基于粒子输运分析的月表中子来源的月壤深度追踪方法

技术领域

本发明属于空间科学技术领域，特别涉及一种基于粒子输运分析的月表中子来源的月壤深度追踪方法。

技术背景

月球表面存在中子环境，该中子并不是空间天然存在的，而是空间中高能的太阳宇宙射线、银河宇宙射线入射到月壤中，与月壤相互作用后产生次级中子，次级中子从月壤中运动到月表，形成月球表面中子环境。

月球表面中子的来源方式，可被用来探测月壤内部是否含有水分。由于水中的氢元素对中子慢化、衰减作用较为明显，当月壤中存在水时，月表的中子通量会发生变化，通过对月表中子通量的探测，可推断月壤中是否含有水。目前NASA在环绕环球的航天器上，搭载了中子探测器，实现了全月球月壤水分布探测。

利用月表中子探测实现月壤水分布勘察，有两项关键参数：第一项是中子能量，第二项是中子来源的月壤深度。

第一项关键参数：中子能量。当月壤中含水时，不同能量中子受到的影响不同。其中低能中子通量会增加，其余能量的中子通量会降低，特别是1eV～10keV能量范围的中子通量降低比较明显。因此，通过不同能量中子的通量的不同变化情况，可推断月壤中是否含水，特别是所关注的敏感能量范围、或者中子探测器所能探测的能量范围的情况。

第二项关键参数：中子来源的月壤深度。采用中子探测方法进行月壤水勘察，所能反映的月壤深度存在范围限制。中子在月壤中产生后，会向外运动直至出射到月表，运动过程中会通过弹性碰撞损伤能量，运动的路径越长，损失能量越大，出射到月表的中子能量越低。因此，月表不同能量的中子来源于不同的月壤深度，低能中子往往来源于较深的月壤，而高能中子往往来源于较浅的月壤。所关注敏感能量范围的中子的来源月壤深度参数，不但决定了采用中子探测寻水方法所能触及的月壤深度，也影响了通过月表钻取寻水时、钻取深度的设计值。

综上所述，月表不同能量中子的月壤来源深度，是进行月壤水勘察的重要参数。目前可分析月表中子能量信息和月壤深度信息，但两项参数是孤立的，没有建立月壤来源深度与中子能量的关系。

构建月壤来源深度与中子能量的关系，需要针对中子在月壤中的运动历程进行连续追踪，但由于中子与月壤作用过程非常复杂，造成中子追踪很困难。中子在月壤中主要经历以下两个过程：(1)空间高能粒子入射到月壤中产生中子；(2)中子在月壤中运动，与月壤发生相互作用产生一个或多个次级中子，次级中子又会进一步产生一个或多个次次级中子，中子的产生会一直持续，直到中子消亡在月壤中或出射到月表。中子产生和消亡过程的复杂多变，导致中子追踪异常困难。

因此，需要建立一种中子连续追踪方法，追踪中子在月壤中的产生、再产生、消亡等各种复杂过程，获得月表不同能量中子在月壤中的来源深度，为月表寻水钻取深度设计提供依据。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：本发明提供一种基于粒子输运分析的月表中子来源的月壤深度追踪方法，该方法解决了由于中子与月壤作用过程复杂，导致中子难以实现连续追踪的问题，利用该方法可获得不同能量的月表中子在月壤中的来源深度。

本发明的技术方案为：

一种基于粒子输运分析的月表中子来源的月壤深度追踪方法，包括：获取月球表面的高能粒子谱；建立粒子输运模型；根据高能粒子谱生成向月壤结构模型发射的初始粒子的权重，以该权重生成初始粒子，基于粒子输运模型向月壤结构模型发射初始粒子开始粒子输运；所述初始粒子进入月壤结构模型后与月壤相互作用产生包括中子的次级粒子；

在中子开始输运前，形成初始轨迹记录并传递给当前事件记录集；中子径迹按步进行输运，与月壤发生相互作用，根据该作用造成中子的性质变化更新当前步所对应的事件记录并传递给当前事件记录集；中子在月壤中进行弹性碰撞运动，部分中子出射至月表，部分中子终止在月壤中，此时中子输运结束，形成末尾径迹记录并传递给当前事件记录集；

