Alpha Particle X-ray Spectrometer

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Alpha Particle X-ray Spectrometer (ang. APXS) – spektrometr (S) promieniowania rentgenowskiego (X-ray) emitowanego przez badaną powierzchnię próbek stałych pod wpływem promieniowania alfa (Alpha Particle); urządzenie do zdalnej analizy chemicznego składu powierzchni. APXS były instalowane na mechanicznych wysięgnikach łazików marsjańskich (misje Mars Pathfinder[a], Spirit, Opportunity, Curiosity)[1][2][3].

Procesy fizyczne[edytuj | edytuj kod]

Identyfikacja pierwiastków chemicznych w badanych próbkach polega na bombardowaniu ich powierzchni strumieniem cząstek alfa (jąder helu). Na tej powierzchni zachodzą procesy fizyczne[2]:

W APXS źródłem promieniowania alfa jest zwykle kiur, Cm-244 (czas połowicznego rozpadu: 18,1 lat)[1][4]promieniotwórczy izotop pierwiastka odkrytego w roku 1944 przez G.T. Seaborga, A. Ghiorso i R. A. Jamesa, który został nazwany na cześć Marii i Piotra Curie (łac. Curium). Podczas rozpadu alfa powstaje – poza strumieniem cząstek alfa – promieniowanie rentgenowskie, co komplikuje interpretację rejestrowanych widm – informacje o charakterystycznym promieniowaniu X próbki uzyskuje się uwzględniając emisję ze źródła α.

Ze względu na złożony charakter przemian fizycznych określenie składu chemicznego badanego materiału – marsjańskich skał lub „gleby”[b] wymaga równoczesnego stosowania różnych rodzajów detektorów. W czasie misji Mars Pathfindera (1997) na łaziku Sojourner znajdował się APXS z detektorami promieniowania korpuskularnego. Stwierdzono wówczas, że w przypadku lekkich pierwiastków na powierzchni próbki (w tym węgla i tlenu[3]) najbardziej przydatne jest badanie promieniowania alfa (energia i liczba, związane z – odpowiednio – rodzajem pierwiastka i jego stężeniem). W odniesieniu do pierwiastków o liczbach atomowych z zakresu Z = 9–14 za charakterystyczne uznano wartości energii uwalnianych protonów (p)[2], a dla pierwiastków najcięższych (najmniej rozpowszechnionych) – widmo emitowanego promieniowania rentgenowskiego[3][2]. W kolejnych wersjach APXS wyeliminowano konieczność rejestracji p – zwiększono liczbę detektorów alfa i udoskonalono konstrukcję spektrometru X[3][1].

1
2
3
4
Kiur-244 ulega rozpadowi alfa; uderzające w powierzchnię skały cząstki alfa wywołują przeskoki elektronów między wewnętrznymi orbitalami elektronów w atomach bombardowanej powierzchni i emisję kwantów promieniowania X; jego widmo jest badane spektrometrycznie; powyżej – pierwsze widmo X otrzymane przez W.H. Bragga i widmo próbki cementu z Atlanta Plant (1995).

Alpha-Proton X-ray Spectrometer[edytuj | edytuj kod]

Pierwsze wersje urządzenia, wyposażone w detektor cząstek alfa, protonów i promieniowania rentgenowskiego, były już w latach 60. XX w. instalowane w amerykańskich łazikach Surveyor V, VI i VII (1967–1968); APXS znajdowało się też w radzieckiej sondzie Phobos (1988). Jego zastosowanie przewidywał również program nieudanej misji Mars-96[c][5]. W czasie misji Pathfindera (1996–1997) na łaziku Surveyor znajdował się APXS o masie 600 g i zapotrzebowaniu mocy 300 mW, przygotowany do badań stężenia pierwiastków występujących w ilościach ok. 1 % (w tym C, N i O). Wiązka promieniowania alfa, pochodząca z Cm-244 (50 mCi), była kierowana na badaną powierzchnię o średnicy 50 mm. Do rejestrowania widma rentgenowskiego oraz sygnałów odbieranych przez detektory promieniowania korpuskularnego (cząstki alfa i protony) służył moduł elektroniczny o wymiarach 80×70×60 mm[5].

