[보고서]달 지질·광물자원 탐사 기초기술 개발

이승렬

달 지질·광물자원 탐사 기초기술 개발
Development of Basic Exploration Techniques for Lunar Geology and Mineral Resources 원문보기

보고서 정보
주관연구기관	한국지질자원연구원 Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
연구책임자	이승렬
참여연구자	권석기 , 고바야시 타카오 , 김경자 , 이성순 , 이승구 , 이홍진 , 이효민
보고서유형	최종보고서
발행국가	대한민국
언어	한국어
발행년월	2014-12
과제시작연도	2014
주관부처	미래창조과학부 KA
사업 관리 기관	한국지질자원연구원 Korea Institute of Geoscience and Mineral Resources
등록번호	TRKO201500000676
과제고유번호	1711021725
DB 구축일자	2015-04-18
키워드	달 탐사,계측기,지질연대학,행성원격탐사,달 광물자원Lunar exploration,Instrument,Geochronology,Planetary remote sensing,Lunar mineral resources

초록 ▼

최종(연차) 목표
○ 달 지질·광물자원 다중원격탐사자료 해석기술 개발
· 달 지질·광물자원 원격탐사 해석기술 개발을 위한 기초자료 확보, 기술개념 및 분석이론 정립
○ 월석 절대연령측정법 및 달 지화학 진화사 해석기술 개발
· 월석 지질연대측정법 개발을 위한 기초연구 및 달 진화사 규명을 위한 지화학 프록시(Geochemical proxy) 발굴
개발내용 및 결과
○ 감마선, 엑스선 계측기 초기모델(STM급) 제작 및 기술사양서 제작완료
○ 선행 달 탐사 미션 원격탐사자료 데이터세트 현황 및 특성 분석완료(SELENE, Chandrrayaan-1 영상자료 426 scene DB 구축)
○ 달 지형효과를 고려한 LRS 표면 반사강도 분포도 및 달 토양층 두께 분포도 작성 완료
○ 달 연대자료 문헌 분석 및 DB 구축
○ ¹⁴²Nd-¹⁴³Nd 지질연대측정법 기술개념 분석 및 희토류계 동위원소를 이용한 새로운(Lu-Yb) 지화학 프록시 개발
기대효과
○ ‘한국형 달 탐사 사업’의 궤도선, 착륙선 탑재용 지화학(감마선, 엑스선) 계측기 개발을 통한 우리나라의 성공적 달 탐사를 위한 행성지질학적 기술지원
○ 달 지질, 광물자원 분포도 작성기술을 통한 미래 달 자원 개발을 위한 기술지원
○ 극미량 행성물질에 대한 초정밀 지화학 분석법 확보로 국제적 수준의 지화학 분석기술 확보
적용분야
○ 행성탐사용 계측기 개발
○ 달 지질, 자원 탐사 및 달 기지 건설에 활용
○ 다양한 지질 및 지구환경 변화 추적에 동위원소 분석법 적용

Abstract ▼

IV. Results
○ Making prototypes of gamma-ray and X-ray spectrometers and their technical specifications have been completed, which included evaluations and improvements of essential modules of each spectrometer
○ Compiling of scientific instruments of the previous lunar mission form Luna 10 (USSR, 1966) to LADEE (NASA, 2013) and analysis of the instruments applicable to geologic disciplines, including buildup of 163 literature data and 5,400 scenes of SELENE MI and 517 scenes of Chandrayaan-1 M3 images have been finished
○ Development of algorithm deducing lunar regolith thickness that considers lunar surface topography and constructions of LRS surface echo intensity map and lunar regolith thickness map have been completed
○ Buildup of DB on geochronologic data from creation to early crustal evolution of the Moon has been completed
○ Theoretical analysis of a coupled ¹⁴²Nd-¹⁴³Nd geochronology has been finished
○ Experimental protocols for chemical separation of REE, determining elemental abundances and isotope ratios of REE-based isotopic tracers have been completed
○ A potential availability of ¹⁷⁶Lu-¹⁷⁶Yb isotopic dating system has been tested