根据当前事件记录集中的全部信息，获得出射到月表的中子能量和中子历史最大深度；

基于粒子输运模型重复粒子输运过程，直至高能粒子谱中全部能量和全部类型的粒子输运完毕；

按照中子能量和中子历史最大深度，统计不同中子能量范围和中子历史最大深度范围的中子数，进而确定月球表面的中子微分能谱，根据所述高能粒子谱统计得到月球表面不同能量中子所来源的月壤深度。

进一步的，所述粒子输运模型包括月壤结构模型、初始粒子源发射面模型、中子收集体模型，三者的发射面、接收面平行；

所述月壤结构模型包括：月壤的密度及分布、成分组成、是否含水及水分分布以及月壤形状、尺寸；

所述初始粒子源发射面模型基于所述高能粒子谱，从发射点向月壤结构模型发射粒子，发射方向为垂直月壤结构模型向下发射，采用余弦分布确定发射角度；

所述收集体模型为虚拟的圆柱体，用于统计出射中子。

进一步的，所述根据高能粒子谱生成向月壤结构模型发射的初始粒子的权重，具体包括：确定粒子种类为T

根据空间高能粒子微分谱f(T

其中，粒子能量E

进一步的，所述初始粒子进入月壤结构模型后与月壤相互作用产生包括中子的次级粒子，初始粒子及其所有次级粒子在月壤中的相互作用及运动过程构成1个事件，每个次级粒子在月壤中运动过程形成1个径迹，每个次级粒子及其径迹的权重与初始粒子的权重W相同。

所述在中子开始输运前形成初始轨迹记录，中子初始轨迹记录如下所示：

D

其中：ID

进一步的，所述将当前初始径迹记录传递给事件记录集，具体包括：

所述事件记录集为包含n个径迹记录的集合，每个径迹记录包含参数：本代径迹编号、父代径迹编号、粒子能量、产生深度、父代最大历史深度变量、历史最大深度变量、初始粒子权重；

当初始径迹记录中的父代径迹编号与当前事件记录集中第k个记录的本代径迹编号一致时，将事件记录集中的第k个记录的本代径迹编号、父代径迹编号分别更新为当前径迹的本代径迹编号、父代径迹编号；

当初始径迹记录中的父代径迹编号与事件记录集中所有记录的本代径迹编号和父代径迹编号都不一致时，将初始径迹记录增加到事件记录集；

当显示初始径迹记录中的父代径迹编号与事件记录集中所有记录的本代径迹编号不一致、但与事件记录集中第m个记录的父代径迹编号一致时，将当前径迹的父代历史最大深度和历史最大深度都更新为第m个记录的父代历史最大深度，并将当前径迹记录增加到事件记录集。

进一步的，所述中子径迹按步进行输运，与月壤发生相互作用，根据该作用造成中子的性质变化更新当前步记录，具体包括：

当前步记录包括：

D

其中，E

根据输运过程，更新步记录过程如下：

E

其中E

进一步的，所述中子在月壤结构模型中进行弹性碰撞运动，部分中子出射至月表，部分中子终止在月壤中，此时中子输运结束，形成末尾径迹记录，将末尾径迹记录传递给当前事件记录集，具体包括：

针对各类情况的步记录处理方法如下：

当中子出射到月壤结构模型外部且中子未经过中子收集体模型时，将当前事件记录集中当前径迹记录删除；

当中子出射到月壤结构模型外部且中子经过中子收集体时，更新当前事件记录集中该中子的径迹记录的历史最大深度为当前步历史最大深度，更新粒子能量为当前步粒子能量；

当中子终止在月壤中且中子被吸收而消失时，将当前事件记录集中当前径迹记录删除；

当中子终止在月壤中且中子通过非弹性碰撞而消失、但产生了继续在月壤中运动的次级中子时，更新当前事件记录集中该中子的径迹记录包括将父代历史最大深度更新为当前父代历史最大深度、将历史最大深度更新为当前历史最大深度。

进一步的，所述按照中子能量和中子历史最大深度，统计不同中子能量范围和中子历史最大深度范围的中子数，统计方法如下：

ΔF(E

其中ΔF(E

进一步的，所述确定月球表面的中子微分能谱包括：

其中F为月表的中子微分能谱，单位为cm

根据所述高能粒子谱统计得到月球表面不同能量中子所来源的月壤深度。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)实现了中子生命历程的全追踪。采用一般的粒子输运方法进行分析时，当中子从月表出射时，不包含曾经经历的月壤深度信息。本发明克服了一般粒子输运方法不关注中间过程，实现了中子从产生、作用、消亡、出射月壤的全过程追踪。