MER i MSL APXS[edytuj | edytuj kod]

Zastosowany w czasie misji Pathfindera APXS (Sojourner) był udoskonalany w czasie kolejnych misji. W latach 2003–2004 stosowano urządzenia znane jako MER APXS, gdzie skrót MER pochodzi od nazwy podwójnej misji NASAMars Exploration Rover, która objęła misje MER-A (ang. Spirit, pol. „Duch”, start: 10 czerwca 2003)[6] i MER-B (ang. Opportunity, pol. „Sposobność”, start: 8 lipca 2003)[3][7].

W głowicy MER APXS, montowanej na wysięgnikach łazików Opportunity i Spirit, umieszczono sześć emitorów z Cm-244, które pokryto warstwą glinu o grubości 3 µm (zmniejszenie energii emitowanych cząstek α z 5,8 do 5,2 MeV). W kolimatorze jest wytwarzana wiązka równoległa o średnicy 38 mm. Wokół źródeł emisji rozmieszczono sześć detektorów rozproszonych cząstek alfa. Krzemowy detektor promieniowania rentgenowskiego umieszczono w centrum. Czas rejestracji jednego widma wynosi co najmniej 10 godzin[3].

Symbol MSL APXS przypisano kolejnej generacji spektrometrów, zmodyfikowanych w ramach przygotowań do misji Mars Science Laboratory (Curiosity, start: 26 listopada 2011)[1][8][9][7]. Zmiany w stosunku do MER APXS objęły m.in. podwojenie ilości Cm-244 w źródle (700 μg, 600 mCi) i zastosowanie modułu Peltiera do chłodzenia detektora X-ray, co umożliwiło pracę w czasie marsjańskiego dnia. Na ramieniu łazika umieszczono bazaltowy wzorzec, umożliwiający kalibrację spektrometru; przewidziano możliwość wykorzystania ok. 20-sekundowych widm rentgenowskich do sterowania ruchem wysięgnika w czasie zbliżania głowicy do próbki. Głowica z czujnikami może kontaktować się z badaną powierzchnią lub unosić się nad nią w określonej odległości, zwykle mniejszej niż 2 cm[d][1][9][7].

MSL APXS ma kilkakrotnie większą czułość niż MER APXS – około trzykrotnie w przypadku pierwiastków o małych liczbach atomowych (Z) i około sześciokrotnie większą w przypadku pierwiastków o większych Z. Analizy małych stężeń, np. na poziomie 100 ppm dla Ni i ok. 20 ppm dla Br, trwają ok. 3 godziny. Analiza składników występujących w ilościach ok. 0,5 % (np. Na, Mg, Al, Si, Ca, Fe, S) jest wykonywana w ciągu 10 minut (lub mniej)[7].

W czasie analizy można zarejestrować do 13 badanych widm (zbiorów kolejnych sygnałów czujników); zgromadzone zbiory danych są – zgodnie z wewnętrznym oprogramowaniem – dzielone na równe przedziały czasowe, po czym jest kontrolowana powtarzalność oznaczeń emisji; sporządzany raport końcowy jest zbiorem danych o znanej precyzji[7].

Panorama marsjańska (widoczna trasa Sojournera do skały Yogi)

Wyniki badań (przykład misji Pathfinder)[edytuj | edytuj kod]

