Gamma/neutron separation in the Martian radiation environment

Köhler, Jan

The Mars Science Laboratory is a NASA Mars-rover mission which was launched in November 2011, and will land on Mars in August 2012. One part of the rover is the Radiation Assessment Detector (RAD) which will measure a broad spectrum of energetic particles at the surface of Mars. The instrument consists of a silicon detector telescope stack followed by two scintillators which are enclosed by an anticoincidence. The high-Z cesium-iodide scintillator and the proton-rich plastic scintillator are used for detecting charged as well as neutral particles. In contrast to charged particles, neutral particles can pass the anti-coincidence without triggering a signal and can therefore be distinguished from charged particles. The cesium-iodide scintillator has a high sensitivity to gammas while the plastic scintillator has a high sensitivity to neutrons. However, since cesium-iodide is sensitive to neutrons just as plastic is sensitive to gammas as well, separating gammas and neutrons is a challenging task. The measurement of neutral particles is further complicated by the fact that neutral particles often deposit only a random fraction of their energy in a detector. Therefore, the spectra measured in the scintillators do not reflect the incoming particle spectra. The scope of this work is to provide methods to separate gamma and neutron measurements of the RAD instrument. In this context, a model was developed to calculate the propagation of solar energetic particles, which can induce an increase of the Martian neutral particle radiation. Based on maximum likelihood estimations, an inversion technique to calculate the unknown Martian neutral particle spectra from measurements and detector response function was developed. A detector response function was calculated with a detailed Monte-Carlo model. The inversion technique was evaluated for different models of underlying measurement statistics, validated with neutron beam calibration measurements and tested for artificial generated measurements of the Martian neutral particle spectra. The developed inversion techniques are applicable to a wide range of particle detectors and will be used for future evaluation of the RAD neutral particle measurements.

Das Mars Science Laboratory ist eine NASA Rover-Mission, die im November 2011 gestartet ist und voraussichtlich im August 2012 auf dem Mars landen wird. Ein Teil des Rovers ist der Radiation Assessment Detector (RAD), der das Spektrum energetischer Teilchen auf der Marsoberfläche messen wird. Das Instrument besteht aus einem Teleskop aus Siliziumdetektoren gefolgt von zwei Szintillatoren, die von einer Antikoinzidenz eingeschlossen sind. Neutralteilchen können die Antikoinzidenz passieren, ohne ein Signal zu erzeugen und können damit von geladenen Teilchen unterschieden werden. Der Cäsiumiodid-Szintillator hat durch seine hohe Kernladungszahl eine hohe Sensitivität für Gamma-Teilchen, der Plastikszintillator hat eine hohe Protonendichte und somit eine hohe Sensitivität für Neutronen. Da aber Cäsiumiodid ebenfalls sensitiv für Neutronen und Plastik ebenso sensitiv für Gamma-Teilchen ist, ist das Trennen von Gamma-Teilchen und Neutronen eine herausfordernde Aufgabe. Zudem wird die Messung von Neutralteilchen dadurch erschwert, dass diese häufig nur einen zufälligen Anteil ihrer Energie im Detektor deponieren. Die Messung der Szintillatoren enthält also nur indirekte Informationen über das Neutralteilchenspektrum. Ziel dieser Arbeit ist es, Methoden zur Trennung der Gamma- und Neutronenmessungen von RAD zu entwickeln. In diesem Kontext wurde ein Modell entwickelt, welches die Ausbreitung solarer energiereicher Teilchen beschreibt, die ein wichtiger Faktor für das Teilchenspektrum auf dem Mars sind. Weiter wurde eine Maximum-Likelihood Inversionsmethode entwickelt, mit der das unbekannte Teilchenspektrum aus der Messung und der Detektorantwortfunktion berechnet werden kann. Die Detektorantwortfunktion wurde anhand eines Monte-Carlo-Modells des Detektors erstellt. Die Inversionsmethode wurde für verschiedene Statistikmodelle verglichen, anhand von Kalibrationsmessungen verifiziert und für künstlich erzeugte Messungen der Mars-Teilchenspektren getestet. Die entwickelten Methoden sind auf eine Vielzahl von Teilchendetektoren anwendbar und werden zur Auswertung der RAD Neutralteilchen Messungen verwendet.

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Köhler, Jan: Gamma/neutron separation in the Martian radiation environment. 2012.

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