목차 Contents

표지 ... 1
제 출 문 ... 3
최종 연차 보고서 요약서 ... 5
요 약 문 ... 7
SUMMARY ... 9
CONTENTS ... 11
목 차 ... 13
제1장. 연구개발과제의 개요 ... 15
제1절. 연구개발의 목적 및 필요성 ... 15
제2절. 연구개발 범위 ... 19
제2장. 국내외 기술개발 현황 ... 21
제1절. 선행기술조사 ... 21
제2절. 국내 선행연구사업 또는 유사과제 조사 ... 24
제3절. 선진국 연구기관의 연구실(팀) 벤치마킹 및 구체적 기술수준 분석 결과 ... 25
제4절. 국내·외 시장 현황 ... 25
제3장. 연구개발 수행내용 및 결과 ... 26
제1절. 감마선 분광기 초기 모델 개발 및 기술사양서 제작 ... 26
제2절. 능동 엑스선 분광기 초기 모델 개발 및 기술사양서 제작 ... 74
제3절. 달 지질·광물자원 원격탐사 해석기술 개발을 위한 기초자료 확보 및 분석기술 동향 분석 ... 102
제4절 가구야 LRS 원격탐사자료를 이용한 달 표면 Regolith층 두께 및 물질 유전율 역산 수법 개발 ... 151
제5절 월석 지질연대측정법 개발을 위한 기초 연구 및 달 진화사 규명을 위한 지화학 프록시(geochemical proxy) 발굴 ... 170
제4장. 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 219
제1절. 목표달성도 ... 219
제2절. 당해연도 연구성과 ... 220
제3절. 관련분야 파급효과 ... 227
제5장. 연구개발결과의 활용계획 ... 229
제6장. 참고문헌 ... 230
끝페이지 ... 235

표/그림 (204)

