s-1[9]。随着探测器飞行高度变低，由于月球自身对辐射的屏蔽作用，剂量率和粒子通量都显著减小。检测结果如图5所示，当运行轨道高度在92～118 km时，剂量率和通量都随高度增加而增加，即在118 km附近取得最大值，在92 km附近取得最小值，此时粒子通量在1.8～3.0 cm-2s-1之间浮动[9]。

图5 月球轨道高度在92 ～118 km之间时RADOM的通量监测数据[9]Fig.5 Variations of the RADOM flux at lunar altitudes between 92 and 118 km[9]

在100 km的圆轨道（2008年11月22日—2009年5月18日）处RADOM 测量的平均剂量率为9.46 μGyh-1，之后随着探测器变轨到200 km 高度（2009年5月20日—2009年8月28日），RADOM 的平均剂量率为 10.7 μGyh-1[9]。通过 2008年11月22日—2009年8月28日的长期观测发现，RADOM探测到的剂量率和粒子通量呈增长趋势（见图6），这与地球上的奥卢中子监测仪的结果相符[9]。DACHEV认为这段时间剂量率和粒子通量的增长可能和太阳活动减少导致的GCR的增加有关[9]。

图6 2008年11月22日—2009年8月28日RADOM的剂量率、通量以及地球表面奥卢中子监测器的测量结果[9]Fig.6 The results of long-term observations of RADOM and Oulu Neutron monitor from 22/11/2008 to 28/08/2009[9]

在2009年3月15日，剂量率和粒子通量都出现异常的激增，此时“月船1号”处在地球弓激波内，通过分析发现这个异常这可能与2009年3月13日发生的磁暴有关[9-10]。

综上所述可知，月球轨道剂量率和粒子通量的变化与轨道高度、银河射线变化以及太阳活动有关。

1.4 “月球勘测轨道器”（Lunar Reconnaissance Orbiter）

2009年，美国发射了“月球勘测轨道器”，其搭载的“辐射效应宇宙射线望远镜”（Cosmic Ray Tele‐scope for the Effects of Radiation，CRaTER），从2009年6月—2010年5月，对月球轨道电离总剂量以及剂量率进行了估计。

“辐射效应宇宙射线望远镜”在3.3 mm的铝遮挡下运行，在前333 天，其探测到的电离总剂量只有12.2 Rads，比月球勘探轨道器任务预计的值低2 个量级（发射前预估值为4.6 kRads），这是由于当时正处于第24 个太阳活动周上升期，没有强烈的太阳高能粒子事件发生，银河宇宙射线占主导地位[12]。CRaTER还进行了剂量率的测量，得出月球轨道高度为50 km时剂量率为9.17～11.25 μGyh-1[11]。此外，通过对CRaTER的数据分析确定了月球上反照质子的存在，反照质子是初级银河宇宙射线撞击月球产生的，这是首次在月球上直接观测到反照质子。

“月球勘测轨道器”上搭载的“月球勘探中子探测器”（Lunar Exploration Neutron Detector，LEND）测量中子辐射并根据中子辐射数据进行了找水的工作。LEND对月球上大的永久性阴影区的超热中子通量观测，并和当地的中子背景辐射做比较，发现只有南极的舒梅克环形山、凯布斯陨石坑以及北极的罗兹德斯特温斯基陨坑有大量的氢聚集[15]。这些数据表明两极可能存在水冰，但是水冰的量并没有之前“月球勘探者号”测得的那么多。

1.5 小 结

通过上面的调研可知，近年来国外对月球粒子辐射环境的探测主要是对月轨辐射剂量以及能谱的测量。此外，通过月轨粒子辐射环境的测量数据反演间接估算月球表面的矿物质组成、水冰含量等信息。

近年来国外的航天器在不同高度的月球轨道获取了有效的辐射数据，比如电离总剂量、剂量率和通量等。但是这些航天器所观测的高度都是不低于50 km的月球轨道，没有直接在月球表面观测，从而缺少月表粒子实际测量数据。

“月球勘探者号”以及“月球勘测轨道器”均利用搭载的中子探测仪器的中子通量变化，对月球表面的水冰含量以及分布情况做了估测，结果差别较大。需要有更多探测数据进一步确定。

此外，“月球勘探者号”利用中子谱仪以及伽马谱仪的测量数据计算了月球两极演示中氧化铁的含量，并与“克莱门汀号”光谱仪反映的月球表面含铁量进行了对比分析。两者在艾特肯盆地的含铁量差别较大。

2 国内月球粒子辐射探测现状

我国对月球粒子辐射环境的探测较少，到目前为止，已发射的搭载粒子载荷的月球航天器有“嫦娥1号”“嫦娥2号”。此外，在2018年12月8日成功发射得“嫦娥4号”搭载的空间粒子探测器—月表中子与辐射剂量探测仪，对月球表面粒子辐射环境进行观测。

2.1 “嫦娥1号”“嫦娥2号”

“嫦娥1号”在2007年10月24日发射，其搭载的高能粒子探测器观测了月球轨道高度200km处的高能粒子。该仪器的观测表明，在此高度附近4～400MeV高能质子通量约为0.0031(cm2∙sr∙s∙MeV)-1，13～105MeV的He通量约为7.45×10-4(cm2∙sr∙s∙MeV)-1，117～590MeV的C通量约为1.11×10-5(cm2∙sr∙s∙MeV)-1，0.1～2MeV电子通量约为41.0(cm2∙sr∙s∙MeV)-1，＞2MeV电子通量约为6.8(cm2∙sr∙s∙MeV)-1[13]。