(2)可获得月表不同能量中子的来源深度分布。通过中子全生命历程的追踪，获得了月表不同能量中子的来源深度分布数据，为月表找水的钻取深度设计提供依据。

附图说明

图1是本发明月球表面不同能量中子来源的月壤深度追踪方法流程图。

图2是粒子输运分析模型。

图3是中子运动历程。

图4是中子追踪方法。

图5是月壤有水和没水条件下月表中子通量。

图6是月壤有水和没水条件下月表中子通量比例。

图7是月表不同能量中子的来源深度。

具体实施方式

本发明提出一种基于粒子输运分析的月表中子来源的月壤深度追踪方法。其包括三个主要方面，(1)分析空间高能粒子谱，(2)建立粒子输运分析模型，(3)进行粒子输运分析并追踪中子历程。

首先获取月球表面的高能粒子谱，然后建立粒子输运模型，并根据所述高能粒子谱产生向月壤结构模型发射的粒子。

根据高能粒子谱生成向月壤结构模型发射的初始粒子的权重，以该权重生成初始粒子，基于粒子输运模型向月壤结构模型发射初始粒子开始粒子输运；所述初始粒子进入月壤结构模型后与月壤相互作用产生包括中子的次级粒子；在中子开始输运前，形成初始轨迹记录；将当前初始径迹记录传递给当前事件记录集；中子径迹按步进行输运，与月壤发生相互作用，根据该作用造成中子的性质变化更新当前步所对应的事件记录，并传递给当前事件记录集；中子在月壤中进行弹性碰撞运动，部分中子出射至月表，部分中子终止在月壤中，此时中子输运结束，形成末尾径迹记录，将末尾径迹记录传递给当前事件记录集；输出当前事件记录集中的全部信息；获得出射到月表的中子能量和中子历史最大深度；重复前述粒子输运过程，直至全部能量和全部类型的粒子输运完毕。

按照中子能量和中子历史最大深度，统计不同中子能量范围和中子历史最大深度范围的中子数，进而确定月球表面的中子微分能谱，根据所述高能粒子谱统计得到月球表面不同能量中子所来源的月壤深度。

下面结合附图和实施例对本发明进行说明，如图1所示，本发明主要包括：

(1)读取分析月球表面的高能粒子谱，其包括粒子种类、粒子能量、各个能量粒子对应的微分通量三项参数。

(2)建立粒子输运模型，作为中子分析的输入。粒子输运分析模型包含中子收集体、初始粒子源发射面、月壤模型三部分。中子收集体是虚拟结构，里面没有物质，用来统计出射中子。初始粒子源发射面向月壤模型发射空间高能粒子，高能粒子的粒子种类、能量、通量等参数采用步骤(1)的结果，方向向下发射，角度采用余弦分布。月壤模型是粒子输运的主要部分，包括两类信息：一是材料信息，包括月壤的密度及分布、成分组成、是否含水及水分分布；二是尺寸信息，包括月壤形状、尺寸等。

(3)中子在月壤中的运动历程，分为四种情况：(A)空间粒子与月壤相互作用产生中子；(B)中子与月壤发生弹性碰撞，只有能量、方向、位置等参数发生变化，本代径迹编号、父代径迹编号两项参数不变；(C)中子被吸收而消亡；(D)中子与月壤发生非弹性碰撞，产生1个或1个以上次级中子，除能量、方向、位置等参数发生变化外，本代径迹编号、父代径迹编号两项参数也发生变化。

本步骤采用粒子输运分析的方法追踪中子历程，构造了中子的步记录、径迹记录、事件记录集三项数据记录，通过步记录到径迹记录、径迹记录到事件记录集的参数传递，通过对次级中子数目、本代径迹编号、父代径迹编号等参数的判断及处理方法，通过构造和传递“父代历史最大深度”参数，实现中子全生命周期的持续追踪，获得月表不同能量的中子来源于多深的月壤。本步骤包括粒子输运、步记录处理、径迹记录处理、事件记录处理四部分。

