APXS
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].
Физические процессы
[править | править код]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-протон рентгеновский спектрометр
[править | править код]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 углерод, азот 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 MSL
[править | править код]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, натрий, магний, алюминий, кремний, кальций, железо, сера), 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. |
Примечания
[править | править код]- ↑ 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. — .
- ↑ 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. — .
- ↑ 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. — .
- ↑ 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. — .
- ↑ 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. — .
- ↑ Alpha Proton X-ray Spectrometer (APXS) - Mission Name: Philae . NASA (26 августа 2014). Дата обращения: 14 августа 2018. Архивировано 12 июля 2015 года.
- ↑ 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.
- ↑ 1 2 3 Mars Science Laboratory Launch. Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS) // NASA. — 2011. — P. 13-15. Архивировано 26 июня 2017 года.
- ↑ 1 2 3 4 Mars Exploration Rover (пол.). NASA/JPL. Архивировано из оригинала 25 мая 2015 года.
- ↑ 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. Архивировано 10 апреля 2019 года.
- ↑ Марсоход Curiosity совершил посадку на Красную планету . НИИАР (6 августа 2012). Дата обращения: 14 февраля 2019. Архивировано 25 января 2021 года.
- ↑ США для полетов на Марс потребовались российские изотопы кюрия-244 . Lenta.ru (28 ноября 2014). Дата обращения: 14 февраля 2019. Архивировано 21 октября 2020 года.
- ↑ Источники кюрия-244 производства ГНЦ НИИАР будут использованы Индией для полетов на Луну . НИИАР (14 февраля 2017). Дата обращения: 14 февраля 2019. Архивировано 25 января 2021 года.
- ↑ Росатом поможет Индии изучать Луну с помощью радиации . РИА Новости (13 февраля 2017). Дата обращения: 14 февраля 2019. Архивировано 27 января 2021 года.
- ↑ 1 2 3 4 5 Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS) (англ.). NASA/JPL. Архивировано 17 ноября 2014 года.