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]:

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
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

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].

1
2
3
4
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-7Skorupa
Ziemi
tlen42,543,943,24544,646,6
magnez3,23,82,63,11,92,1
sód5,35,55,21,93,82,8
glin4,25,55,46,668,1
krzem21,620,220,525,723,827,7
fosfor*1,510,90,9
siarka1,72,52,20,91,7
chlor*0,60,60,50,6
potas0,50,60,61,20,92,6
wapń4,53,43,83,34,23,6
tytan0,60,70,40,40,5
chrom0,20,30,30,10
żelazo15,211,213,29,910,75
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. ↑ a b c d e Alpha Particle X-Ray Spectrometer (APXS) (ang.). W: Mars Science Laboratory Launch [on-line]. NASA, listopad 2011. s. 13–15. [dostęp 2012-10-16].
  2. ↑ a b c d e Magdalena Pecul. Chemia na Marsie. „Wiedza i Życie”, s. 26–27, styczeń 1998. Prószyński i S-ka. ISSN 0137-8929 (pol.). 
  3. ↑ a b c d e f Opportunity. W: Misje sond kosmicznych [on-line]. www.sondykosmiczne.republika.pl. [dostęp 2015-01-20]. [zarchiwizowane z tego adresu (2018-06-29)].
  4. ↑ Cm, Kiur, Curium (pol.). W: Układ okresowy pierwiastków [on-line]. pierwiastki.host56.com. [dostęp 2012-10-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2013-04-26)].
  5. ↑ a b 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. ↑ Spirit. W: Misje sond kosmicznych [on-line]. www.sondykosmiczne.republika.pl. [dostęp 2015-01-20]. [zarchiwizowane z tego adresu (2018-06-29)].
  7. ↑ a b c d e Ralf Gellert, University of Guelph, Canada: Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS) (ang.). msl-scicorner.jpl.nasa.gov. [dostęp 2012-10-14]. [zarchiwizowane z tego adresu (2011-07-20)].
  8. ↑ Curiosity. W: Misje sond kosmicznych [on-line]. www.sondykosmiczne.republika.pl. [dostęp 2015-01-20]. [zarchiwizowane z tego adresu (2018-06-29)].
  9. ↑ a b Misja Maes; APXS (pol.). misjamars.wordpress.com. [dostęp 2012-10-14].
  10. ↑ R. Nave: Abundances of the Elements in the Earth's Crust. HyperPhysics. [dostęp 2012-10-16]. [zarchiwizowane z tego adresu (2012-12-21)].
Misje na Marsa
Trwające
Orbitery
Lądowniki / Łaziki
Przeszłe
Przeloty
Orbitery
Lądowniki / Łaziki
Nieudane starty
Przyszłe misje
Przygotowywane
Proponowane
Zobacz też

Mars Viking 22e169.png

  1. ↑ a b c d e f g h i j k l m sonda nie przesłała danych lub uległa awarii w drodze do Marsa

Media użyte na tej stronie

Curiosity - The Next Mars Rover.jpg
This artist concept features NASA's Mars Science Laboratory Curiosity rover, a mobile robot for investigating Mars' past or present ability to sustain microbial life. Curiosity is being tested in preparation for launch in the fall of 2011. In this picture, the rover examines a rock on Mars with a set of tools at the end of the rover's arm, which extends about 2 meters (7 feet). Two instruments on the arm can study rocks up close. Also, a drill can collect sample material from inside of rocks and a scoop can pick up samples of soil. The arm can sieve the samples and deliver fine powder to instruments inside the rover for thorough analysis. The mast, or rover's "head," rises to about 2.1 meters (6.9 feet) above ground level, about as tall as a basketball player. This mast supports two remote-sensing instruments: the Mast Camera, or "eyes," for stereo color viewing of surrounding terrain and material collected by the arm; and, the ChemCam instrument, which is a laser that vaporizes material from rocks up to about 9 meters (30 feet) away and determines what elements the rocks are made of.
PIA01466.jpg

This is a more recent "geometrically improved, color enhanced" version of the 360-degree "Gallery Pan", the first contiguous, uniform panorama taken by the Imager for Mars (IMP) over the course of Sols 8, 9, and 10. Different regions were imaged at different times over the three Martian days to acquire consistent lighting and shadow conditions for all areas of the panorama. In this version of the panorama, much of the discontinuity that was due to parallax has been corrected, particularly along the lower tiers of the mosaic containing the Lander features. Distortion due to a 2.5 degree tilt in the IMP camera mast has been removed.

The IMP is a stereo imaging system that, in its fully deployed configuration, stands 1.8 meters above the Martian surface, and has a resolution of two millimeters at a range of two meters. The IMP has color capability provided by 24 selectable filters -- twelve filters per "eye". Its red, green, and blue filters were used to take this panorama.

The three color images were first digitally balanced according to the transmittance capabilities of a specific high-definition TV device at JPL, and then enhanced via changes to saturation and intensity while retaining the hue. A threshold was applied to avoid changes to the sky. An MTF filter was applied to sharpen feature edges.

At left is a Lander petal and a metallic mast which is a portion of the low-gain antenna. On the horizon the double "Twin Peaks" are visible, about 1-2 kilometers away. The rock "Couch" is the dark, curved rock at right of Twin Peaks. Another Lander petal is at left-center, showing the fully deployed forward ramp at far left, and rear ramp at right, which rover Sojourner used to descend to the surface of Mars on July 5. Immediately to the left of the rear ramp is the rock "Barnacle Bill", which scientists found be andesitic, possibly indicating that it is a volcanic rock (a true andesite) or a physical mixture of particles. Just beyond Barnacle Bill, rover tracks lead to Sojourner, shown using its Alpha Proton X-Ray Spectrometer (APXS) instrument to study the large rock "Yogi". Yogi, low in quartz content, appears to be more primitive than Barnacle Bill, and appears more like the common basalts found on Earth.