本步骤存在以下要点：

(A)构造了中子的步记录、径迹记录、事件记录集三项数据记录，通过步记录到径迹记录、径迹记录到事件记录集的参数传递，可以实现中子在月壤中运动过程的持续跟踪，实现了中子能量和来源深度两个关键参数的绑定，从而可获得月表不同能量中子的来源深度。

(B)步记录、径迹记录和事件记录集中通过对次级中子数目、本代径迹编号、父代径迹编号等参数的判断及处理方法，可以处理中子产生、中子通过弹性碰撞在月壤中运动、中子被月壤吸收、中子通过非弹性碰撞在月壤中产生多个中子等多种复杂的作用过程带来的中子性质的变化。

(C)径迹记录和事件记录集中构造了“父代历史最大深度”参数，该参数记录了产生中子的父代中子的历史最大深度，通过该参数的更新和传递过程，最终将该数据赋值给中子的历史最大深度参数，因此中子历史最大深度参数不但反映了自身运动过程，也体现了父代粒子的运动过程，使得中子历史最大深度参数信息准确。

采用步骤(1)的初始粒子源，采用步骤(2)的仿真模型，采用步骤(3)的方法，可以将出射到月表的不同能量的中子与其曾经历的月壤深度参数关联，从而获得月表不同能量中子的月壤来源深度数据。

具体的实施步骤如下：

(1)分析空间高能粒子谱

空间高能粒子与月壤相互作用会产生中子，这是月表中子的来源。分析月球表面的高能微分粒子谱，包括粒子种类、能量、通量三项参数，作为中子分析的输入参数。

以银河宇宙线为例，采用CREME96模型，分析原子序数1～92的粒子的微分通量，如下表所示。

表1银河宇宙线微分谱

(2)建立粒子输运分析模型

建立粒子输运分析模型，作为中子分析的输入。粒子输运分析模型包含中子收集体、初始粒子源发射面、月壤结构模型三部分。

初始粒子源发射面向月壤发射空间高能粒子，高能粒子的粒子种类、能量、通量等参数采用步骤(1)的结果，方向向下发射，角度采用余弦分布。

中子收集体是虚拟结构，里面没有物质，用来统计出射中子。

月壤结构模型是粒子输运的主要部分，包括两类信息：一是材料信息，包括月壤的密度及分布、成分组成、是否含水及水分分布；二是尺寸信息，包括月壤形状、尺寸等。

月壤材料信息可采用所关注地点的月壤成分，以Shackleton撞击坑为例，表2给相应的月壤成分，表3给出了月壤密度及分布，表4给出了水分含量。

表2月壤成分

表3月壤密度随深度的变化

表4月壤水含量

初始粒子源发射面为圆形的面，中子收集体和月壤为圆柱形，见图2。为保证中子收集效率、收集角度、空间高能粒子与月壤充分相互作用等因素，两个结构的尺寸见表5。

表5仿真模型尺寸

(3)进行粒子输运分析并追踪中子历程

中子在月壤中的运动历程，分为四种情况：(A)空间粒子与月壤相互作用产生中子；(B)中子与月壤发生弹性碰撞，只有能量、方向、位置等参数发生变化，本代径迹编号、父代径迹编号两项参数不变；(C)中子被吸收而消亡；(D)中子与月壤发生非弹性碰撞，产生1个或1个以上次级中子，除能量、方向、位置等参数发生变化外，本代径迹编号、父代径迹编号两项参数也发生变化。中子运动历程如图3所示。

本步骤采用粒子输运分析的方法追踪中子历程，实现中子全生命周期的持续追踪。根据中子包络粒子输运、步记录处理、径迹记录处理、事件记录处理四部分。步骤如下，中子追踪方法见图4：

[01].从空间初始粒子源发射面垂直向下发射初始粒子，粒子种类为T

其中W为每个发射粒子的权重；T

[02].初始粒子进入月壤后，通过与月壤相互作用，产生电子、伽马光子、中子等多种类型的次级粒子，次级粒子会继续与月壤相互作用，直至出射到月壤模型外部或终止在月壤中，此时输运结束。初始粒子及其所有次级粒子在月壤中的相互作用及运动过程，构成1个事件；每个次级粒子在月壤中运动过程，形成1个径迹，每个次级粒子及其径迹的权重，均与由公式(1)确定的初级粒子的权重相同。本发明针对中子环境进行分析，因此下述所有过程均只涉及到次级粒子里面中子的分析和统计。

