Alpha Particle X-ray Spectrometer

Alpha Particle X-ray Spectrometer (APXS) to spektrometr analizujący promieniowanie rentgenowskie (X-ray) wydobywające się z powierzchni badanych próbek stałych, które są poddawane działaniu promieniowania alfa. To urządzenie służy do zdalnej analizy chemicznego składu powierzchni. APXS były umieszczane na mechanicznych wysięgnikach marsjańskich łazików, takich jak Mars Pathfinder, Spirit, Opportunity oraz Curiosity.

Procesy fizyczne

Identyfikacja pierwiastków chemicznych w próbkach polega na bombardowaniu ich powierzchni strumieniem cząstek alfa (jąder helu). Na tej powierzchni zachodzą różne procesy fizyczne, takie jak:

wytrącanie elektronów z wewnętrznych powłok elektronowych oraz emisja promieniowania rentgenowskiego (X) w chwili ich powrotu na niższe poziomy energetyczne,
elastyczne rozpraszanie cząstek alfa na jądrach atomowych próbki,
zderzenia prowadzące do reakcji jądrowych, skutkujące uwolnieniem neutronów i protonów (np. emisja neutronu).

W APXS źródłem promieniowania alfa jest zazwyczaj kiur, izotop Cm-244 (czas połowicznego rozpadu: 18,1 lat), odkryty w 1944 roku przez G.T. Seaborga, A. Ghiorso i R.A. Jamesa, nazwany na cześć Marii i Piotra Curie. W trakcie rozpadu alfa powstaje nie tylko strumień cząstek alfa, ale również promieniowanie rentgenowskie, co może komplikować interpretację uzyskanych widm. Informacje o charakterystycznym promieniowaniu X próbki uzyskuje się, uwzględniając emisję ze źródła alfa.

Ze względu na złożoność procesów fizycznych, określenie składu chemicznego badanych materiałów, takich jak marsjańskie skały czy „gleba”, wymaga równoczesnego stosowania różnych typów detektorów. W czasie misji Mars Pathfinder (1997) na łaziku Sojourner zainstalowano APXS z detektorami promieniowania korpuskularnego. Ustalono wówczas, że dla lekkich pierwiastków na powierzchni próbki (w tym węgla i tlenu) najskuteczniejsze jest badanie promieniowania alfa (energia i liczba związane z odpowiednio rodzajem pierwiastka i jego stężeniem). Dla pierwiastków o liczbach atomowych z przedziału Z = 9–14 za charakterystyczne uznano wartości energii uwalnianych protonów (p), natomiast dla najcięższych pierwiastków – widmo emitowanego promieniowania rentgenowskiego. W kolejnych wersjach APXS zredukowano potrzebę rejestracji protonów, zwiększając jednocześnie liczbę detektorów alfa oraz udoskonalając konstrukcję spektrometru X.

Alpha-Proton X-ray Spectrometer

Pierwsze wersje APXS z detektorem cząstek alfa, protonów oraz promieniowania rentgenowskiego były instalowane w amerykańskich łazikach Surveyor V, VI i VII w latach 60. XX wieku (1967–1968). APXS znalazło się również w radzieckiej sondzie Phobos (1988), a jego zastosowanie planowano w nieudanej misji Mars-96.

W trakcie misji Pathfinder (1996–1997) na łaziku Surveyor zainstalowano APXS ważący 600 g, z zapotrzebowaniem na moc 300 mW, zaprojektowany do analizy stężenia pierwiastków w ilościach około 1% (w tym C, N i O). Wiązka promieniowania alfa, pochodząca z Cm-244 (50 mCi), była kierowana na badany obszar o średnicy 50 mm. Do rejestracji widma rentgenowskiego oraz sygnałów odbieranych przez detektory promieniowania korpuskularnego (cząstki alfa i protony) służył moduł elektroniczny o wymiarach 80×70×60 mm.

MER i MSL APXS

APXS zastosowany podczas misji Pathfinder był udoskonalany w kolejnych misjach. W latach 2003–2004 używano urządzeń znanych jako MER APXS, gdzie skrót MER oznacza podwójną misję NASA – Mars Exploration Rover, obejmującą misje MER-A (Spirit, start: 10 czerwca 2003) oraz MER-B (Opportunity, start: 8 lipca 2003).

W głowicy MER APXS, montowanej na wysięgnikach łazików Opportunity i Spirit, umieszczono sześć emitorów z Cm-244, pokrytych warstwą glinu o grubości 3 µm (co zmniejsza energię emitowanych cząstek α z 5,8 do 5,2 MeV). Kolimator wytwarza równoległą wiązkę o średnicy 38 mm. Wokół źródeł emisji rozmieszczono sześć detektorów rozpraszających cząstki alfa, a krzemowy detektor promieniowania rentgenowskiego umieszczono w centrum. Czas rejestracji pojedynczego widma wynosi co najmniej 10 godzin.

Symbol MSL APXS został przypisany kolejnej generacji spektrometrów, zmodyfikowanych w ramach przygotowań do misji Mars Science Laboratory (Curiosity, start: 26 listopada 2011). Zmiany w stosunku do MER APXS obejmowały m.in. podwojenie ilości Cm-244 w źródle (700 μg, 600 mCi) oraz zastosowanie modułu Peltiera do chłodzenia detektora X-ray, co umożliwiło jego działanie w trakcie marsjańskiego dnia. Na ramieniu łazika umieszczono bazaltowy wzorzec do kalibracji spektrometru; przewidziano możliwość wykorzystania około 20-sekundowych widm rentgenowskich do kontrolowania ruchu wysięgnika w trakcie zbliżania głowicy do próbki. Głowica z czujnikami może stykać się z badaną powierzchnią lub unosić się nad nią w określonej odległości, zazwyczaj mniejszej niż 2 cm.

MSL APXS charakteryzuje się kilkakrotnie większą czułością niż MER APXS – około trzykrotnie dla pierwiastków o niskich liczbach atomowych (Z) oraz około sześciokrotnie większą dla pierwiastków o wyższych Z. Analizy małych stężeń, na przykład 100 ppm dla Ni oraz około 20 ppm dla Br, zajmują około 3 godziny. Badanie składników w ilości około 0,5% (np. Na, Mg, Al, Si, Ca, Fe, S) trwa 10 minut lub mniej.

Podczas analizy można zarejestrować do 13 badanych widm (zbiorów kolejnych sygnałów czujników); zgromadzone dane są – zgodnie z wewnętrznym oprogramowaniem – dzielone na równe przedziały czasowe, po czym kontrolowana jest powtarzalność oznaczeń emisji. Sporządzany raport końcowy stanowi zbiór danych o znanej precyzji.