Den alfapartikkel X-Ray Spectrometer (APXS-) er et analyseinstrument for oppnåelse av den kjemiske sammensetningen i større og mindre elementer (bortsett fra for hydrogenatomet) av en prøve. Prøven bombes med α-partikler ( 4 He 2+ ) og røntgenstråler . Deteksjonen av diffusjonen av disse α-partiklene og av fluorescensen til røntgenstrålene som følge av dette bombardementet gjør det mulig å kjenne sammensetningen av prøven.
Den brukes hovedsakelig i romoppdrag siden de krever lette, små og lite strømkrevende enheter. En av variantene av denne enheten er protonspektrometeret, røntgen av α-partikler, som også inkluderer en deteksjonsmodus for protoner. Vi finner bruken av den så vel som APS (forrige versjon uten røntgenspektrometer) i mange oppdrag som Surveyor 5-7 , Mars Pathfinder , Mars 96 , Mars Exploration Rover , Phobos , Mars Science Laboratory og Philae . For hver av dem har APXS vært og blitt brukt til geologiske analyser av stjerner og planeter for å bestemme den kjemiske sammensetningen av deres jord og overflatebergarter.
Dette instrumentet bruker to deteksjonsmetoder for analysene: røntgenspektroskopi (røntgenmodus) og tilbakespredning av α-partikler (α-modus). Røntgenstråler tillater deteksjon av elementer med et atomnummer større enn 8. Når det gjelder α-modus, kan den effektivt oppdage lettere elementer som karbon og oksygen. Ved komplementaritet mellom de to modusene kan vi da oppnå den kjemiske sammensetningen av en gitt prøve, i dette tilfellet den jord og bergarter som er tilstede på Mars, som i dag er hovedapplikasjonen for denne enheten.
I røntgenmodus vil instrumentet oppdage røntgenspektret til en prøve for å gå tilbake til sammensetningen siden hvert element avgir X-fotoner med karakteristisk energi ved den elektroniske overgangen det gjennomgår. Det er to typer røntgeneksitasjon som kommer fra curium 244 (radioaktiv kilde). På den ene siden tillater røntgenstråler seg røntgenfluorescens (på engelsk XRF for røntgenfluorescens ), og på den annen side α-stråling som induserer en røntgenemisjon (på engelsk PIXE, for partikkelindusert røntgen Utslipp ).
Røntgenfluorescens (XRF)Røntgenfluorescensmetoden er basert på følgende prinsipp: kvantemodellen til atomet pålegger eksistensen av diskrete energinivåer for hvert elektron i sin atombane. Hvis vi eksponerer en prøve for røntgenstråler, vil X-fotonene (som har en høyere energi enn ioniseringen av det bestrålte atomet) komme til å skille ut et elektron fra det elektroniske skallet, noe som vil skape en ledig (eller gap) elektronikk i atomet. Dette gapet, som gjør at elektronens struktur ustabil, vil bli fylt av et elektron som ligger på et høyere diskret energinivå. Dette vil deretter "de-energize" og avgir en X-foton med gitt energi (siden bare visse elektroniske overganger er tillatt), tilsvarende energidifferansen mellom de aktuelle diskrete energinivåene. Det er dette røntgenemisjonen som deretter blir oppdaget av enheten. Den opprinnelige kilden til X-fotoner (høynergifotoner) kommer fra curium 244 som er tilstede i enheten.
Α-partikkelindusert røntgenemisjon (PIXE)PIXE-metoden er for sin del en spesiell anvendelse av røntgenfluorescens, og faktisk er den eneste forskjellen mellom de to metodene at den her, i stedet for å stimulere et atom med røntgenstråler, blir bombardert med α-partikler. Bombing av en prøve av α-partikler med tilstrekkelig energi (via en ioneakselerator) tilsvarer å utvise et elektron (som opptar et bestemt energinivå) fra dets elektroniske bane og dermed skape et elektronisk gap. Vi finner den samme ustabiliteten som i XRF, som her igjen er ansvarlig for "de-eksitasjon" av et elektron som opptar en mer energisk elektronisk bane for å fylle dette gapet. Denne overgangen resulterer også i utslipp av en X-foton med bestemt energi (som forklart for XRF-metoden) som samles opp av detektoren til spektrometeret. Α-partikkelen (heliumkjernen) som opprinnelig ble sendt til prøven, kommer fra det radioaktive forfallet av Currium 244-atomet som er tilstede i instrumentet.
I denne modusen vil enheten oppdage α-partiklene som vil ha blitt tilbakespredd, i henhold til Rutherfords tilbakespredningsprinsipp. Også her kommer kilden til α-partikler fra det radioaktive forfallet av Curium 224, og de blir deretter akselerert takket være en partikkelakselerator (for å oppnå en energi i MeV) før de blir "sendt" til prøven som vil tilbakesprede dem til APXS detektor.
