APXS

Alpha particle X-ray spectrometer (APXS, с англ.  — «рентгенівський спектрометр альфа-частинок») — спектрометр, який використовується для визначення хімічного складу основних і другорядних елементів (за винятком водню) досліджуваного зразка. Зразок бомбардується α-частинками (4He2+) і рентгенівськими променями. Виявлення дифузії цих α-частинок і рентгенівської флуоресценції, що виникає внаслідок бомбардування, дозволяє дізнатися склад зразка. Цей метод аналізу елементного складу зразка найчастіше використовується в космічних місіях, де потрібна невелика вага, невеликий розмір і мінімальне енергоспоживання. Інші методи (наприклад, мас-спектрометрія) є швидшими і не потребують використання радіоактивних матеріалів, однак вимагають устаткування з більшими розмірами та енергоспоживанням. Варіантом APXS є альфа-протон рентгенівський спектрометр, що використовувався в місії Mars Pathfinder, який також реєструє протони. APXS, так само, як і APS (попередня версія без використання рентгенівського спектрометра), використовувалися в багатьох космічних місіях: Surveyor[1], Фобос[2], «Марс-96»[3], Mars Pathfinder[4], Mars Exploration Rover[5], Mars Science Laboratory, Rosetta[6]. Спектрометри APS/APXS будуть включені в кілька майбутніх місій, зокрема в місяцехід Чандраян-2[7].

Камінь «Йогі», досліджуваний спектрометром APXS марсохода «Соджорнер» (1997).

Фізичні основи

У APXS джерелом альфа-випромінювання зазвичай є кюрій-244 (період піврозпаду 18,1 року)[8]. Під час альфа-розпаду поза альфа-потоком генеруються рентгенівські промені, що ускладнює інтерпретацію записаних спектрів — інформація про характеристичне рентгенівське випромінювання зразка формується з урахуванням випромінювання α-джерела.

Через складний характер фізичних процесів визначення хімічного складу досліджуваного матеріалу (марсіанських порід або ґрунтів), потрібно одночасне використання різних типів детекторів. У місії Mars Pathfinder (1997) на марсоході «Соджорнер» встановлено APXS з детектором елементарних частинок. Тоді було виявлено, що в разі легких елементів на поверхні зразка (включно з вуглецем і киснем)[9] найефективнішою характеристикою є альфа-випромінювання (енергія і числа, пов'язані з відповідним типом елемента і його концентрацією). Для елементів з атомними номерами в діапазоні 9—14 ефективною характеристикою є значення енергії, що вивільняється протонами, а для найважчих елементів (найменш поширених) — спектр рентгенівських променів, що випускаються[9].

Альфа-розпад Cm-244 (1-й малюнок), внаслідок якого поверхню породи бомбардують альфа-частинки, спричиняючи перехід електронів між їхніми внутрішніми орбіталями в атомах бомбардованої поверхні, вивільняючи кванти рентгенівських променів (2-й малюнок); отриманий спектр досліджується спектрометрично; перший рентгенівський спектр, отриманий англійським фізиком В. Г. Бреггом (3-й малюнок); склад зразка цементу з заводу Atlanta (1995) (4-й малюнок).

Альфа-протон рентгенівський спектрометр

Перші версії APXS, оснащені детектором альфа-частинок, протонів і рентгенівських променів, встановлено в 1950-х роках на американських спускних апаратах «Сервейер 5-7» (1967—1968)[1]; APXS був також на борту радянських космічних станцій Фобос (1988)[2]. Його використання також передбачалось у програмі невдалої місії «Марс-96»[3][10]. Під час місії Mars Pathfinder (1996—1997) марсохід «Соджорнер» мав у своєму складі APXS масою 600 г зі споживаною потужністю 300 мВт, підготовлений для вивчення концентрації елементів, якщо їх частка перевищує 1 % (включно з вуглецем, азотом і киснем). Пучок альфа-випромінювання від кюрію-244 (активністю 50 мКі) спрямувався на досліджувану поверхню діаметром 50 мм. Російські джерела випромінювання на основі кюрію-244 виробництва АТ «ДНЦ НДІАР» постачалися для комплектації альфа-протон-рентгенівських спектрометрів марсоходів «Соджорнер», «Оппортьюніті» і «К'юріосіті»[11], спускного апарата «Філи», а також місяцехода «Вікрам»[12][13]. Для реєстрації спектру рентгенівського випромінювання і сигналів, одержуваних детекторами випромінювання частинок (альфа-частинок і протонів), використовувався електронний модуль з розмірами 80 × 70 × 60 мм[10].

APXS марсоходів MER і MSL

APXS марсохода «Соджорнер», який використовувався під час місії Mars Pathfinder[4], згодом вдосконалили. APXS поліпшеної версії встановлювався на борту марсоходів місії Mars Exploration Rover — «Спіріт» (MER-A) і «Оппортьюніті» (MER-B), які здійснили посадку на червону планету в січні 2004 року[9][14].

