Открыть главное меню

APXS

Камень «Йоги», изучаемый спектрометром APXS марсохода «Соджорнер» (1997).

Alpha particle X-ray spectrometer (APXS, с англ. — «Рентгеновский спектрометр альфа-частиц») — спектрометр, используемый для получения химического состава основных и второстепенных элементов (за исключением водорода) исследуемого образца. Образец бомбардируется α-частицами (4He2+) и рентгеновскими лучами. Обнаружение диффузии этих α-частиц и рентгеновской флуоресценции, возникающей в результате этой бомбардировки, позволяет узнать состав образца. Данный метод анализа элементного состава образца чаще всего используется в космических миссиях, где требуется небольшой вес, небольшой размер и минимальное энергопотребление. Другие методы (например, масс-спектрометрия) являются более быстрыми и не требуют использования радиоактивных материалов, однако требуют более крупного оборудования с менее скромными требованиями к энергопотреблению. Вариантом APXS является альфа-протон рентгеновский спектрометр, использовавшийся в миссии Mars Pathfinder, который также регистрирует протоны. APXS, также как и APS (предыдущая версия без использования рентгеновского спектрометра), использовались во многих космических миссиях: Surveyor[1], Фобос[2], «Марс-96»[3], Mars Pathfinder[4], Mars Exploration Rover[5], Mars Science Laboratory, Rosetta[6]. Спектрометры APS/APXS будут включены в несколько предстоящих миссий, включая луноход Чандраян-2[7].

Содержание

Физические процессыПравить

В APXS источником альфа-излучения обычно является кюрий-244 (период полураспада 18,1 года)[8]. Во время альфа-распада вне альфа-потока генерируются рентгеновские лучи, что усложняет интерпретацию записанных спектров — информация об характеристическом рентгеновском излучении образца формируется с учётом излучения α-источника.

Из-за сложного характера физических процессов определения химического состава исследуемого материала (марсианских пород или грунтов), требуется одновременное использование различных типов детекторов. В миссии Mars Pathfinder (1997) на марсоходе «Соджорнер» был установлен APXS с детектором элементарных частиц. Тогда было обнаружено, что в случае лёгких элементов на поверхности образца (включая углерод и кислород[9]) наиболее эффективной характеристикой является альфа-излучение (энергия и числа, связанные с соответствующим типом элемента и его концентрацией). Для элементов с атомными номерами в диапазоне 9-14 эффективной характеристикой является значение энергии, высвобождаемой протонами, а для самых тяжелых элементов (наименее распространенных) — спектр испускаемых рентгеновских лучей[9]

Альфа-распад Cm-244 (первое изображение), в результате которого поверхность породы поражается альфа-частицами, вызывая переход электронов между их внутренними орбиталями в атомах бомбардируемой поверхности, высвобождая кванты рентгеновского излучения (второе изображение); данный спектр исследуется спектрометрически; первый рентгеновский спектр, полученный английским физиком У.Г. Брэггом (3 изображение); состав образца цемента с завода Atlanta (1995) (4 изображение).

Альфа-протон рентгеновский спектрометрПравить

Первые версии APXS, оснащённые детектором альфа-частиц, протонов и рентгеновских лучей, были установлены в 1950-х годах на американских спускаемых аппаратах «Сервейер 5-7» (1967-1968)[1]; APXS был также на борту советских космических станций Фобос (1988)[2]. Его использование также предусматривалось в программе неудачной миссии «Марс-96»[3][10]. Во время миссии Mars Pathfinder (1996-1997) марсоход «Соджорнер» имел в своём составе APXS массой 600 г с потребляемой мощностью 300 мВт, подготовленный для изучения концентрации элементов, если их доля превышает 1% (включая углеродазот и кислород). Пучок альфа-излучения от кюрия-244 (активностью 50 мКи) направлялся на исследуемую поверхность диаметром 50 мм. Российские источники излучения на основе кюрия-244 производства АО «ГНЦ НИИАР» поставлялись для комплектации альфа-протон-рентгеновских спектрометров марсоходов «Соджорнер», «Оппортьюнити» и «Кьюриосити»[11][12], спускаемого аппарата «Филы», а также лунохода «Викрам»[13][14]. Для регистрации спектра рентгеновского излучения и сигналов, получаемых детекторами излучения частиц (альфа-частиц и протонов), использовался электронный модуль с размерами 80 × 70 × 60 мм[10].

APXS марсоходов MER и MSLПравить

APXS марсохода «Соджорнер», использовавшийся во время миссии Mars Pathfinder[4], впоследствии был усовершенствован. Улучшенная версия APXS устанавливалась на борту марсоходов миссии Mars Exploration Rover — «Спирите» (MER-A) и «Оппортьюнити» (MER-B), которые совершили посадку на красную планету в январе 2004 года[9][15].

На детекторной головке APXS марсоходов MER, которая закреплялась на их манипуляторах, были размещены шесть излучателей из кюрия-244. Излучатели покрывались слоем алюминия толщиной 3 мкм, что уменьшало энергию излучаемых α-частиц с 5,8 до 5,2 МэВ. В коллиматоре создавался параллельный пучок диаметром 38 мм. Шесть детекторов рассеянных альфа-частиц размещались вокруг источников излучения. В центре APXS находился кремниевый рентгеновский детектор. Время регистрации одного спектра составляло не менее 10 часов[9].

