一、引言

嫦娥四号任务是中国月球探测计划的重要里程碑，实现了人类首次在月球背面软着陆，并展开了月面巡视和中继通信。本文所描述的嫦娥四号着陆器上的中子与剂量测定实验（Lunar Lander Neutrons and Dosimetry Experiment, LND）是嫦娥四号科学载荷的重要组成部分，旨在获得月球表面的首批主动剂量测量数据，并观测月球表面的快中子和热中子。这些测量对于了解月球表面的辐射环境、为未来载人登月任务提供关键数据具有重要意义。

二、科学目标

LND实验的主要科学目标包括两个方面：

1. 月球载人探索的剂量学测量：LND实验将测量月球表面复杂辐射场中的剂量率时间序列和线性能量转移（LET）谱。辐射是长期载人航天飞行的主要风险之一，LND的测量结果将为载人月球任务的剂量评估提供重要数据。此外，LND还将测量中性粒子（中子和γ射线）对辐射剂量的贡献，这对于辐射防护尤为重要。同时，测量月球表面的中子谱也有助于理解月球表面的混合过程。

2. 日球物理科学研究：LND实验将测定月球远侧面的粒子通量及其时间变化。这些数据将有助于理解粒子在日球中的传播和输运过程，特别是通过测量粒子事件的起始时间和高能粒子通量的变化。这一领域是日球物理研究的活跃领域，LND的数据将为该领域的研究提供新的视角和数据支持。

此外，LND实验还具有技术演示目标，即展示基于钆（Gd）的热中子探测技术在空间探测任务中的技术成熟度。热中子和超热中子对月球浅层地下水的敏感探测能力，使其成为行星探测中的重要工具。然而，该技术此前在空间探测中尚未得到应用，LND的实验结果将为该技术在空间探测中的应用提供重要参考。

三、仪器描述

图1：展示了LND实验装置的实物照片，包括传感器头（SH）和电子盒（EB）以及连接两者的电源和数据线束。该图片直观地展示了LND实验装置的整体结构，包括其主要组成部分：传感器头（负责粒子探测）和电子盒（负责数据处理和存储）。这种设计确保了探测器能够在月球极端环境下稳定运行，并有效传输数据。

图2：图片以功能框图的形式展示了LND实验装置的内部结构和工作流程。包括传感器头内的探测器、前置放大器、整形器和模数转换器（ADC），以及电子盒内的模拟FPGA、数字FPGA、低压电源（LVPS）等关键组件。

图3：LND传感器头在嫦娥四号着陆器载荷舱内的示意图。图片展示了LND传感器头在嫦娥四号着陆器载荷舱内的安装位置和倾斜角度（约13度）。同时，还标出了载荷舱顶部窗口的尺寸和传感器头的覆盖材料（多层隔热材料MLI）。该图片说明了LND传感器头在着陆器内的具体安装情况，倾斜角度的设计避免了着陆器结构的遮挡，确保了无遮挡的视场。多层隔热材料的应用则有助于保持传感器头在月球极端温度环境下的稳定工作。

LND实验装置安装在嫦娥四号着陆器的-Y载荷舱内，由传感器头（SH）和电子盒（EB）组成（见图1）。传感器头位于着陆器上部甲板的支架上，通过可重新关闭的开口实现无遮挡的视场。LND的视场指向着陆器甲板法线方向约13度，以避免被着陆器结构遮挡。传感器头内的信号经过预放大、整形和模数转换后，通过串行外设接口（SPI）传输到电子盒进行进一步分析和存储。

LND的传感器头由十个500微米厚的硅固态探测器（SSD）组成，形成带电粒子望远镜配置（见图4）。这些探测器被分为内段和外段，以检测带电粒子的能量沉积和组成。LND还采用了一种创新的几何排列和转换箔组合，以测量电中性成分——中子和γ射线。这些中性粒子对辐射剂量的贡献不可忽视，特别是在生物辐射环境中。

图4：LND望远镜示意图。图片以示意图的形式展示了LND望远镜的内部结构，包括十个分段的硅固态探测器（SSD）A-J的排列方式和几何关系。探测器被分为内段和外段，以检测带电粒子的能量沉积和组成。该图片清晰地展示了LND望远镜的探测器排列方式和几何关系，这是理解LND如何测量带电粒子能量沉积和组成的基础。通过分段设计，LND能够更精确地测量不同种类的带电粒子。

LND的热中子探测能力是其技术演示目标的关键。LND在E&F和G&H探测器之间夹入了非常薄的钆箔（约20微米），利用钆对热中子的大截面捕获能力来检测热中子。钆捕获热中子后，会发射转换电子或γ射线，这些信号被相邻的探测器捕获并记录下来。此外，LND还采用了铝钆铝夹层结构来屏蔽来自土壤的热中子，以区分来自月球土壤下方的热中子。