표 우리나라 우주개발 주요 일정
표 ‘달 탐사 기반기술연구’ 추진체계
표 P-type HPGe crystal geometry.
표 Efficiency vs Energy for GMX50, GEM50, S8530 detectors having 50% relative efficiency at 25 cm from a point source and the front of the endcap (Ortec catalog).
표 Specifications of the HPGe detector (GEM60P4-83).
표 Gamma-ray spectrum of 60Co.
표 Gamma-ray spectrum of 57Co.
표 Gamma-ray energy as a function of channel number using 57Co and 60Co.
표 Gamma-ray spectrum of 60Co for 600 second without shielding blocks.
표 Background spectrum for 12 hours at a laboratory.
표 The HPGe detector purchased for KIGAM.
표 A structural design of HPGe.
표 Structural design of a HPGe detector layout used for a thermal design.
표 Thermal analysis for the HPGe detector combined with a K508 cooler.
표 Photos for a HPGe’s preamplifier and its thermal element connector.
표 A micro-cooler, Ricor K508’s structural design.
표 Total cooling power as a function of ambient temperature for the K508.
표 An example of K508 used for an infrared detector.
표 Simulation of parts for a test container for a micro cooler for the HPGe detector.
표 Structural design of a K508 and electric scheme.
표 The ESA’s HPGe detector with a K508.
표 A proposed HPGe design with a K508 cooler.
표 A proposed HPGe detector (D, C) with a K508 (A, B).
표 The design of the Kaguya gamma-ray spectrometer.
표 The design of MESSENGER gamma-ray spectrometer.
표 Plastic scintillators and a light guide manufactured by Saint Gobain.
표 Schematic drawing of the gamma-ray spectrometer on Kaguya.
표 In-flight energy spectra of gamma-ray obtained with (lower) and without (upper) operation of the anti-coincidence system.
표 Comparison of gamma-ray spectra obtained by Mars Odyssey and MESSENGER GRS detectors
표 Comparison of gamma-ray spectra obtained by a HPGe detector with (top) and without (lower) a plastic sheet.
표 A layout of a plastic scintillator for this study.
표 Experimental settings of anti-coincidence counting system with NIM and PX5 modules.
표 Block diagram of the anti-coincidence system using HPGe and NaI detectors with NIM modules.
표 Block diagram of the anti-coincidence system using HPGe and NaI detectors with NIM modules and a PX5-HPGe.
표 List of ORTEC modules for an anti-coincidence system using HPGe, NaI, and pulse generator.
표 Comparison of gamma-ray spectra obtained for background and using 60Co with shielding and anti-coincidence and coincidence counting systems
표 Comparison of gamma-ray spectra obtained for background and using 57Co with shielding, anti-coincidence, and coincidence counting systems.
표 Comparison of gamma-ray spectra for gamma-ray sources using the PX5.
표 Comparison of gamma-ray spectra of 22Na for three measurement modes.
표 Comparison of gamma-ray spectra obtained by the mode of gate-off and sum of anti-coincidence and coincidence measured using 22Na.
표 Block Diagram for NIM modules for coincidence and anti-coincidence system.
표 Results of coincidence and anti-coincidence counting measurements using HPGe, NaI, and pulse generator.
표 Design of a gamma-ray spectrometer system using a HPGe and plastic scintillators.
표 Block Diagram of an anti-coincidence system with HPGe, BGO, and PS.
표 Design and photo of compton background reduction system for this study.
표 Block diagram for a compton gamma-ray background reduction system.
표 PENELOPE simulation geometry for the compton background reduction system.
표 Unsuppressed & suppressed gamma-ray spectra for 137Cs (time: 86400 sec).
표 Unsuppressed & suppressed gamma-ray spectra 60Co (time: 86400 sec).
표 Simulation and measurement values of CSF at various positions of the NaI detector.
표 Characteristics of inorganic scintillators, * indicates a possibility of unidentified radioactive contamination
표 Background spectrum using a LaBr3(Ce). 1 and 2 stand for the crystal sizes of St. Gobain as 1“ x 1” and 2“ x 2”, respectively.
표 Comparison of gamma-ray spectra obtained by LaBr3(Ce), NaI(Tl), and HPGe (ORTEC catalog).
표 Comparison of critical parameter for Lanthanum Bromide (ORTEC catalog).
표 Energy resolution as a function of energy for a LaBr3 detector
표 Design of a LaBr3 detector.
