X射線譜儀

X射線譜儀設計有20路探測器，是此次載荷中探測器路數最多的系統，為有效預防多路探測器之間相互干擾，在硬/軟件設計中還專門設計了“隔離”探測器單元功能及對太陽監測器計數率的調閾指令，以提高探測器在軌長期工作的可靠性 ^[1]  。

X射線譜儀指向月面，由16路硬X射線半導體探測器陣列，4路高分辨軟X射線半導體探測器組成，分別用於探測月表不同元素或天然放射物質發生的特徵X射線，獲得不同能段X射線的能譜 ^[2]  。

X射線譜儀是我國繞月探測工程實現月球資源探測、研究月球組成預演化等的重要手段和有效方法之一。“在我國探月工程分三步走的進程中，通過一期嫦娥一號衞星有效載荷繞月工程在軌觀測，我們將獲得月球表面元素的種類及其含量、分佈。有了月表元素分佈圖，就能為探月二期工程利用月球車登月後進行資源探測和進一步的科考研究提供依據，為研究月球的形成、演化模型和未來資源開發利用提供更進一步的驗證信息。”

20世紀70年代，美國Apollo-15、Apollo-16從環月軌道上各發射了一顆環月運行的科學衞星，衞星上就有熒光X射線探測器，首次在環月軌道上探測月表X射線熒光，進而研究月表的地質化學組成。2003年，歐空局發射的SMART-1衞星在0.5～10keV能區探測了鎂、鋁、硅的絕對分佈 ^[3]  ；2007年9月日本發射的“月亮女神號”探月衞星搭載了一台X射線譜儀，也對月球元素進行了探測。同年，我國的“嫦娥一號”（CE-1）搭載一台X射線譜儀進去月球軌道。印度2008年將發射“月船一號”（Chandrayyan-1）探月衞星,搭載 了C1XS（Chandrayyan-1X-ray spectrometer）探測器（為SMART-搭載的D-CIXS的改進型）對月球低能X射線進行探測 ^[2]  。

20世紀90年代後，國際上興起的新一輪探月熱，因為月球是地球的天然衞星，更重要的還在於月球寶貴的資源和月球位置的價值。因為通過元素探測，我們可以知道月球上分佈着哪些資源，將來開發月球時可選擇在資源富集的地區，通過開採月球資源，滿足人類社會的需求。”因此，對月球元素探測是一項很重要的科學研究。

嫦娥一號衞星探測工程在國防科工委月球探測工程中心、航科集團探月衞星總體及中科院有效載荷總體部的領導下，用不到4年時間完成一項複雜而龐大的工程，開創了我國航天史上研製時間最短的先例。X射線探測器作為中科院承製的有效載荷之一、我國深空X射線探測能段首例，在研製進程中遇到不少困難。

X射線譜儀X射線探測器具有靈敏度高、分辨率好、重量輕及功耗低等特點，但易受到外界干擾，特別是温度的影響。由於我們探測器入射窗是暴露在衞星外，月球表面的晝夜週期極限温度變化非常大，温度環境對探測器性能有影響；另外探測器採用的硅半導體陣列，每片厚度僅微米數量級，承受外力的能力差和弱探測信號等不利因素都給設計、研製、温控，特別是工藝設計等方面帶來不少困難。

X射線譜儀主要由X射線譜儀探測器，太陽監測器和電控箱組成。

1.太陽監測器：指向太陽，監測太陽X射線輻射，配合月表X 射線觀測，獲得元素的絕對丰度分佈。由Si-PIN組成的半導體探測器陣列，包括4路1～10keV的低能探測器，探測面積為1cm²，16路10～60keV的高能探測器，探測面積為16cm^{2 [4]}  。在軌觀測時探測器始終對着月面。

2.電控箱：內含數據獲取系統、數據管理系統及軟件等，它負責電源供給，在軌觀測元素信號的處理、數據管理、數據傳輸等，並將信號傳到衞星有效載荷的大容量存儲器，通過衞星傳到地面控制中心。

3.X射線譜儀探測器：利用太陽監測器監測太陽X射線輻射狀態，獲得射入到月球的太陽X射線能譜、流強等信息，為X射線譜儀數據處理提供參考依據。一般位於衞星頂部，對着太陽，觀測太陽X射線，可配合月表X射線觀測，進而獲得元素的絕對丰度分佈。同時可以利用太陽監測器監測太陽活動，做出太陽X射線連續譜。太陽監測器探測能區為1～10keV，有效面積為0.25cm²。採用先進的Si-PIN半導體探測器技術，具有低功耗、高分辨的特點，主要由3台單機組成。

X射線譜儀X射線譜儀和太陽監測器分別安裝在衞星頂板和側板上。其中，X射線譜儀用於探測月球表面元素受太陽X射線或宇宙射線激發產生的熒光X射線，如Mg、Al或Si元素等。其飛行方向與衞星軌道成45度角，正對月面。太陽監測器正對太陽，監測太陽活動，從而得到入射的太陽X射線能譜，結合X射線譜儀，獲得到相關元素的絕對丰度。在月表向陽面，當太陽X射線射到月表，發生光電效應，產生X射線熒光；這些熒光被X射線譜儀某個(些)探測器單元探測到，經過後級電子學系統處理，將所探測信號轉換數字信號後，以1024道能譜的方式被記錄, 並經1553B總線傳到地面 ^[2]  。

太陽監測器採集太陽X射線，將所探測信號轉換數字信號後，並以1024道能譜的方式被記錄,並經1553B總線傳到地面，探測器單元的硅介質與一定能量的X射線熒光產生光電效應，至少產生一個電子空穴對，由此產生的電信號反映月表不同元素或天然放射物質發生的特徵X射線能量不一樣，將被觀測信號以不同能譜方式記錄，根據這些能譜，依據定標曲線推算對應的元素 ^[1]  。

分析、融合和歸納X射線譜儀探測器與太陽監測器的觀測結果，可以繪製各元素的全月球分佈圖，發現月球表面資源富集區，鑑別新的類型，為月球的開發利用提供資源分佈的數據，以及檢驗月球形成與演化的模型，為月球演化的深入研究提供重要信息和有用數據 ^[4]  。

我國“嫦娥一號”探月衞星的一個有效載荷，它可探測月表元素受太陽X射線或宇宙射線激發產生的X射線熒光，並能對太陽X射線輻射進行監測，通過數據反演法可獲得月表主要元素的含量和分佈，以確定月表岩石類型和資源分佈，併為月球探測和檢驗月球形成與演化模型提供重要信息。

一些天文衞星上都會應用X射線探測器。今後，星載探測器發展的趨勢是高性能、低功耗、小體積、輕重量。在探月二期工程中，我們將在一期的研製基礎上，使X射線探測器設計更簡化、更小巧、更可靠、更高性能，可把它安裝在月球車機械臂上，在月球上行走，實現近距離元素探測。