图5：LND探测器布局图。图片详细展示了LND探测器各段的敏感面积和具体尺寸。探测器被分为内段（标为“1”）和外段（标为“2”），并给出了每段的精确尺寸。该图片提供了LND探测器各段的精确尺寸信息，这是进行数据校准和分析的重要参考。精确的尺寸信息有助于更准确地计算粒子的能量沉积和路径长度，从而提高数据分析的准确性。

图6：LND对γ射线的响应函数。图片展示了LND对不同能量γ射线的响应函数，包括光电效应、康普顿散射和光核反应等过程。图中还标出了不同相互作用过程对应的能量沉积范围。通过了解LND对γ射线的响应函数，可以更准确地分析中性粒子谱中的γ射线成分，进而评估其对辐射剂量的贡献。

图7：LND对中子的响应函数。图片展示了LND对不同能量中子的响应函数，包括最大能量转移和等离子体效应对能量沉积的影响。图中还标出了不同能量中子的能量沉积范围。该图片提供了LND对中子的探测能力和响应特性的详细信息。通过了解LND对中子的响应函数，可以更准确地分析中性粒子谱中的中子成分，进而评估其对辐射剂量的贡献和月球浅层地下水含量的指示作用。

图8：LND热中子探测概念图​​​​。 图8展示了LND（Lunar Lander Neutrons and Dosimetry Experiment）实验装置中用于探测热中子的特殊设计。该设计包括两对探测器（E&F和G&H），它们之间夹入了非常薄的钆（Gd）箔。同时，为了屏蔽来自土壤和下方的热中子，还使用了铝（Al）包裹的较厚钆箔。​​​​​​​ 这张概念图清晰地揭示了LND实验装置中热中子探测器的独特设计。利用钆对热中子极高的捕获截面，LND能够通过测量热中子与钆箔反应产生的转换电子来间接探测热中子。这种设计不仅提高了热中子的探测效率，还通过特殊的屏蔽结构减少了背景噪声，使得LND能够更准确地测量月球表面的热中子通量。这对于理解月球浅层地质结构和潜在的水资源分布具有重要意义。

图9：模拟的中子能量沉积谱。​​​​​​​ 图9展示了通过模拟计算得到的在C1探测器中反符合条件下测量的中子能量沉积谱。图中标出了不同能量中子的能量沉积范围，并指出了等离子体效应对能量沉积的影响。​​​​​​​ 这张模拟谱图展示了LND实验装置中C1探测器对中子能量沉积的探测能力。通过模拟计算，研究人员能够预测C1探测器在不同能量中子作用下的响应特性，这对于后续的数据分析和校准至关重要。等离子体效应对能量沉积的影响也在图中得到了体现，这有助于更准确地解释实验数据并评估探测器的性能。

四、数据处理与数据产品

LND的数据处理流程包括三级触发逻辑（L1、L2、L3），分别在模拟FPGA和数字FPGA中实现（见图10）。L1触发检查哪些探测器通道的能量沉积超过了触发阈值，L2触发进一步分类事件并更新相应的计数器，L3触发则根据L2触发的结果进行更详细的分类和计数。LND的主要数据产品包括1分钟、10分钟和1小时时间分辨率的数据集，涵盖了剂量率、LET谱、带电粒子谱、中性粒子能量沉积谱以及热中子计数率等多种测量数据。

图10：LND触发逻辑图。​​​​​​​ 图10以流程图的形式展示了LND实验装置内部的触发逻辑。从L1触发到L3触发，每一步都详细说明了触发条件和数据处理流程。 这张触发逻辑图清晰地描绘了LND实验装置内部复杂的触发和数据处理机制。通过多级触发逻辑，LND能够高效地筛选出有效的粒子事件并进行详细的数据记录和分析。这种设计确保了LND能够在高辐射环境下稳定运行并生成高质量的科学数据。

图11：“Xmas Plot”示意图。 图11展示了LND实验装置的主数据产品——“Xmas Plot”的示意图。该图以矩阵形式展示了LND测量的各种粒子类型和能量范围的数据，包括中性粒子、带电粒子、电子等。“Xmas Plot”是LND实验装置的核心数据产品之一，它以直观的图形方式展示了探测器测量的各种粒子信息。这种数据展示方式不仅便于研究人员快速了解探测器的工作状态和测量结果，还为后续的数据分析和科学研究提供了丰富的数据源。通过对“Xmas Plot”的深入分析，研究人员能够揭示月球表面的辐射环境特征并评估其对未来月球任务的影响。

