APXS

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Текущая версия страницы покане проверяласьопытными участниками и может значительно отличаться отверсии, проверенной 3 января 2019 года;проверки требуют7 правок.
Перейти к навигации Перейти к поиску
Камень«Йоги»,изучаемый спектрометром APXS марсохода«Соджорнер»(1997).

Alpha particle X-ray spectrometer(APXS,сангл. — «Рентгеновский спектрометр альфа-частиц») —спектрометр,используемый для получения химического состава основных и второстепенных элементов (за исключениемводорода) исследуемого образца. Образец бомбардируетсяα-частицами(4He2+) ирентгеновскими лучами.Обнаружениедиффузииэтих α-частиц ирентгеновской 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 миссииMars Pathfinder,который также регистрируетпротоны.APXS, также как и APS (предыдущая версия без использованиярентгеновского спектрометра), использовались во многихкосмических 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 луноходЧандраян-2[7].

Физические процессы

[править|править код]

В APXS источникомальфа-излученияобычно являетсякюрий-244(период полураспада 18,1 года)[8].Во времяальфа-распадавне альфа-потока генерируются рентгеновские лучи, что усложняет интерпретацию записанныхспектров— информация обхарактеристическом рентгеновском излученииобразца 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) намарсоходе«Соджорнер»был установлен APXS сдетектором элементарных частиц.Тогда было обнаружено, что в случае лёгких элементов на поверхности образца (включаяуглеродикислород[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, высвобождаемойпротонами,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 переходэлектроновмежду их внутренними орбиталями в атомах бомбардируемой поверхности, высвобождаяквантырентгеновского излучения(второе изображение); данный спектр исследуетсяспектрометрически;первый рентгеновский спектр, полученный английским физикомУ.Г. Брэггом(3 изображение); состав образцацементас завода Atlanta (1995) (4 изображение).

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 американскихспускаемых 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% (включаяуглерод,азотикислород). Пучок альфа-излучения откюрия-244(активностью50мКи) направлялся на исследуемую поверхность диаметром 50 мм. Российские источники излучения на основе кюрия-244 производстваАО «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 спектрарентгеновского излученияи сигналов, получаемых детекторами излучения частиц (альфа-частиц и протонов), использовался электронный модуль с размерами 80 × 70 × 60 мм[10].

APXS марсоходовMERиMSL

[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 накрасную планетув 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 слоемалюминиятолщиной 3 мкм, что уменьшалоэнергиюизлучаемых α-частиц с 5,8 до 5,2МэВ.Вколлиматоресоздавался параллельный пучок диаметром 38 мм. Шесть детекторов рассеянных альфа-частиц размещались вокруг источников излучения. В центре APXS находилсякремниевыйрентгеновский 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 мкградиоактивного изотопас активностью 600 мКи) и внедрение элементаПельтьедля охлаждения рентгеновского детектора, что позволило работать во время марсианского дня. ДлякалибровкиAPXS на марсоходе устанавливаетсябазальтоваямишень. 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 малымиатомными номерамии примерно в шесть раз лучше в случае элементов с более высокимиатомными номерами.Анализ малых концентраций, например, 100 частиц на миллион дляникеляи около 20 частиц на миллион дляброма,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 внутреннемупрограммному обеспечениюделятся на равные промежутки времени для последующей обработки[15].

Альфа-протон рентгеновский спектрометр марсоходаСоджорнер. Спектрометр APXS марсоходов миссииMars Exploration Roverкрупным планом. APXS марсоходов миссииMars Exploration Roverна Марсе Спектрометр APXS марсоходаMars Science Laboratoryна Марсе.

Примечания

[править|править код]
  1. ↑12 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.—Bibcode:1969JGR....74.6120P.
  2. ↑12 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.—Bibcode:1988LPI....19..511H.
  3. ↑12 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.—Bibcode:1996DPS....28.0221R.
  4. ↑12 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.—Bibcode:1997JGR...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.—Bibcode:2003JGRE..108.8066R.
  6. ↑Alpha Proton X-ray Spectrometer (APXS) - Mission Name: Philae.NASA(26 августа 2014). Дата обращения: 14 августа 2018.Архивировано12 июля 2015 года.
  7. ↑ Payloads for Chandrayaan-2 Mission Finalised.isro.gov.in.Indian Space Research Organisation (30 августа 2010). Дата обращения: 7 августа 2012.Архивировано15 октября 2012 года.
  8. ↑123Mars Science Laboratory Launch.Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS)// NASA. — 2011. — P. 13-15.Архивировано26 июня 2017 года.
  9. ↑1234Mars Exploration Rover(пол.).NASA/JPL.Архивировано изоригинала25 мая 2015 года.
  10. ↑12Rieder, 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.Архивировано10 апреля 2019 года.
  11. ↑Марсоход Curiosity совершил посадку на Красную планету.НИИАР(6 августа 2012). Дата обращения: 14 февраля 2019.Архивировано25 января 2021 года.
  12. ↑США для полетов на Марс потребовались российские изотопы кюрия-244.Lenta.ru(28 ноября 2014). Дата обращения: 14 февраля 2019.Архивировано21 октября 2020 года.
  13. ↑Источники кюрия-244 производства ГНЦ НИИАР будут использованы Индией для полетов на Луну.НИИАР(14 февраля 2017). Дата обращения: 14 февраля 2019.Архивировано25 января 2021 года.
  14. ↑Росатом поможет Индии изучать Луну с помощью радиации.РИА Новости(13 февраля 2017). Дата обращения: 14 февраля 2019.Архивировано27 января 2021 года.
  15. ↑12345Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS)(англ.).NASA/JPL.Архивировано17 ноября 2014 года.
Источник —https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=APXS&oldid=126139688