Alpha Particle X-ray Spectrometer

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

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”^[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].

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

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

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^[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].

Alpha particle X-ray na Sojourner i Curiosity

Panorama marsjańska (widoczna trasa Sojournera do skały Yogi)

Wyniki badań (przykład misji Pathfinder)

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