표 Photo of a LaBr3 detector.
표 Experimental settings of gamma-ray spectrometry using a LaBr3 detector.
표 Gamma-ray spectra of both 137Cs (left) and background (right) using a LaBr3 detector.
표 Settings of NIM modules for LaBr3 and NaI scintillators.
표 232Th spectra from LaBr3(Ce) (upper) and Na (lower)
표 Resolution of two detectors in the range of 60 – 662 keV
표 60,000s BKG spectrum from LaBr3:Ce detector
표 Development concept for a NaI scintillator’s data processing unit.
표 Comparison of 137Cs gamma-ray spectra using two data processors of ORTEC/Amptek and KASI-DPP-MCA.
표 Comparison of 60Co gamma-ray spectra using two data processors of ORTEC/Amptek and KASI-DPP-MCA.
표 Spectrum of 60Co using Amptek’s DP5G.
표 Spectrum of 137Cs using Amptek’s DP5G.
표 Spectrum of 60Co using both HPGe and DP5.
표 Geometry of MCNPX numerical simulation for a possible gamma-ray spectrometer sensor head.
표 Result of MCNPX simulation of gamma-ray spectra for HPGe, BGO, and PS.
표 Block diagram for an active X-ray spectrometer.
표 Variation of X-ray transmission for four windows of XRS sensors.
표 Comparison of X-ray spectra using C2 and 13 µm Be windows of the XRS made by Amptek Inc.
표 Spectrum of 55Fe measured by Amptek FAST SDD.
표 Resolution vs peaking time for the FAST SDD and standard SDD.
표 Throughput for the FAST SDD.
표 Resolution as a function of input count rate for various peaking time for FAST SDD
표 XRS sensor head and preamplifier of the AXS
표 3D diagram of senor head of the AXS
표 Block diagram for a prototype active X-ray spectrometer.
표 Theory of operation of COOL-X.
표 Structure of the COOL-X.
표 Spectra of X-ray generator for heating and cooling phases, combined output.
표 Angular distribution of COOL-X flux.
표 Remote switch and data communication of the AXS.
표 The sensor head of the AXS.
표 Sensor unit and electronic control box of the AXS.
표 X-ray shielding box for a safe XRF measurement.
표 X-ray shielding box and interlock switch.
표 Remote switch system’s control panel.
표 X-ray spectrum of a 55Fe calibration source.
표 Operation test of the AXS and a rock abrasion tool made by Honeybee Robotics.
표 Operation test of the AXS at a vacuum chamber at Honeybee Robotics (1 mTorr).
표 Vacuum chamber manufactured for this study.
표 A vacuum system for experiments at a simulated lunar environment.
표 Parts to be used for the AXS at the vacuum system of the simulated lunar environment.
표 Photos of samples used for this study (lunar simulant (A), standard samples (B), unknown samples (C).
표 Elemental abundances for lunar simulant, standards and unknown samples.
표 Experimental setting of the AXS measurement for this study.
표 X-ray spectrum for a lunar simulant, FJS-1 for 5 minutes.
표 XRF counts with respect to Si content.
표 XRF count ratios with respect to the abundance ratio of Si/Fe.
표 XRF counts and elemental ratio of Ca/Fe.
표 XRF count ratios of Ti/Fe with respect to the composition ratio(wt%/wt%) of Ti/Fe.
표 XRF count ratio of Ca/Fe with respect to the abundance ratio of Ca/Fe for two types of samples with different surface roughness.
표 Comparison of X-ray mass attenuation coefficients as a function of photon energy for Fe and Ca.
표 달 탐사 센서별 파장영역
표 달 지질⦁광물자원 원격탐사 개발 흐름도
표 달의 주요지형 명칭
표 NASA의 LROC에서 제작한 달의 분화구 광조 지형
표 달의 주요 광물의 구성 원소
표 달의 주요 암석의 광물달의 암석의 대략적인 광물 함량
표 Average chemical compositions of Lunar Surface Legolith composition
표 달 과학이 포함하고 있는 태양계 탐사의 네 가지 중요한 주제들
표 달 탐사 미션 형태
표 Luna Program
표 Apollo Program
표 Lunar Orbiter Program
표 Ranger program
표 Surveyor program
표 Japanese Lunar Exploration Program
표 Deep Space Program Science Experiment(DSPSE)
표 Chinese Lunar Exploration Program
표 Chandrayaan program
표 Lunar Precursor Robotic Program(LPRP)
표 Discovery program
표 Sensor specifications and performance
표 Sensor’s comparative imagery
표 The AMIE camera will provide the geological and spatial context for the other SMART-1 instruments, delivering high spatial resolution (30 m/pixel) multicolour images, as well as stereo imagery for topographic studies
표 Spectra of key lunar minerals at UVVIS and NIR wavelengths.
표 Measurements of the Al/Si ratio from the Apollo X-ray fluorescence (XRF) data
