Alfapartikelröntgenspektrometer ( APXS , från engelska - "X-ray spectrometer of alpha particles") - en spektrometer som används för att erhålla den kemiska sammansättningen av huvud- och mindre element (med undantag för väte ) i provet som studeras. Provet bombarderas med α-partiklar ( 4 He 2+ ) och röntgenstrålar . Detektion av diffusionen av dessa a-partiklar och röntgenfluorescensen som resulterar från detta bombardemang tillåter kunskap om provets sammansättning. Denna metod för analys av provets elementära sammansättning används oftast i rymduppdrag, där låg vikt, liten storlek och minimal strömförbrukning krävs. Andra metoder (som masspektrometri ) är snabbare och kräver inte användning av radioaktiva material, men kräver större utrustning med mindre måttliga effektbehov. En variant av APXS är alfaprotonröntgenspektrometern som används på Mars Pathfinder-uppdraget , som också upptäcker protoner . APXS, såväl som APS (tidigare version utan röntgenspektrometer ), användes i många rymduppdrag : Surveyor [1] , Phobos [2] , Mars-96 [3] , Mars Pathfinder [4] , Mars Exploration Rover [ 5] , Mars Science Laboratory , Rosetta [6] . APS/APXS-spektrometrar kommer att inkluderas i flera kommande uppdrag, inklusive Chandrayaan 2 -rover [7] .
I APXS är källan till alfastrålning vanligtvis curium-244 (halveringstid 18,1 år) [8] . Under alfasönderfall genereras röntgenstrålar utanför alfaflödet, vilket komplicerar tolkningen av de registrerade spektra - information om provets karakteristiska röntgenstrålning bildas med hänsyn till α-källans strålning.
På grund av den komplexa karaktären hos de fysikaliska processerna för att bestämma den kemiska sammansättningen av materialet som studeras (Mars stenar eller jordar), krävs samtidig användning av olika typer av detektorer. Mars Pathfinder-uppdraget (1997) bar en APXS med en partikeldetektor på Sojourner- roveren . Sedan fann man att när det gäller lätta element på provets yta (inklusive kol och syre [9] ), är den mest effektiva egenskapen alfastrålning (energin och siffrorna som är förknippade med motsvarande typ av element och dess koncentration) . För grundämnen med atomnummer i intervallet 9-14 är den effektiva egenskapen värdet av den energi som frigörs av protoner , och för de tyngsta grundämnena (den minst vanliga) - spektrumet av utsända röntgenstrålar [9] .
De första versionerna av APXS, utrustad med en alfapartikel-, proton- och röntgendetektor, installerades på 1950-talet på American Surveyor 5-7 landare (1967-1968) [1] ; APXS var också ombord på de sovjetiska rymdstationerna Phobos (1988) [2] . Dess användning förutsågs också i programmet för det misslyckade Mars-96-uppdraget [3] [10] . Under Mars Pathfinder-uppdraget (1996-1997) bar Sojourner-rovern en 600 g APXS med en effektförbrukning på 300 mW, förberedd för att studera koncentrationen av grundämnen om deras andel överstiger 1 % (inklusive kol , kväve och syre ). En alfa-strålningsstråle från curium-244 ( med en aktivitet på 50 mCi ) riktades mot den undersökta ytan med en diameter på 50 mm. Ryska strålningskällor baserade på curium-244 producerad av JSC "SSC RIAR" levererades för att komplettera alfa-proton-röntgenspektrometrarna för Sojourner, Opportunity och Curiosity rovers [11] [ 12] , Philae nedstigningsfordon , samt som månrover Vikram [13] [ 14] . En elektronisk modul med dimensionerna 80 × 70 × 60 mm [10] användes för att registrera röntgenspektrum och signaler som tas emot av partikelstrålningsdetektorer (alfapartiklar och protoner) .
APXS för Sojourner-rovern som användes under Mars Pathfinder-uppdraget [4] har sedan dess förbättrats. En förbättrad version av APXS installerades ombord på Mars Exploration Rover-uppdraget Spirit (MER-A) och Opportunity (MER-B), som landade på den röda planeten i januari 2004 [9] [15] .
Sex curium-244-sändare placerades på MER-rovers APXS-detektorhuvud, som var monterat på deras manipulatorer. Strålarna täcktes med ett 3 μm tjockt aluminiumskikt , vilket reducerade energin hos de emitterade α-partiklarna från 5,8 till 5,2 MeV . En parallell stråle 38 mm i diameter skapades i kollimatorn . Sex detektorer av spridda alfapartiklar placerades runt strålkällorna. I mitten av APXS fanns en kiselröntgendetektor . Registreringstiden för ett spektrum var minst 10 timmar [9] .
Den nya generationens rover Mars Science Laboratory fick en uppdaterad version av APXS [8] [15] . Ändringar från APXS för MER-rovers inkluderar en fördubbling av mängden curium-244 (700 mikrogram av en radioaktiv isotop med en aktivitet på 600 mCi) och införande av ett Peltier -element för att kyla röntgendetektorn, vilket möjliggör drift under Marsdagen. För att kalibrera APXS installeras ett basaltmål på rovern. Sondhuvudet kan vara i kontakt med den undersökta ytan eller hänga över den på ett givet avstånd (vanligtvis mindre än 2 cm) [8] [15] .
APXS för MSL-rover är flera gånger känsligare än APXS för MER-rover - ungefär tre gånger bättre för element med lågt atomnummer och ungefär sex gånger bättre för element med högre atomnummer . Analys av låga koncentrationer, såsom 100 ppm för nickel och ca 20 ppm för brom , tar ca 3 timmar. Analys av grundämnen närvarande i mängder av cirka 0,5 % (t.ex. natrium , magnesium , aluminium , kisel , kalcium , järn , svavel ) utförs inom 10 minuter (eller snabbare) [15] .
Under analysen kan upp till 13 spektra registreras, presenterade som en ström av seriella signaler från sensorerna. De insamlade uppgifterna enligt den interna programvaran är uppdelade i lika tidsintervall för vidare bearbetning [15] .
| Alfaprotonröntgenspektrometer från Sojourner-roveren . | Närbild av APXS-spektrometern från Mars Exploration Rover -uppdraget. | APXS-rovers från Mars Exploration Rover -uppdraget på Mars | APXS-spektrometern för Mars Science Laboratory -rover på Mars. |