Skała Yogi badana przez Sojournera misji Mars Pathfinder (1997)
Skała Jake Matijevic, badana z użyciem MSL APXS misji Curiosity (2012)[e]
Stężenia pierwiastków (% wag.) w 5 próbkach powierzchni Marsa
(Sojourner 1997)[2][f] i w skorupie Ziemi (średnia)[10]
Pierwiastek „Gleba”
A-2
„Gleba”
A-4
„Gleba”
A-5
„Barnace Bil”
A-3
„Yogi” A-7 Skorupa
Ziemi
tlen 42,5 43,9 43,2 45 44,6 46,6
magnez 3,2 3,8 2,6 3,1 1,9 2,1
sód 5,3 5,5 5,2 1,9 3,8 2,8
glin 4,2 5,5 5,4 6,6 6 8,1
krzem 21,6 20,2 20,5 25,7 23,8 27,7
fosfor * 1,5 1 0,9 0,9
siarka 1,7 2,5 2,2 0,9 1,7
chlor * 0,6 0,6 0,5 0,6
potas 0,5 0,6 0,6 1,2 0,9 2,6
wapń 4,5 3,4 3,8 3,3 4,2 3,6
tytan 0,6 0,7 0,4 0,4 0,5
chrom 0,2 0,3 0,3 0,1 0
żelazo 15,2 11,2 13,2 9,9 10,7 5
nikiel * * 0,1 * *

Uwagi

  1. Pełna nazwa APXS zamontowanego na łaziku Sojourner misji Mars Pathfindera (1997) brzmi Alpha-Proton X-ray Spectrometer. Kolejne udoskonalenia konstrukcji urządzenia umożliwiły rezygnację z detekcji protonów; skrót APXS zachowano, jednak druga litera pochodzi od Particle α.
  2. W publikacjach na temat misji marsjańskich często „glebą” (ang. soil) jest nazywana powierzchniowa warstwa rozdrobnionych skał. W warunkach ziemskich gleba jest ekosystemem, składającym się z części mineralnej i organicznej (w tym edafonu)
  3. Przewidywano zastosowanie penetratorów gruntu, które miały wbić się w marsjański grunt i wykonać pierwsze pomiary na głębokości kilku–kilkunastu centymetrów.
  4. Według „misja MARS” dystans między detektorem a badanym obiektem wynosi w MSL APXS 19 mm, w porównaniu do 50 mm w APXS Spirit i Opportunity
  5. Na zdjęciu są widoczne ślady, które pozostawił laser innego z urządzeń badawczych, zainstalowanych na łaziku Curiosity – kamery ChemCam.
  6. Wyniki zestawione w tabeli pochodzą z artykułu opublikowanego przed zakończeniem opracowywania danych doświadczalnych, zgromadzonych przez Sojournera w roku 1997

Przypisy

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS) (ang.). W: Mars Science Laboratory Launch [on-line]. NASA, listopad 2011. [dostęp 2012-10-16]. s. 13–15.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 Magdalena Pecul. Chemia na Marsie. „Wiedza i Życie”, s. 26–27, styczeń 1998. Prószyński i S-ka. ISSN 0137-8929 (pol.). 
  3. 3,0 3,1 3,2 3,3 3,4 3,5 3,6 Opportunity. W: Misje sond kosmicznych [on-line]. www.sondykosmiczne.republika.pl. [dostęp 2012-10-15].
  4. 4,0 4,1 Cm, Kiur, Curium (pol.). W: Układ okresowy pierwiastków [on-line]. pierwiastki.host56.com. [dostęp 2012-10-16].
  5. 5,0 5,1 5,2 Rieder, R.; Wanke, H.; Economou, T.: An Alpha Proton X-Ray Spectrometer for Mars-96 and Mars Pathfinder (ang.). W: Astronomy Abstract Service [on-line]. [dostęp 2012-10-14].
  6. 6,0 6,1 Spirit. W: Misje sond kosmicznych [on-line]. www.sondykosmiczne.republika.pl. [dostęp 2012-10-15].
  7. 7,0 7,1 7,2 7,3 7,4 7,5 Ralf Gellert, University of Guelph, Canada: Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS) (ang.). msl-scicorner.jpl.nasa.gov. [dostęp 2012-10-14].
  8. 8,0 8,1 Curiosity. W: Misje sond kosmicznych [on-line]. www.sondykosmiczne.republika.pl. [dostęp 2012-10-15].
  9. 9,0 9,1 9,2 Misja Maes; APXS (pol.). misjamars.wordpress.com. [dostęp 2012-10-14].
  10. 10,0 10,1 R. Nave: Abundances of the Elements in the Earth's Crust. HyperPhysics. [dostęp 2012-10-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2012-12-21)].