표 LISM will provide first precise topographic, geologic, and mineralogical information of the moon.
표 Sensor specifications of LISM.
표 An ortho-image (left) and a perspective view (right) of Nagaoka crater on the farside of the Moon produced from TC.
표 Left is pseudo (false) color image of a small crater observed by the MI. Right is comparative band ratio image.
표 Data from the SP (left) and image from MI (right).
표 The prime objectives of the eleven payloads carried onboard Chandrayaan-1 mission.
표 Summary of Chandrayaan-1 prime science objectives and wavelength range coverage.
표 M3 optical configuration.
표 The daytime and nighttime lunar temperature recorded by DIVINER.
표 LROC WAC color shaded relief of the lunar farside.
표 적외선 파장대에서의 다양한 광학 물질의 투과율
표 주요 달 표면 광물에 대한 MI 센서의 파장대 영역
표 M3센서에 의해 획득한 주요 달 표면 광물
표 Geologic Atlas of the Moon 1:5,000,000
표 Geologic Atlas of the Moon 1:1,000,000
표 축척 1대 1백만 달(near side) 지질도의 Index
표 운석구 주변과 광조의 예
표 Lunar Orbiter 4 image from 1967
표 Lunar Orbiter 5 image of the northeastern crater floor, showing irregular surface of cracked impact melt
표 Near-IR ratio-reflectance plot for spectra of returned lunar samples measured with a laboraory spectrometer(Appendix_B) from the Adams laboratory
표 Tycho 분화구와 광조를 포함하는 Selene MI (108씬) Mosaic 영상
표 Tycho crater 주변의 광조 성숙도 분석 결과
표 평탄한 표면 모델과 실제 지형 모델의 비교 모식도.
표 LRS 달 표면반사 관측 시뮬레이션 흐름을 나타낸 모식도
표 LRS 달 표면반사 관측 강도 분포도.
표 LRS 달 표면반사 시뮬레이션 결과.
표 표면반사 강도 히스토그램의 LRS 관측 데이터와 시뮬레이션 결과의 비교
표 식 (3.4.2)에 따라 지형 효과를 보정한 LRS 표면반사 강도 분포도.
표 레이저 고도계 (LALT)와 LRS의 표면범위를 동시에 관측한 결과.
표 레고리스 층 평가용 1D-FDTD 모델 모식도.
표 레고리스 층 밀도 프로파일(Olhoeft and Strangway, 1975)과 달 샘플의 밀도 및 유전율 측정 결과
표 1차원 FDTD법에 의한 LRS 표면 반사 관측 시뮬레이션 결과
표 1차원 FDTD 시뮬레이션의 range excursion 결과. Fig. 3.4.10에서 보인 결과를 포함하여 모든 결과를 표시함.
표 1차원 FDTD 시뮬레이션의 기반암 유전율 결과. Fig. 3.4.10에서 보인 결과를 포함하여 모든 결과를 표시함.
표 1차원 FDTD 시뮬레이션 결과에 의하여 도출된 레고리스 층 두께와 LRS 표면 반사 강도의 상관관계
표 1차원 FDTD 시뮬레이션 결과에 의하여 도출된 기반암 유전율과 LRS 표면 반사 강도의 상 관관계
표 표면 지형 효과를 보정한 LRS 표면 반사 강도 분포도.
표 레고리스 층 두께 분포도.
표 기반암 유전율 분포도.
표 Error 값을 보정하기 전의 DEM 데이터에 대한 예시 (Oceanus Procellarum 의 북부에 있는 크레이터와 주변).
표 위 Fig. 3.4..18의 데이터를 보정 한 후의 지형 데이터.
표 위의 Fig. 3.4.18과 Fig. 3.4.19의 지형 경사의 누적도수분포.
표 Chondrite-normalized REE pattern from two meteorites.
표 Sample digestion using teflon vial
표 Acid digestion bomb used in this experiment
표 Acid amounts against sample amounts for acid digestion
표 Typical analytical condition of quadrupole ICP-MS
표 Rare earth element (ppm) and Zr (%) abundances in zircon mineral
표 Analytical results (μg/g) for the analysis of JG1a reference materials by ICP-MS and internal standardization after column chemistry.
표 Analytical results (μg/g) for the analysis of GSJ reference material JG1a by ICP-MS without column chemistry
표 Analytical results (μg/g) for the analysis of GSP2 reference materials by ICP-MS
표 Chondrite-normalized REE pattern of zircon mineral.
표 Chondrite-normalized REE pattern of JG1a.
표 Chondrite-normalized REE pattern of GSP2
표 Relative deviation(%)* of analytical results of JG1a reference materials by ICP-MS
표 REE pattern of JG1a normalized by certified value from GSJ
표 Relative deviation (%) of analytical results of GSP2 reference materials by ICP-MS
표 REE pattern of GSP2 normalized by certified value from USGS
표 Isotopes of ytterbium (Yb)
표 Isotopes of lutetium (Lu)
표 Lu-Hf and Lu-Yb decay system.
표 Isotopic abundance ratios in ytterbium
표 Interferences on Yb ions from isobaric and rare earth monooxide ions
표 Isotopic abundance ratios in Yb standard
표 Isotopic variablity of Yb standard.
표 Isotopic abundance ratios of Yb in the USGS abd GSJ standard rock samples
표 Isotopic variablity of Yb from standard rock materials.
표 Origin of the Moon. Fission hypothesis (left), capture hypothesis (center), giant impact (accretion) hypothesis
표 Lunar stratigraphy
표 Summary of Pre-Nectarian geochronology of the Moon
표 Illustration of the two-stage model of isotopic evolution for the coupled 146,147Sm-142,143Nd chronometer
표 By coupling both isotope systems, a model age of differentiation Td can be estimated

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