月面探査者

ルナ・プロスペクター・ガンマ線スペクトロメーター（GRS）は、月面からのガンマ線スペクトルの初のグローバル測定を行い、そこから月面全体の化学組成の初の「直接的な」測定値が得られた。

GRSは、ルナ・プロスペクターから伸びる3本の2.5m （8フィート2インチ）の放射状ブームの先端に取り付けられた小型の円筒形装置でした。これは、ホウ素添加プラスチックのシールドで囲まれたビスマスゲルマニウム結晶で構成されていました。ガンマ線がビスマス原子に当たると、ガンマ線のエネルギーに比例した強度の光の閃光が発生し、検出器によって記録されました。ガンマ線のエネルギーは、その放出に関与する元素に関連付けられています。信号対雑音比が低いため、統計的に有意な結果を得るには複数回の通過が必要でした。1か月に9回の通過で、トリウム、カリウム、ウランの存在量を確実に推定するには約3か月、その他の元素については12か月かかると予想されました。精度は測定する元素によって異なります。 U、Th、K の精度は 7% ～ 15%、Fe は 45%、Ti は 20%、KREEP の全体分布は 15% ～ 30% です。高速中性子の検出にはホウ素添加プラスチック遮蔽材が使用されました。GRS は、高度約100 km (62 mi)から地表解像度150 km (93 mi)で地球全体をカバーできるように設計されました。^{[ 11 ]}       

この装置は、月面におけるさまざまな重要な元素の分布をマッピングした。例えば、ルナ・プロスペクターGRSは、鉄の濃度が高いいくつかの領域を特定した。^{[ 12 ]}

GRS実験の根本的な目的は、月面における元素存在量のグローバルマップを作成することでした。GRSは、以下の天体から放出されるガンマ線のスペクトルを記録するように設計されました。

1. 月の地殻に含まれる元素の放射性崩壊、そして
2. 地殻中の元素は、宇宙線や太陽風粒子によって激しく衝突される。

GRSで検出可能な最も重要な元素は、ガンマ線を自発的に発生させる放射性元素であるウラン（U）、トリウム（Th）、カリウム（K）、そして宇宙線や太陽風粒子が衝突した際にガンマ線を放出する鉄（Fe）、チタン（Ti）、酸素（O）、ケイ素（Si）、アルミニウム（Al）、マグネシウム（Mg）、カルシウム（Ca）であった。特にウラン、トリウム、カリウムは、KREEP（カリウム、希土類元素、リンを含む物質。地殻と上部マントルの形成後期に形成されたと考えられており、月の進化を理解する上で重要である）の位置をマッピングするために使用された。GRSは高速（熱外）中性子も検出でき、これは月面の水の探索において中性子分光計を補完するものであった。

ルナ・プロスペクター中性子分光計（NS）のデータに基づき、ミッション科学者たちは月の極地クレーターに月の氷が存在する証拠があると判断しました^{[ 13 ]} 。推定量は30億トン（8000億米ガロン）です。

中性子分光計は、3 本の放射状のルナ プロスペクター科学ブームの先端にあるアルファ粒子分光計と併設された細長い円筒形装置でした。この装置の表面分解能は150 km (93マイル)でした。中性子分光計は、それぞれヘリウム 3 とエネルギー カウンターを含む 2 つの容器で構成されていました。熱中性子がヘリウム原子と衝突すると、検出および計数可能なエネルギー シグネチャが生成されます。一方の容器はカドミウムで、もう一方はスズで覆われていました。カドミウムは熱中性子 (低エネルギーまたは低速の) を遮蔽しますが、スズは遮蔽しません。熱中性子は、宇宙線によって生成された中性子で、水素原子との衝突でエネルギーの大部分を失いました。 2つの容器間のカウント値の差は、検出された熱中性子の数を示しており、ひいては特定の場所における月の地殻中の水素量を示している。大量の水素が存在するのは、水の存在によるものと考えられる。  

The NS was designed to detect minute amounts of water ice which were believed to exist on the Moon. It was capable of detecting water ice at a level of less than 0.01%. For the polar ice studies, the NS was slated to examine the poles to 80 degrees latitude, with a sensitivity of at least 10 ppm by volume of hydrogen. For the implanted hydrogen studies, the NS was intended to examine the entire globe with a sensitivity of 50 ppmv. The Moon has a number of permanently shadowed craters near the poles with continuous temperatures of −190 °C (−310.0 °F). These craters may act as cold-traps of water from incoming comets and meteoroids. Any water from these bodies which found its way into these craters could become permanently frozen. The NS was also used to measure the abundance of hydrogen implanted by solar wind.

The Alpha Particle Spectrometer (APS) was a cube approximately 18 cm (7.1 in) colocated with the neutron spectrometer on the end of one of the three radial 2.5 m (8 ft 2 in)Lunar Prospector science booms. It contained ten silicon detectors sandwiched between gold and aluminum disks arranged on five of six sides of the cube. Alpha particles, produced by the decay of radon and polonium, leave tracks of charge on the silicon wafers when they impact the silicon. A high voltage is applied to the silicon, and the current is amplified by being funneled along the tracks to the aluminum disk and is recorded for identification. The APS was designed to make a global examination of gas release events and polonium distribution with a surface resolution of 150 km (93 mi) and a precision of 10%.

The APS was designed to detect radon outgassing events on the surface of the Moon. The APS recorded alpha particle signatures of radioactive decay of radon gas and its byproduct product, polonium. These putative outgassing events, in which radon, nitrogen, and carbon dioxide are vented, are hypothesized to be the source of the tenuous lunar atmosphere, and may be the result of the low-level volcanic/tectonic activity on the Moon. Information on the existence, timing, and sources of these events may help in a determination of the style and rate of lunar tectonics.