На детекторній головці APXS марсоходів MER, яка закріплювалася на їхніх маніпуляторах, розміщувалось шість випромінювачів із кюрію-244. Випромінювачі покривалися шаром алюмінію товщиною 3 мкм, що зменшувало енергію випромінюваних α-частинок від 5,8 до 5,2 Мев. У коліматорі створювався паралельний пучок діаметром 38 мм. Шість детекторів розсіяних альфа-частинок розміщувалися навколо джерел випромінювання. У центрі APXS містився кремнієвий рентгенівський детектор. Час реєстрації одного спектру становив не менше 10 годин[9].

Марсохід нового покоління Mars Science Laboratory отримав оновлену версію APXS[8][14]. Зміни в порівнянні з APXS марсоходів MER включали подвоєння кількості кюрію-244 (700 мкг радіоактивного ізотопу з активністю 600 мКі) і впровадження елемента Пельтьє для охолодження рентгенівського детектора, що дозволило працювати під час марсіанського дня. Для калібрування APXS на марсоході встановлюється базальтова мішень. Головка датчика може контактувати з досліджуваною поверхнею або нависнути над нею на заданій відстані (зазвичай менше 2 см)[8][14].

APXS марсохода MSL має в кілька разів більшу чутливість, ніж APXS марсоходів MER — приблизно в три рази краще в разі елементів з малими атомними номерами і приблизно в шість разів краще для елементів з вищими атомними номерами. Аналіз малих концентрацій, наприклад, 100 частинок на мільйон для нікелю і близько 20 частинок на мільйон для брому, займає близько 3 годин. Аналіз елементів, присутніх у кількостях близько 0,5 % (наприклад, натрій, магній, алюміній, кремній, кальцій, залізо, сірка), триває 10 хв (або швидше)[14].

Під час аналізу можна зареєструвати до 13 спектрів, поданих у вигляді потоку послідовних сигналів від датчиків. Зібрані дані відповідно до внутрішнього програмного забезпечення діляться на рівні проміжки часу для подальшої обробки[14].

Альфа-протон рентгенівський спектрометр марсохода Соджорнер. Спектрометр APXS марсоходів місії Mars Exploration Rover крупним планом. Спектрометр APXS марсохода Mars Science Laboratory на Марсі.

Примітки
  1. 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 // Journal of Geophysical Research : journal. — 1969. — Vol. 74, № 25. — С. 6120—6148. — Bibcode: 1969JGR….74.6120P. — DOI:10.1029/JB074i025p06120.
  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 // Abstracts of the Lunar and Planetary Science Conference : journal. — 1988. — Vol. 19. — С. 511. — Bibcode: 1988LPI....19..511H.
  3. Rieder, R.; Wanke, H.; Economou, T. An Alpha Proton X-Ray Spectrometer for Mars-96 and Mars Pathfinder // American Astronomical Society : journal. — 1997. — Vol. 28. — С. 1062. — Bibcode: 1996DPS....28.0221R.
  4. R. Rieder; H. Wänke; T. Economou; A. Turkevich. Determination of the chemical composition of Martian soil and rocks:The alpha proton X ray spectrometer // Journal of Geophysical Research : journal. — 1997. — Vol. 102, № E2. — С. 4027—4044. — Bibcode: 1997JGR…102.4027R. — DOI:10.1029/96JE03918.
  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 // Journal of Geophysical Research : journal. — 2003. — Vol. 108, № E12. — С. 8066. — Bibcode: 2003JGRE..108.8066R. — DOI:10.1029/2003JE002150.
  6. Alpha Proton X-ray Spectrometer (APXS) - Mission Name: Philae. NASA. 26 серпня 2014.
  7. Payloads for Chandrayaan-2 Mission Finalised. isro.gov.in. Indian Space Research Organisation. 30 серпня 2010. Архів оригіналу за 15 жовтня 2012. Процитовано 7 серпня 2012.
  8. Mars Science Laboratory Launch. Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS) // NASA. — 2011. — P. 13-15.
  9. Mars Exploration Rover. NASA/JPL (польск.). Архів оригіналу за 25 травня 2015.
  10. 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 серпня 2012. Процитовано 14 лютого 2019.
  12. Источники кюрия-244 производства ГНЦ НИИАР будут использованы Индией для полетов на Луну. НИИАР. 14 лютого 2017. Процитовано 14 лютого 2019.
  13. Росатом поможет Индии изучать Луну с помощью радиации. РИА Новости. 13 лютого 2017. Процитовано 14 лютого 2019.
  14. Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS). NASA/JPL (англ.). Архів оригіналу за 17 листопада 2014.
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. Additional terms may apply for the media files.