[03].中子产生后，在开始输运运动前，记录其信息，形成初始径迹记录，其包括：(A)生成并记录本代径迹编号ID

D

其中：P

[04].将当前初始径迹记录传递给当前事件记录集，该步骤的作用是将刚刚产生的中子记录暂时保存下来，判断及处理方法如下：

当前事件记录集为包含n个径迹记录的集合，每个径迹记录包含7个参数，如公式(2)所示。事件记录集如下所示：

D

其中最后一条记录，即第n条记录是最新径迹记录。

当前初始径迹记录存在不同情况时，处理方法如下：

情况1：ID

D

其中ID

情况2：ID

D

其中[ID

情况3：ID

D

其中[ID

[05].中子径迹按步进行输运，此时中子会通过弹性碰撞和非弹性碰撞与月壤发生相互作用，从而造成中子的能量、位置、状态等发生变化，根据变化更新当前步记录，包括五项参数:(A)粒子能量；(B)历史最大深度；(C)经过收集体标志；(D)生存状态标志；(E)次级粒子数目。

当前步的记录为：

D

根据输运过程，更新如下：

E

其中E

[06].中子在月壤中通过弹性碰撞继续运动，直至出射到月壤模型外部，或者通过被吸收或发生非弹性碰撞而终止月壤中，中子输运结束，形成末尾径迹记录，末尾径迹记录传递给事件记录集。该步骤的作用是在中子输运结束时，根据中子最后一步的步记录的不同状态，对中子末尾径迹记录进行处理。该步骤的判断及处理方法如下：

当中子最后一步的步记录存在不同情况时，处理方法如下：

情况1：B

D

其中删除了第n条记录。

情况2：B

D

其中E

情况3：B

D

其中删除了第n条记录。

情况4：B

D

其中P

[07].本事件全部输运结束，输出事件记录集中的全部信息。即可获得出射到月表的中子的信息，包含了中子能量、中子历史最大深度、中子权重等关键信息。

[08].重复步骤[01]～[08]，直至全部能量和全部类型的粒子输运完毕。

[09].按照中子能量和中子历史最大深度，统计不同中子能量范围和中子历史最大深度范围的中子数，统计处理方法如下：

ΔF(E

其中ΔF(E

将公式(16)的结果除以能量间隔，就可以得到月表的中子微分能谱，即：

其中F为月表的中子微分能谱，单位为cm

采用步骤2的数据，建立分析模型，包含中子收集体、初始粒子源发射面、月壤三部分。其中月壤为圆柱形，直径为3000m，厚度为5m，月壤成分见表2，不同深度的月壤密度见表2，首先建立不含水的月壤模型；初始粒子源发射面为圆形的面，直径为3000m，与月壤模型表面的距离为1mm；中子收集体为圆柱形，直径为2926m，厚度为1mm，中子收集体下表面与月壤模型表面的距离为1cm。

采用步骤1的数据，从初始粒子源发射面垂直向下发射初始空间粒子，空间粒子在初始粒子源发射面上均匀分布，角度按照余弦定律。首先发射H粒子，分别发射能量为1.0E+00MeV/u、1.0E+01MeV/u、1.0E+02MeV/u、

1.0E+03MeV/u、1.0E+04MeV/u、1.0E+05MeV/u，每种能量的H粒子发射1000个，即公式(1)中N

所有粒子仿真完毕后，即可得到月壤不含水的情况下、月表不同能量中子的月壤来源深度信息。

上面建立的是不含水的土壤，下面采用表4数据，建立含水模型，重复上述过程，即可得到月壤含水的情况下、月表不同能量中子的月壤来源深度信息。，如图5和图6所示。月壤中有水时，会导致0.08eV以上中子通量降低，0.08eV以下中子通量升高。0.65eV-8keV能量范围的中子，在有水的条件下降低的比例最大、且降低的比例接近，低于无水条件下的40％。

该分析也获得了月表不同能量的中子在月壤中的来源深度分布，如图7所示。图7给出了50％中子通量的深度来源，其中0.65eV～8keV主要来源于500mm～700mm。按照中子探测结果寻找月表水时，月表钻取深度可参考此数据进行设计。