LND的主要数据产品之一是“Xmas plot”（见图11），它包含了LND测量的所有粒子信息。Xmas plot实际上是一个图像化的累加器内存表示，每个像素点代表一个计数器，根据粒子触发条件进行更新。Xmas plot被分为多个区域，每个区域包含不同类型粒子的信息。通过解析Xmas plot，可以获得包括剂量率、LET谱、带电粒子谱、电子谱以及热中子谱等在内的多种数据产品。

图12：热中子测量谱。​​​​​​​ 图12展示了在地面测试期间使用LND飞行备用单元测量的热中子谱。图中标出了不同能量沉积范围下的计数率以及由钆箔反应产生的特征X射线和转换电子峰。这张热中子测量谱图验证了LND实验装置中热中子探测器的性能。通过地面测试数据与实际测量结果的对比，研究人员能够评估探测器的灵敏度和准确性，并对后续的数据校准和分析提供参考。特征X射线和转换电子峰的出现也进一步证明了钆箔在热中子探测中的关键作用。

图13：TID和LET谱示例。图13展示了LND实验装置在地面测试期间测量的TID（总电离剂量）和LET（线性能量转移）谱示例。TID谱图展示了探测器在不同能量沉积范围下的计数率分布；LET谱图则展示了粒子线性能量转移的分布情况。 TID和LET谱图是评估辐射剂量和辐射环境特征的重要指标。通过测量TID和LET谱图，研究人员能够了解探测器在不同辐射条件下的响应特性并评估其对未来月球任务中人员和设备的影响。图13中的示例数据为后续的数据分析和科学研究提供了重要的参考依据。

图14：电子穿透深度图。图14展示了不同能量电子在LND探测器中的穿透深度模拟结果。左图显示了电子在探测器各层中的穿透深度分布；右图则展示了电子能量沉积与初级能量之间的关系以及不同数据产品对应的能量范围。 电子穿透深度图是理解LND探测器对电子测量能力的重要依据。通过模拟计算不同能量电子在探测器中的穿透深度分布和能量沉积情况，研究人员能够评估探测器对电子的探测效率和准确性，并为后续的数据分析和校准提供参考。同时，不同数据产品对应的能量范围也为研究人员在实际应用中提供了重要的指导信息。

五、科学数据分析

1. 剂量率与LET谱分析：LND实验通过测量探测器B中的能量沉积来积累TID（总电离剂量）谱，进而计算TID值。TID是衡量辐射剂量累积效应的重要指标，对于载人航天任务的安全评估至关重要。LET谱的测量则提供了辐射质量因子的关键信息，对于评估辐射的生物效应具有重要意义。

2. 带电粒子谱分析：LND通过测量不同探测器组合中的能量沉积来鉴别带电粒子的种类和能量。这些测量数据对于理解月球表面辐射场的组成和特性具有重要意义。通过对比不同探测器组合中的能量沉积谱，可以区分不同种类的带电粒子，包括质子、氦核、重离子等。

3. 中性粒子谱分析：LND通过测量C1探测器中的能量沉积来检测中子和γ射线。由于中子和γ射线在探测器中的相互作用特性不同，因此可以通过分析能量沉积谱来区分中子和γ射线。LND的热中子探测能力则通过测量E、F、G、H探测器中的转换电子或γ射线信号来实现。这些测量数据对于了解月球表面的中子环境和浅层地下水含量具有重要意义。

4. 热中子探测技术演示：LND实验通过夹入钆箔的探测器组合来检测热中子，展示了基于钆的热中子探测技术在空间探测任务中的应用潜力。该技术具有探测效率高、体积小、重量轻等优点，有望成为未来行星探测任务中的重要工具。然而，由于月球表面辐射环境的复杂性和不确定性，该技术在实际应用中仍需进一步验证和优化。

六、结论与展望

嫦娥四号着陆器上的LND实验成功实现了月球表面的首批主动剂量测量和中子探测任务，为月球载人探索提供了关键数据支持。LND实验不仅获得了月球表面辐射场的剂量率和LET谱等重要信息，还展示了基于钆的热中子探测技术在空间探测任务中的应用潜力。这些数据对于理解月球表面的辐射环境、评估载人月球任务的安全性以及推动行星探测技术的发展具有重要意义。

展望未来，随着深空探测任务的不断发展和技术的不断进步，LND实验的成果和经验将为未来的行星探测任务提供重要参考和借鉴。同时，基于钆的热中子探测技术也有望在更多领域得到应用和推广，为深空探测事业做出更大贡献。