Марсоход нового поколения Mars Science Laboratory получил обновленную версию APXS[8][15]. Изменения по сравнению с APXS марсоходов MER включают в себя удвоение количества кюрия-244 (700 мкг радиоактивного изотопа с активностью 600 мКи) и внедрение элемента Пельтье для охлаждения рентгеновского детектора, что позволило работать во время марсианского дня. Для калибровки APXS на марсоходе устанавливается базальтовая мишень. Головка датчика может контактировать с исследуемой поверхностью или нависнуть над ней на заданном расстоянии (обычно менее 2 см)[8][15].

APXS марсохода MSL имеет в несколько раз большую чувствительность, чем APXS марсоходов MER — примерно в три раза лучше в случае элементов с малыми атомными номерами и примерно в шесть раз лучше в случае элементов с более высокими атомными номерами. Анализ малых концентраций, например, 100 частиц на миллион для никеля и около 20 частиц на миллион для брома, занимает около 3 часов. Анализ элементов, присутствующих в количествах около 0,5% (например, натриймагнийалюминийкремнийкальцийжелезосера), проводится в течение 10 минут (или быстрее)[15].

Во время анализа может быть зарегистрировано до 13 спектров, представленных в виде потока последовательных сигналов от датчиков. Собранные данные согласно внутреннему программному обеспечению делятся на равные промежутки времени для последующей обработки[15].

       
Альфа-протон рентгеновский спектрометр марсохода Соджорнер. Спектрометр APXS марсоходов миссии Mars Exploration Rover крупным планом. APXS марсоходов миссии Mars Exploration Rover на Марсе Спектрометр APXS марсохода Mars Science Laboratory на Марсе.

ПримечанияПравить

  1. 1 2 Patterson, J.H.; Franzgrote, E.J.; Turkevich, A.L.; Anderson, W.A.; Economou, T.E.; Griffin, H.E.; Grotch, S.L.; Sowinski, K.P. Alpha-scattering experiment on Surveyor 7 - Comparison with Surveyors 5 and 6 (англ.) // Journal of Geophysical Research (англ.) : journal. — 1969. — Vol. 74, no. 25. — P. 6120—6148. — DOI:10.1029/JB074i025p06120. — Bibcode1969JGR....74.6120P.
  2. 1 2 Hovestadt, D.; Andreichikov, B.; Bruckner, J.; Economou, T.; Klecker, B.; Kunneth, E.; Laeverenz, P.; Mukhin, L.; Prilutskii, A. In-Situ Measurement of the Surface Composition of the Mars Moon Phobos: The Alpha-X Experiment on the Phobos Mission (англ.) // Abstracts of the Lunar and Planetary Science Conference : journal. — 1988. — Vol. 19. — P. 511. — Bibcode1988LPI....19..511H.
  3. 1 2 Rieder, R.; Wanke, H.; Economou, T. An Alpha Proton X-Ray Spectrometer for Mars-96 and Mars Pathfinder (англ.) // American Astronomical Society : journal. — 1997. — Vol. 28. — P. 1062. — Bibcode1996DPS....28.0221R.
  4. 1 2 R. Rieder; H. Wänke; T. Economou; A. Turkevich. Determination of the chemical composition of Martian soil and rocks:The alpha proton X ray spectrometer (англ.) // Journal of Geophysical Research (англ.) : journal. — 1997. — Vol. 102, no. E2. — P. 4027—4044. — DOI:10.1029/96JE03918. — Bibcode1997JGR...102.4027R.
  5. R. Rieder; R. Gellert; J. Brückner; G. Klingelhöfer; G. Dreibus; A. Yen; S. W. Squyres. The new Athena alpha particle X-ray spectrometer for the Mars Exploration Rovers (англ.) // Journal of Geophysical Research (англ.) : journal. — 2003. — Vol. 108, no. E12. — P. 8066. — DOI:10.1029/2003JE002150. — Bibcode2003JGRE..108.8066R.
  6. Alpha Proton X-ray Spectrometer (APXS) - Mission Name: Philae. NASA (26 августа 2014).
  7. Payloads for Chandrayaan-2 Mission Finalised. isro.gov.in. Indian Space Research Organisation (30 августа 2010). Дата обращения 7 августа 2012. Архивировано 15 октября 2012 года.
  8. 1 2 3 Mars Science Laboratory Launch. Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS) // NASA. — 2011. — P. 13-15.
  9. 1 2 3 4 Mars Exploration Rover (неопр.). NASA/JPL. Архивировано 25 мая 2015 года.
  10. 1 2 Rieder, R.; Wanke, H.; Economou, T. An Alpha Proton X-Ray Spectrometer for Mars-96 and Mars Pathfinder // American Astronomical Society. — 1996. — Vol. 28. — P. 1062.
  11. Марсоход Curiosity совершил посадку на Красную планету. НИИАР (6 августа 2012). Дата обращения 14 февраля 2019.
  12. США для полетов на Марс потребовались российские изотопы кюрия-244. Lenta.ru (28 ноября 2014). Дата обращения 14 февраля 2019.
  13. Источники кюрия-244 производства ГНЦ НИИАР будут использованы Индией для полетов на Луну. НИИАР (14 февраля 2017). Дата обращения 14 февраля 2019.
  14. Росатом поможет Индии изучать Луну с помощью радиации. РИА Новости (13 февраля 2017). Дата обращения 14 февраля 2019.
  15. 1 2 3 4 5 Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS) (англ.). NASA/JPL. Архивировано 17 ноября 2014 года.