Loading AI tools
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[uwaga 1], Spirit, Opportunity, Curiosity)[1][2][3].
Identyfikacja pierwiastków chemicznych w badanych próbkach polega na bombardowaniu ich powierzchni strumieniem cząstek alfa (jąder helu). Na tej powierzchni zachodzą procesy fizyczne[2]:
- wytrącenia elektronów z ich wewnętrznych powłok elektronowych i emisja promieniowania rentgenowskiego (X) w czasie ich spontanicznego powrotu na orbitale o najniższej energii,
- elastyczne rozpraszanie cząstek alfa przez jądra atomów powierzchni próbki,
- zderzenia prowadzące do reakcji jądrowych, zachodzących z uwalnianiem neutronów i protonów (zob. np. emisja neutronu).
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”[uwaga 2] 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].
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).
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[uwaga 3][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].
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 NASA – Mars 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[uwaga 4][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].
| 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 | * | * |
- 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.
- 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)
- Przewidywano zastosowanie penetratorów gruntu, które miały wbić się w marsjański grunt i wykonać pierwsze pomiary na głębokości kilku–kilkunastu centymetrów.
- 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
- Na zdjęciu są widoczne ślady, które pozostawił laser innego z urządzeń badawczych, zainstalowanych na łaziku Curiosity – kamery ChemCam.
- Wyniki zestawione w tabeli pochodzą z artykułu opublikowanego przed zakończeniem opracowywania danych doświadczalnych, zgromadzonych przez Sojournera w roku 1997
Wikiwand in your browser!
Seamless Wikipedia browsing. On steroids.
Every time you click a link to Wikipedia, Wiktionary or Wikiquote in your browser's search results, it will show the modern Wikiwand interface.
Wikiwand extension is a five stars, simple, with minimum permission required to keep your browsing private, safe and transparent.