The APS was damaged during launch, ruining one of the five detecting faces. Additionally, due to sunspot activity peaking during the mission, the lunar data was obscured by solar interference. The information was eventually recovered by subtracting out the effects of the solar activity.

ドップラー重力実験 (DGE) は、極地低高度における月重力場の最初のマッピングでした。クレメンタインミッションは以前に比較的低解像度のマップを作成していましたが、プロスペクターDGE はそれより約 5 倍詳細なデータを取得しました。これは「月の最初の真に実用的な重力マップ」です。^{[ 14 ]}この実用的な利点は、より安定した長期軌道と燃料効率の向上です。さらに、DGE データは、研究者が月の起源と月の核の性質についてより深く理解するのに役立つと期待されています。DGE は、3 つの新しい近側質量集中領域を特定しました。

ルナ・プロスペクターDGEの目的は、月の表面および内部の質量分布を解明することでした。これは、地球に到達するSバンド追跡信号のドップラーシフトを測定することで実現され、この信号は宇宙機の加速度に変換されます。この加速度を処理することで、月の重力場を推定することができ、そこから宇宙機の軌道に影響を与える質量異常の位置と大きさをモデル化できます。表面および内部の質量分布の推定値は、月の地殻、岩石圏、および内部構造に関する情報を提供します。

この実験は、低極軌道から月面重力データを初めて取得した。この実験では視線追跡が必要であったため、このドップラー法では近側重力場のみを推定できた。この実験は宇宙機のSバンド追跡の副産物であったため、重量や電力の要件は記載されていない。この実験は、表面分解能200 km (120 mi)、精度5 mGal (0.05 mm/s²)で、次数60の球面調和係数の形で近側重力場を得るように設計された。宇宙機が高度50 km (31 mi)の軌道、そして10 km (6.2 mi)の軌道へと降下した延長ミッションでは、この分解能は100倍以上向上すると予想された。       

ダウンリンクテレメトリ信号は、2273  MHz で ±1  MHz の帯域幅で右旋円偏波信号として送信され、公称電力は 5 W、ピーク電力は 7 W でした。コマンドアップリンクは、2093.0542  MHz で ±1  MHz の帯域幅で送信されました。トランスポンダは、標準的な Loral/Conic S バンドトランスポンダでした。アップリンクとダウンリンクには無指向性アンテナを使用できますが、中利得ヘリックスアンテナを使用することもできます (ダウンリンクのみ)。宇宙機はスピン安定化されていたため、スピンにより、宇宙機のアンテナパターンが地球局に対して回転するため、ドップラー信号にバイアスが生じ、無指向性アンテナの場合は 0.417  Hz (27.3  mm/s)、中利得アンテナの場合は -0.0172  Hz (-1.12  mm/s) となりました。 LOSデータは、宇宙機の約5秒の自転速度を考慮して5秒間隔でサンプリングされ、0.1 mm/s未満の残差が生じた 。

収集された詳細なデータによると、低月の軌道では、安定または「凍結軌道」は、27°、50°、76°、および86°付近の傾斜角にあることだけである。^{[ 15 ]}

磁力計と電子反射計（総称してMAG/ER）は、月面に異常な表面磁場を検出しました。これは、月には存在しない全球的な磁気圏とは著しく対照的です。月の全体的な磁場は太陽風を偏向させるには弱すぎますが、MAG/ERは、偏向させることができる小さな表面異常を発見しました。直径約100 km（62マイル）のこの異常は、「太陽系で知られている最小の磁気圏、磁気鞘、およびバウショックシステム」と呼ばれています。 ^{[ 16 ]}このことやその他の月面の磁気的特徴により、太陽風によって堆積した水素は不均一に分布しており、磁気的特徴の周辺で密度が高くなっています。水素密度は仮想的な月面基地にとって望ましい特性であるため、この情報は、将来の長期月面ミッションの最適な場所を選択するのに役立つ可能性があります。  

電子反射計（ER）と磁力計（MAG）は、月の磁場に関する情報を収集するために設計されました。月には全球磁場はありませんが、表面には弱い局所的な磁場が存在します。これらは、かつて存在した全球磁場の古地磁気残滓である可能性があり、隕石の衝突やその他の局所的な現象によるものである可能性もあります。この実験は、これらの磁場をマッピングし、その起源に関する情報を提供すること、月面上の鉱物の分布を調査することを可能にすること、月の核の大きさや組成の決定を支援すること、そして月によって誘導される磁気双極子に関する情報を提供することを目的としていました。

ERは、電子のエネルギー スペクトルと方向から磁場の位置と強度を決定しました。この装置は、月の磁場によって月面から反射された 太陽風電子のピッチ角を測定しました。局所的な磁場が強いほど、より大きなピッチ角で電子を反射することができます。0.01 nTという小さな磁場強度でも、月面で約3 km (1.9 mi)の空間精度で測定できました。MAG は、マーズ グローバル サーベイヤーで使用された装置と同様の設計の三軸フラックスゲート磁力計でした。周囲のプラズマ擾乱が最小限の場合、宇宙船の高度で磁場の振幅と方向を約100 km (62 mi)の空間分解能で測定できました。    

ERと電子機器パッケージは、ルナ・プロスペクターに搭載された3本の放射状科学ブームのうちの1本の先端に配置されていた。MAGは、宇宙船が発生させる磁場から隔離するため、さらに0.8m （2フィート7インチ）のブームで延長され、ルナ・プロスペクターから合計2.6m （8フィート6インチ）離れた位置に設置された。ERとMAGの機器を合わせた質量は5kg （11ポンド）で、消費電力は4.5ワットだった。