此为《向“火”问水》系列的首篇推送，推送内容关于在火星上寻找水所涉及到的一些探测原理和基本概念。即将呈现的是好奇号在火星上探测水的一个重要探测方法，在接下来的系列推送中我们还将对本文提到的物理概念进行更通俗详细的介绍，敬请期待。
进入新世纪以来，人类先后发射各种火星探测器，包括环绕火星的轨道器，着陆器，火星车。运用了雷达探测、光谱分析、质谱分析和中子分析等多方面探测手段，发现了水成矿物，水蒸气等系列证据，证明火星表面曾经有过大规模的水体活动，暗示火星曾经有过适宜生命繁衍的环境特征，并可能发育过生命。
美国国家宇航局研制的一台探测火星任务的火星车——好奇号，于2011年11月发射，2012年8月成功登陆火星表面。在火星车上搭载了俄罗斯提供的中子反照率动态探测器（Dynamic Albedo of Neutrons tool，简写DAN），它的特殊之处在于，将这种曾广泛在地球上使用的寻找水的方法（更准确的说法是寻找氢）首次用在了地球外的天体上[1]。中子反照率动态探测器是探测车上唯一能提供地下水浓度及其在探测车下方大量风化层内垂直分布信息的仪器[2]。
01
探测器功能
中子反照率动态探测器可以通过探测从地下释放的中子能量的变化，用于确定火星土壤中含氢化合物在一米深的丰度和深度分布，比如吸附水、水合矿物。
表1.中子反照率动态探测器参数
图1.好奇号火星车|来源NASA
图2. 中子反照率动态探测器探测示意图|来源NASA
02
探测器结构
其结构包括三个主要构成部分，脉冲中子发生器（Pulsing Neutron Generator，简写PNG），中子探测器和仪器操作与数据处理的中心电子单元。
脉冲中子发生器（PNG）：通过反应
3H 2H→4He n 17.6MeV
以10Hz的频率发射14.1MeV的中子脉冲，每个脉冲持续时间为1-2微秒。图3显示的是脉冲发生器发出的脉冲形状，发射中子数随时间的变化。
图3.脉冲发生器发出的脉冲形状| 参考文献[3]
两个He-3管中子探测器，工作气压为3个大气压，区别在于外壳是否含镉（厚度1.0mm）。不带镉屏蔽的为热中子计数器(Thermal Neutron Counter，简写CTN)，带镉屏蔽的为超热中子计数器(Epithermal Neutron Counter，简写CETN)。镉屏蔽层能够阻挡能量小于0.4eV的热中子。
热中子计数器由铅屏蔽层包围，保护它不受在中子脉冲期间从PNG发射的轫致辐射产生的X射线的影响而过载。两个探测器具有相同测量能量限制（探测不到1eV的中子）。DAN仪器可以在火星车行驶期间和静止期间进行测量，在后一种情况下，根据所需的精度，其测量持续时间在2到30分钟之间。
此外探测器的每个屏蔽层上都有一个孔，方便接入高压供电电缆。但是少量的热中子可以通过这些孔传播，并在超热中子计数器中产生额外的热中子计数。热中子计数器，超热中子计数器电子单元和电子板上附着高压绝缘化合物，然后周围再包裹铝合金外壳。
图4.用来做数值模拟的DAN探测器部分的横截面示意图|参考文献[2]
03
探测原理
从探测原理角度看，可分为两种模式，主动探测和被动探测，主要区别就是中子来源不同。对于被动探测,中子由银河宇宙射线(Galactic cosmic rays，简称GCR)通过与大气和风化层的组分相互作用而分裂出的中子和火星科学实验室（The Mars Science Laboratory，简写MSL）多任务放射性同位素热电发生器(Multi Mission Radio-isotope Thermoelectric Generator，简写 MMRTG) 通过238Pu的衰变产生的中子组成。而对于主动探测，中子由脉冲中子发生器产生。
中子进入到风化层与风化层的成分相互作用（非弹性和弹性散射），进行慢化。大量的热中子、超热中子和快中子都有机会从表层下逸出并被探测到。这些中子的能谱直接取决于地下氢的含量。在含有大量氢的风化层的情况下，注入的中子速度减慢得更快，被探测到的大部分中子被减速到热中子。相反，在含有少量氢的风化层中，探测到的中子的主要部分都有超热中子。因此，对热中子和超热中子的单独测量可以确定风化层中的氢浓度。
这里有一个比较形象的描述，如图5。图5a展示了不含氢的情况，中子在土壤中来回散射，返回地面得到中子通量随时间变化曲线。图5b中由于遇到了氢，在散射中损失了更多能量，回到地面的速度就下降很多，到达探测器时间就更长，波形开始向右侧移动。通过测量反射中子的速率和延迟时间，从而可以生成有关氢的量和深度的信息。
图5a.DAN探测器探测不含氢的土壤示意图|来源en.wikipedia.org
图5b.DAN探测器探测含氢的土壤示意图|来源en.wikipedia.org
数值模拟结果表明，该方法对测定火星浅层地下水的水含量具有很高的灵敏度。图6a为不同含水量土壤中脉冲中子发生器诱发的中子衰减曲线。图6b显示同一水含量在不同深度处的时间衰减曲线。因此不同含水量不同深度都对时间衰减曲线有所响应。
图6a.主动探测在不同水含量下计算的热中子衰减曲线|参考文献[5]