“嫦娥2号”与“嫦娥1号”的高能粒子探测器有相似的技术指标以及探测原理，但是“嫦娥2号”的探测地点在月球轨道100km附近。根据两台仪器对高能电子的观测数据，王馨悦等认为月球附近高能电子的急剧增加可造成月球向阳侧表面电位大幅下降[14]。

2.2 “嫦娥4号”

“嫦娥4号”在位于月球背面的艾特肯盆地着陆。“嫦娥4号”上搭载的中德合作的月表中子与辐射剂量探测仪将测量月球表面的辐射剂量率、通量等数据，此外还增加了对于月球表面快中子能谱的测量。月球表面中子谱可为研究月球表面形成过程提供重要的信息。

月表中子与辐射剂量探测仪有4个科学目标：①载人登月辐射剂量的测量；②月球南极艾特肯盆地水含量的测量；③艾特肯盆地FeO含量的测量；④为日球层科学研究提供依据。其中，辐射剂量的测量为主要目标。下面将对各个科学目标的必要性进行简单说明。

载人登月辐射剂量的测量：现阶段月球表面粒子辐射环境的估计是基于辐射模型的计算，通过宇宙线能谱和太阳宇宙线事件作为模型输入参数，还没有一个真实的测量值。常用的银河宇宙射线模型为CREME96、ISO-15390以及Nymmik。这3种模型对地球磁场外银河宇宙射线中质子能谱的预测如图7所示，alpha粒子能谱预测如图8所示。从图7～8所示的3种模型的估算谱可以看出：有模型估计之间存在差别，无法为载人登月提供一个准确的风险评估月球表面辐射环境的真实测量值为将来的载人登月提供更加准确可靠的风险评估值。

图7 CREME96、ISO-15390以及Nymmik 3种银河宇宙线模型的质子估算谱对比[17-19]Fig.7 Comparison of proton estimation spectra of three galactic cosmic ray models[17-19]

图8 CREME96、ISO-15390以及Nymmik 3种银河宇宙线模型的alpha估算谱对比[17-19]Fig.8 Comparison of alpha estimation spectra of three galactic cosmic ray models[17-19]

月球南极艾特肯盆地水含量的测量：水是人类生存所必需的，如果人类想长期在月球上生存，在月球上寻找水并确定水含量是一件非常重要的事情。艾特肯盆地位于月球的背面，很可能有水冰存在，因此可通过LND热中子计数率的变化判断艾特肯盆地中的水的存在及其含量。

艾特肯盆地FeO含量的测量：艾特肯盆地是月球上最大的盆地，这里形成盆地的冲击很可能使得地壳甚至地幔裸露，因此通过对该盆地元素的测量可以获取地幔物质材料信息。

为日球层科学研究提供依据：因为月球没有磁场，能够直接探测到来自太阳的粒子信息。确定在月球背面粒子通量和它们随时间的变化对于理解粒子在日球层的加速和传输很有用。当太阳粒子事件发生时，LND 作为一个重要的探测点，在估算太阳粒子事件发生时间的时候有更多的参考数据。虽然太阳粒子事件的能谱比宇宙线的软，但依然是登月或月球轨道上航天员的危险因素。

为了实现这4个科学目标，LND的技术指标如下表1所示。

表1 LND技术指标Table 1 The technical indicators

3 总结与展望

本文对近年来国内外已发射的月球探测装置观测到的月球附近辐射环境结果进行了介绍，并简单介绍了我国发射的“嫦娥4号”搭载的LND载荷的科学目标以及实现这些目标所需要的技术指标。已发射航天器的辐射环境探测内容如下所示。

1）“克莱门汀号”观测了一次大的太阳高能粒子事件中月球轨道附近质子通量的变化。

2）“月球勘探者号”对近月球轨道以及远月球轨道的中子能谱进行了推测，并利用中子计数率变化进行了水冰含量测量；利用中子伽马谱仪数据反演出月海玄武岩地区以及艾特肯盆地等地FeO 含量分布情况。

3）“月船1号”对100 km、200 km 等轨道高度剂量率和通量进行了探测。

4）“月球勘测轨道器”观测了CRaTER运行的前333 天电离总剂量以及轨道高度50 km 处剂量率；LEND 在月球南北两极的某些区域发现大量氢的存在。

5）“嫦娥1号”“嫦娥2号”探测器分别对轨道高度200 km和100 km 的高能质子、电子以及氦和碳的通量进行了观测。

上述几个航天器全部运行在绕月轨道，而不是在月表进行测量，目前国际上没有在月表的粒子辐射测量有效数据，所有月表粒子辐射数据均为模型仿真结果，不同仿真模型间的结果相差较大。

“嫦娥4号”在月球表面登陆，对月表粒子辐射进行直接测量，所得的测量数据可以对仿真模型校验和修正。此外，不同航天器搭载的载荷对月球表面水冰含量的估计差别较大，“嫦娥4号”将继续进行月球表面水含量的探索。“嫦娥4号”可以通过对艾特肯盆地FeO的测量，验证“克莱门汀号”与“月球勘探者号”不同假设的正确性。

“嫦娥4号”LND 获得月表粒子辐射剂量、中子辐射等数据，将为科学发现奠定基础，也为我国将来的开发和利用月球提供重要的前期数据支持。此次任务中涉及到的中子探测的部分，是继“实践10号”空间中子剂量初步测量之后对空间中子能谱的再次探测。此后会在中国空间站以及其它任务中加入空间中子探测的载荷，为载人航天提供更精确可靠的参考数据。