MEASUREMENT OF PLANETARY SURFACE COMPOSITION BY GAMMA-RAY AND NEUTRON SPECTROMETRY --Preparatory studies for Mars and for the Moon by numerical simulations--
MESURES DE LA COMPOSITION DES SURFACES PLANETAIRES PAR SPECTROMETRIE GAMMA ET NEUTRONIQUE -- Etudes préparatoires pour Mars et pour la Lune par simulations numériques --
Résumé
Gamma-ray and neutron spectrometry sets up a powerful tool of geological and geochemical characterization of planetary surfaces. This method allows to tackle some critical planetology questions: crustal and mantle compositions; ices; volcanism; alteration processes... Most of the neutrons and gamma photons result from the interactions of galactic cosmic rays with matter. The first chapter introduces the physics of these nuclear interactions in planetary soils and in detectors. Our work aims at optimizing the observations by specifying instrumental performances, and by highlighting relations be-tween soil composition and neutron fluxes. Numerical simulations using the GEANT code from CERN support our analysis. The second chapter estimates the performances of the Germanium gamma-ray spectrometer for MARS SURVEYOR 2001. The result of simulations is compared to calibration measurements; then performances are calculated in flight configuration. The background at Mars is estimated to ~160 c/s. The instrument offers a fine sensitivity to: Fe, Mg, K, Si, Th, Cl and O. It will also be possible to measure U, Ti, H, C, S, Ca and Al. The emission lobes at the surface are calculated too. These measurements shall permit a better understanding of the Martian surface. The last chapter deals with fast neutrons [500 keV; 10 MeV] emitted by the Moon. The strong influence of oxygen is underlined. As observed by LUNAR PROSPECTOR, the integrated flux shows a pronounced dependence with regolith content in iron and titanium, allowing the mapping. The influence of the other chemical elements is quantified. A simple mathematical formula is suggested to estimate the integrated neutron flux according to soil composition. At last, a study of hydrogen effects on fast neutron flux is carried out; we examine the possibilities to quantify its abundance in the soil by this method.
La spectrométrie gamma et neutronique forme un puissant outil de caractérisation géologique et géochimique des surfaces planétaires. Cette méthode permet d'aborder des questions capitales en planétologie: composition de la croûte, du manteau; glaces; volcanisme; processus d'altération... La majorité des neutrons et des photons gamma résultent de l'interaction du rayonnement cosmique avec la matière. Le premier chapitre présente la physique de ces interactions nucléaires dans les sols planétaires et dans les détecteurs. Nos travaux visent à optimiser les observations en précisant les performances instrumentales, et en isolant les relations entre la composition du sol et les flux de neutrons. Des simulations numériques utilisant le code GEANT du CERN supportent notre analyse. Le deuxième chapitre évalue les performances du spectromètre gamma à base de germanium pour MARS SURVEYOR 2001. Le résultat des simulations est confronté aux mesures de calibration; puis les performances sont calculées en configuration de vol. Le bruit de fond près de Mars est évalué à ~160 c/s. L'instrument offre une bonne sensibilité à: Fe, Mg, K, Si, Th, Cl et O. Il sera possible aussi de mesurer U, Ti, H, C, S, Ca et Al. Les lobes d'émission à la surface sont aussi calculés. Ces mesures permettront une meilleure compréhension de la surface martienne. Le dernier chapitre traite de l'émission des neutrons rapides lunaires [500 keV; 10 MeV]. La forte influence de l'oxygène est mise en évidence. Comme l'a observé LUNAR PROSPECTOR, le flux intégré montre une dépendance marquée avec la teneur du régolite en fer et en titane, permettant la cartographie. L'influence des autres éléments chimiques est quantifiée. Une formule mathématique simple est proposée pour estimer le flux intégré de neutrons suivant la composition du sol. Enfin, une étude des effets de l'hydrogène sur le flux de neutrons rapides est menée; nous examinons les possibilités de quantifier son abondance dans le sol par cette méthode.
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