γ射線譜儀：獲取全月表元素含量與分布

由于各種物質受激發發出的X/γ射線不同，嫦娥一號衛星通過X/γ射線譜儀，分析月球表面的礦物組成和巖石類型，評估其鐵、鈦等14種元素含量和物質類型分布特點，初步了解月球的構成和資源。

為什么一項任務要用兩個設備來共同完成呢？γ射線譜儀分系統主任設計師常進向《科學時報》記者解釋道：“兩個設備的探測能量范圍不同，γ射線譜儀的能段是300keV～9MeV，而X射線譜儀的能段是1～60keV。能段一高一低，起到互補的作用。”

紫金山天文臺承制的γ射線譜儀是嫦娥一號的主要有效載荷之一，其科學使命是獲取全月表有用元素的豐度與分布，進而分析各元素和物質類型的富集區域和分布特點等。

常進介紹，月球表面一些元素（如釷、鈾）本身就有放射性，發出γ射線；另外一些元素（如硅、鎂、鋁）在宇宙線轟擊下會發出γ射線。不同元素發出γ射線的能量有所不同，或者說各種元素都具有特征能量γ射線。

常進說：“如果γ射線譜儀探測到某一元素的特征能量γ射線，就可以證明這種元素的存在。而這種特征能量的γ射線出現的幾率越高，該元素的相對含量也越高。通過統計特征能量的γ射線出現的幾率，就可以探測元素的相對含量。利用這種方法，就可以探測到月球上的一些主要元素，如氧、硅、鎂、鋁、鈣、鐵、鈦、鈉、錳、鉻、鉀、釷、鈾及稀土元素等的含量與分布特征。”

常進進一步指出，根據探測的結果，可以繪制各元素的全月球分布圖，發現月球表面資源富集區，鑒別新的巖石類型，為月球的開發利用提供有關的資源分布數據，以及對月球地質歷史進行深入研究。

γ射線譜儀是如何工作的？

“γ射線譜儀由探測晶體、信號采集和放大電路、指令控制和數據傳輸電路等主要部分組成。其中主探測器和包裹在外的反符合探測器均為大尺寸的碘化銫晶體。來自月球方向的γ射線進入探測器主晶體，產生熒光，經過多次反射后進入光電倍增管轉化為電信號。同樣道理，來自其他方向，包括衛星材料被高能粒子激發所產生的熒光，也將會被反符合晶體接收并被經過電子學線路處理和剔除。這樣，γ射線譜儀就得到純粹來自月球表面物質的γ射線信息。此外，指令控制和數據傳輸電路將按照地面指令對設備工作狀態施行控制，并將采集到的數據通過衛星數據傳輸系統發回地面。”常進介紹。

據了解，在衛星環繞月球飛行約一年的工作期間，γ射線譜儀將反復飛經月球各個區域，將飛經每一個區域的探測數據累加和處理，就可以得到該區域內不同元素含量的準確信息。

同樣作為探月有效載荷，我國的γ射線譜儀有著自己的特點。“我們的γ射線譜儀跟當年美國月球勘探者（1998年）比較，通俗地講，探測器有效面積大，能量分辨本領高，靈敏度高。跟日本月亮女神的γ射線譜儀相比較，雖然它們的能量分辨比我們高很多，但探測器體積較小，有效面積只有我們的1/10，因此，在幾個兆電子伏以上的高能波段探測方面，我們稍占優勢。

兩個儀器的側重點不同，月亮女神主要研究是否有水，我國的則主要研究全月面元素分布。從γ射線譜儀的工作原理上講，累計有效探測時間越長，效果就越好。”

月球探測用的γ射線譜儀可以在地球上用么？常進的回答是肯定的：“與月球探測類似，空間探測用的γ射線譜儀完全可以應用到地球資源探查和環境監測上。”

據介紹，從上個世紀60年代開始，世界上的一些大公司已經使用γ射線譜儀來尋找鈾礦。美國、歐洲都采用γ射線譜儀進行了全國掃描，以得到鈾資源在全國的分布。

20世紀80年代開始，隨著技術的進步，γ射線譜儀不僅可以探測鈾資源，還可以區分巖石類型，尋找其他礦產資源。其原理與月球探測一樣，由于γ射線無法穿過大氣進入空間，所以必須采用飛機或地面車輛進行觀測。加拿大就采用該方法，發現了許多鈾礦和金屬礦。

γ射線譜儀還可以監測環境。人類的活動（如開礦、城市建設等）可以改變當地的輻射環境，對該地區的將來影響很大，有的經濟活動可以完全改變當地的環境，造成災難性的后果。另外，核電站周圍的環境，也必須用γ射線譜儀進行監測。