The tracks and circular pattern in the soil leading up to Yogi were part of Sojourner's soil mechanics experiments, in which varying amounts of pressure were applied to the wheels in order to determine physical properties of the soil. During its traverse to Yogi the rover stirred the soil and exposed material from several centimeters in depth. During one of the turns to deploy Sojourner's Alpha Proton X-Ray Spectrometer, the wheels dug particularly deeply and exposed white material. Spectra of this white material show it is virtually identical to the rock "Scooby Doo", and such white material may underlie much of the site. Deflated airbags are visible at the perimeter of all three Lander petals.

Mars Pathfinder is the second in NASA's Discovery program of low-cost spacecraft with highly focused science goals. The Jet Propulsion Laboratory, Pasadena, CA, developed and manages the Mars Pathfinder mission for NASA's Office of Space Science, Washington, D.C. JPL is an operating division of the California Institute of Technology (Caltech). The IMP was developed by the University of Arizona Lunar and Planetary Laboratory under contract to JPL. Peter Smith is the Principal Investigator.
XRFScan.jpg
Historical note: this was run as a pressed powder on the scanning channel of the Siemens MRS404 at Blue Circle Cement, Atlanta Plant, in 1995. We had no scandium, gallium or germanium!
MER APXS PIA05113.jpg
Located on the arm of the Mars Exploration Rover Spirit, the alpha particle X-ray spectrometer uses alpha particles and X-rays to determine the chemical make up of martian rocks and soils. This type of information helps scientists understand how the planet's crust was weathered and formed. Mars Exploration Rover team members used this palm-sized instrument on a small patch of martian soil just after Spirit rolled off the Columbia Memorial Station. They found that although the soil was very similar to what they had seen previously on Mars, the instrument's improved sensitivity allowed them to see new elements and subtle differences not detected before.
Alpha Decay.svg
A diagram showing an alpha particle (α) being ejected from the nucleus of an atom. Protons are red and neutrons are blue.
First XRay Spectrum WH-Bragg.jpg
Autor: EdC, Licencja: CC BY-SA 3.0
First X-Ray Spectrum recorded by W.H.Bragg and W.L.Bragg in 1913
CharacteristicRadiation.svg
(c) ​English wikipedia user HenrikMidtiby, CC-BY-SA-3.0
Denomination of atomic shells and of characteristic emission lines
Pathfinder01.jpg
Sojourner rover taking an Alpha Proton X-ray Spectrometer measurement of Yogi.
Pathfinder mission - Mars exploration - NASA
PIA16160-Mars Curiosity Rover-APXS.jpg

Zdjęcie APXS na Marsie

Zdjęcie to pokazuje Rentgenowski Spektrometr Cząstek Alfa (APXS) na łaziku NASA Curiosity, z marsjańskim krajobrazem w tle. Zdjęcie zostało zrobione przez MastCam, jedną z dwu kamer umieszczonych na maszcie łazika, 32 marsjańskiego dnia, lub Sol 32, operacji na powierzchni Marsa (7 września 2012, PDT lub 8 września 2012, UTC) licząc kolejne dni od daty lądowania (5 sierpnia 2012) łazika Curiosity. APXS można zobaczyć w środku obrazu.

Zdjęcie to upewni naukowców, że instrument APXS nie został pokryty kurzem podczas lądowania.

Naukowcy poprawili kolor tej wersji, aby zobaczyć marsjański krajobraz w warunkach oświetleniowych, które mamy na Ziemi, co pomaga w analizie terenu.

Zdjęcie posiada notatkę Kliknij aby ją włączyć

Image Credit: NASA/JPL-Caltech/MSSS
Mars Viking 22e169.png

Original Caption Released with NASA Image:

Photo from Viking Lander 2 shows late-winter frost on the ground on Mars around the lander. The view is southeast over the top of Lander 2, and shows patches of frost around dark rocks. The surface is reddish-brown; the dark rocks vary in size from 10 centimeters (four inches) to 76 centimeters (30 inches) in diameter. This picture was obtained September 25, 1977. The frost deposits were detected for the first time 12 Martian days (sols) earlier in a black-and-white image. Color differences between the white frost and the reddish soil confirm that we are observing frost. The Lander Imaging Team is trying to determine if frost deposits routinely form due to cold night temperatures, then disappear during the warmer daytime. Preliminary analysis, however, indicates the frost was on the ground for some time and is disappearing over many days. That suggests to scientists that the frost is not frozen carbon dioxide (dry ice) but is more likely a carbon dioxide clathrate (six parts water to one part carbon dioxide). Detailed studies of the frost formation and disappearance, in conjunction with temperature measurements from the lander’s meteorology experiment, should be able to confirm or deny that hypothesis, scientists say.
PIA16192-MarsCuriosityRover-Target-JakeRock-20120927.jpg
Zdjęcie to, pokazuje gdzie należący do NASA łazik Curiosity skierował dwa różne instrumenty, aby studiować skałę zwaną "Jake Matijevic". Czerwone kropki wskazują punkty, w które urządzenie (ChemCAM) skierowało wiązkę lasera w dniach 21 września 2012 roku i 24 września 2012, a były to 45 i 48 sol, lub 45 i 48 dzień operacji łazika Curiosity. Purpurowe koła wskazują, gdzie Alpha Particle X-ray Spectrometer trenował praktycznie swoje operacje.
Niebieski kolor skały nie jest kolorem prawdziwym, naukowcy ustawili balans bieli zdjęcia na tym poziomie, aby podkreślić i zwiększyć różnice tkwiące we wzorze skały.