图6b.主动探测在不同深度下计算的热中子衰减曲线|参考文献[5]
Q
&
A
为什么说中子在遇到氢之后能量损失的更多？
当中子和原子核的质量接近时，散射中子的慢化是最有效的。在中子与大质量原子核碰撞的情况下，能量转移的效率会降低。由于中子的质量几乎 (区别是约0.14%)与氢原子核(质子)相等, 少量氢元素存在的风化层会使中子慢化更有效。
探测到了氢和探测到了水有什么关系？
DAN不能根据检测到的氢来区分不同的宿主分子，但是为了方便起见，所有的氢丰度都是以水当量氢(WEH)的形式提供的，即所有的氢都结合在水里时所存在的水的量[4]。
盖尔火山口(着陆点)地下最有可能的氢是水合矿物。这些含有水分子或羟基离子的矿物结合到矿物晶体结构中。在所有的自由水都消失了之后，它们可以顽强地从潮湿的过去中保留水[6]。
若想拿到更多存在水的证据，还有其他手段，例如好奇号本身还携带着样本分析器，将土壤加热到835℃高温，检测分解后的物质。结果表明，加热一立方英尺的火星土壤，可以收获大约一升的水[7]。
除了氢其他元素是否也会对探测造成一定影响？
在扩散到风化层的过程中，一些中子也可能被具有较大吸收截面的原子核吸收。在火星的风化层中，氯和铁被认为是具有大中子相互作用截面的主核。对于较慢的中子，这种吸收效应更强，并且可以通过热中子和超热中子探测器分别观测到[2]。
表2.用来模拟的火星大气和风化层的成分|参考文献[2]
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参考文献：
[1].https://de.wikipedia.org/wiki/Mars_Science_Laboratory#Dynamic_Albedo_of_Neutrons_(DAN)
[2].J. Köhler, C. Zeitlin, B. Ehresmann, R. F. Wimmer‐Schweingruber, D. M. Hassler, G. Reitz, D. E. Brinza, G.Weigle, J. Appel, S. Böttcher, E. Böhm, S. Burmeister, J. Guo, C. Martin, A. Posner, S. Rafkin, O. Kortmann. Measurements of the neutron spectrum on the Martian surface with MSL/RAD[J]. Journal of Geophysical Research: Planets,2014,119(3).
[3].A. B. Sanin, I.G. Mitrofanov, M. L. Litvak, D. I. Lisov, R. Starr, W. Boynton, A. Behar, L. DeFlores, F. Fedosov, D. Golovin, C. Hardgrove, K. Harshman, I. Jun, A.S. Kozyrev, R.O. Kuzmin, A. Malakhov, R. Milliken, M. Mischna, J. Moersch, M.I. Mokrousov, S. Nikiforov, V.N. Shvetsov, C. Tate, V.I. Tret’yakov, A. Vostrukhin. Data processing of the active neutron experiment DAN for a Martian regolithinvestigation[J]. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A,2015,789.
[4].https://www.lpi.usra.edu/meetings/lpsc2005/pdf/1635.pdf
[5].https://www.hou.usra.edu/meetings/lpsc2017/pdf/2561.pdf
[6].https://mars.nasa.gov/resources/4506/curiosity-blasts-ground-with-neutrons/?site=msl
[7].Anthony, Sebastian. Mars soil contains a huge amount of water, reports NASA's Curiosity rover[J]. ExtremeTech.com,2013.
其他来源：
[1].https://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_Albedo_of_Neutrons
[2].https://mars.nasa.gov/msl/spacecraft/instruments/dan/
撰文：两点
审核：小高
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