月球伽瑪能譜數(shù)據(jù)處理試驗研究.pdf

1、研究月表物質(zhì)成分及分布特征，能夠為月球地質(zhì)解譯提供依據(jù)，有助于進一步理解月球的形成及演化過程。月表物質(zhì)與宇宙射線的相互作用，以及月表天然放射性元素的衰變都會產(chǎn)生伽瑪射線。由于月球大氣層稀薄，伽瑪射線譜儀能夠從環(huán)月軌道上探測到月表發(fā)出的伽瑪射線。根據(jù)所觀測到的伽瑪射線的能量和照射量率，能夠推定月表元素的種類和豐度。
　　 嫦娥一號(CE1)衛(wèi)星是中國發(fā)射的首顆探月衛(wèi)星。嫦娥一號伽瑪射線譜儀(CE1-GRS)是CE1 衛(wèi)星搭載的主要

2、載荷之一，該譜儀的探測任務(wù)是從200 公里的環(huán)月軌道上對月表進行為期一年的有效探測，以此獲取月表物質(zhì)類型和資源分布特征。CE1 衛(wèi)星按極地軌道繞月飛行，CE1-GRS 被安放在衛(wèi)星體內(nèi)，尺寸為Φ 118×78mm的CsI(Tl)主晶體位于儀器中央，周圍是實現(xiàn)反符合功能的CsI(Tl)晶體。雖然能夠借鑒國外開展環(huán)月軌道伽瑪射線能譜數(shù)據(jù)處理的研究方法，但不同的月球軌道伽瑪射線測量實驗所采用的探測器類型、伽瑪譜儀的結(jié)構(gòu)、性能，以及測量條件、參

3、數(shù)等方面迥異，從而使獲取的月球伽瑪能譜特征也存在差異。本文利用CE1-GRS 獲取的月球伽瑪能譜的3級和2C級數(shù)據(jù)，開展了CE1-GRS 數(shù)據(jù)處理的相關(guān)技術(shù)方法研究和月表元素含量反演與填圖的試驗研究；初步完成了月表天然放射性元素U、Th、K的含量填圖。得出的主要結(jié)論如下：
　　 ⑴針對CE1-GRS的3級數(shù)據(jù)難以從譜形特征直接進行定性分析的問題，提出了基于奇異值分解的譜線定性分析方法對CE1-GRS 譜線進行定性分析。分析結(jié)果表

4、明，該方法能夠識別出U、Th、K、Fe、Ti、Si、O、Al、Mg和Ca等10種元素。
　　 ⑵針對各5o×5o月表區(qū)域平均伽瑪譜線存在高本底弱特征峰的問題，提出采用基于迭代思想的本底估計方法對散射本底進行估計。結(jié)果表明，該方法能夠近似估計出譜線中的散射本底數(shù)據(jù)，從本底扣除后的譜線中能夠有效地提取出弱峰信息，有利于對譜線進行定性定量分析。
　　 ⑶針對各5o×5o月表區(qū)域平均伽瑪譜線中，統(tǒng)計漲落現(xiàn)象仍然明顯的問題，提出了

5、將航空伽瑪能譜數(shù)據(jù)降噪處理的噪聲調(diào)整的奇異值分解(NASVD)方法用于對月球伽瑪能譜數(shù)據(jù)集進行降噪處理，實驗結(jié)果表明，其降噪效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的譜線降噪方法，從而提高了求解元素特征峰面積計數(shù)的精度。
　　 ⑷提出了CE1-GRS的2C級數(shù)據(jù)處理的流程與方法，采用月表天然放射性元素(U、Th、K)含量反演模型，獲得了月表天然放射性元素的全月含量分布圖。
　　 對CE1-GRS 第一正飛期2C級譜線數(shù)據(jù)進行了數(shù)據(jù)篩選、宇宙射線

6、校正、能譜累計、能譜降噪處理、本底估計及扣除。在散射本底扣除后的譜線中，能夠識別出U、Th、K、Fe、Mg、Si、Al和O八種元素。采用能窗峰面積求和法、高斯擬合峰面積求和法，提取出了Th、K 元素的特征峰面積計數(shù)。
　　 由于CE1-GRS的能量分辨率不夠高，在伽瑪譜線中，U的0.609MeV 伽瑪射線、Th的0.583MeV 伽瑪射線以及由電子對效應(yīng)產(chǎn)生的0.511MeV 伽瑪射線的計數(shù)貢獻構(gòu)成了一個重峰。為了求解U 元素的

7、0.609MeV 伽瑪射線計數(shù)值，采用“相對定標本底扣除法”近似估計出包括湮沒輻射峰0.511MeV 在內(nèi)的本底計數(shù)貢獻，通過Th的2.615MeV 與0.583MeV的衰變比例確定出0.583MeV 伽瑪射線的計數(shù)貢獻，從而計算出了重峰區(qū)中U的0.609MeV 特征伽瑪射線計數(shù)值。
　　 利用月表天然放射性元素含量反演模型獲取U、Th、K 元素含量，繪制出這三種元素的全月含量分布圖，并對元素含量反演結(jié)果的不確定性進行了初步分析