Rutherford backscattering spectrometry (RBS)Rutherford backscattering (Rutherford Backscattering Spectroscopy, RBS) er en analytisk teknikk basert på diffusjonen av ioner på en prøve. En prøve bombes av en stråle av høyenergipartikler, α-partiklene. Ved kontakt med målatomet kolliderer de innfallende partiklene med atomkjernene i de øverste få mikrometer av prøveoverflaten. Denne kollisjonen innebærer ikke direkte kontakt mellom ionene og målatomet. Snarere er det en utveksling av energi der på grunn av Coulomb-krefter som er tilstede mellom kjernene til tilstøtende atomer. Imidlertid kan vi forestille oss at kollisjonen er elastisk, sett fra klassisk fysikk. Etter kollisjon vil partiklene være tilbakespredte med en spesiell effektivitet i en gitt vinkel. Denne effektiviteten, som representerer energien til en tilbakespredd partikkel som en funksjon av dens opprinnelige energi (før kollisjon), for en spesifikk vinkel, avhenger av 2 prosesser. Partikkelen mister først energi når den passerer gjennom prøven (før og etter kollisjonen), avhengig av den elektroniske stoppekraften til det analyserte materialet. Dette tapet varierer kontinuerlig som en funksjon av avstanden som partikkelen har reist i materialet. Den andre som er ansvarlig for tapet av energi som partikkelen gjennomgår, er den elastiske kollisjonen med atomene. Dette tapet avhenger av massen til målatomene.
Dermed vil de tilbakespredte partiklene ankomme detektoren med en annen energi enn utslippene, og da dette forholdet er kjent for hvert element i en gitt vinkel, kan vi deretter utlede den elementære sammensetningen av den analyserte prøven. APXS-detektoren er plassert slik at den mottar tilbakespredte stråler i en vinkel på mellom 140 og 175 ° i forhold til den utsendte α-strålingen, siden det er i denne vinkelen at forskjellen i energiforholdene før / etter kollisjoner er høyere for elementer av lignende atommasser.
De fleste av de elektroniske komponentene i APXS er plassert i karossen. Hodet til detektoren holdes av en elektronisk arm koblet til dette kjøretøyet.
Hodet til detektoren er distribuert på overflaten av prøven som skal analyseres, i dette spesifikke tilfellet overflaten av marsjord. Ingen prøveforberedelse er nødvendig, men en roverrelatert støvbørste kan brukes til å fjerne støv på prøven om nødvendig. Avstanden mellom detektorhodet og prøven skal vanligvis være mindre enn 2 cm. Strålingen forklart ovenfor sendes deretter til overflaten av prøven i variabel varighet. Forekomsten av elementer påvirker denne varigheten, elementer med en overflod lik eller større enn 0,5 % (Na, Al, Ca, Fe, Mg, Si, Ca eller S) analyseres over en periode på nær 15 minutter, mens elementene til stede i sporform (Ni og Br) analyseres over en periode på opptil 3 timer. Når skanningen er fullført, sendes dataene til kjøretøyet. Disse 32 kilobyte i størrelse inneholder blant annet 13 spektre tatt etter hverandre. Antall spektra tillater en statistisk analyse av resultatene. Bare data med høy repeterbarhet beholdes.
Bilens elektroniske arm ( Instrument Deployment Device , IDD) gjør at APXS kan distribueres og plasseres i forskjellige høyder og orienteringer i forhold til bakkenivå. Rotasjonen gjør det mulig å orientere detektoren og dermed plassere den rett foran prøven.
Kalibrering gjøres på forhånd, før utstyret lanseres på Mars. Et stort antall geostandarder (standarder) har blitt studert etter tidligere kalibreringskampanjer. Standardene er utarbeidet fra geologiske prøver validert av kvalifiserte institusjoner. For de to første romoppdragene som utgjorde Mars Exploration Rover (MER) -prosjektet, hadde enhetene 8 geostandarder og 3 meteoritter om bord, samt oksid- og metallstandarder. Instrumentets ytelse og stabilitet studeres på to måter:
Kontaktringens diameter er 1,7 cm , en økning i den vil resultere i en reduksjon i signalstyrken. Ulike sensorer er integrert i den for å tillate, når du plasserer detektoren, å indikere for kjøretøyet at bevegelsen har stoppet. Det er 6 α-detektorer.
Det er gjort en rekke forbedringer mellom de to Mars Exploration Rover (MER) oppdragene og Mars Science Laboratory (MSL). Forbedringen inkluderer blant annet en økning i følsomhet med en faktor på 3, forbedret følsomhet for tunge elementer mulig takket være en økning i intensiteten på røntgenstrålene, muligheten for å utføre dagsanalyser takket være bruken av Peltier-kjølere, bruken av et kalibreringsmål laget av basalt montert på roverens IDD spesielt for APXS, og reduksjonen i opptakstid av diffraksjonsspektre (~ 10 sekunder) røntgen.
Denne nye modellen ble utviklet av Canadian Space Agency (CSA), en internasjonal partner for Mars Science Laboratory (MSL) -misjonen, og ble plassert på Curiosity, roveren sendt for dette oppdraget. Den viktigste etterforskeren av APXS er Ralf Gellert fra University of Guelph, Ontario, som utviklet de tidligere modellene.
Brukt i APXS er det en elektronisk styrt varmespredningsenhet. Den består av et mangfold av termoelementer som er koblet i serie med kobberpunkter. En temperaturforskjell ved krysspunktene til de forskjellige elektriske lederne induseres av Peltier-effekten når en strøm påføres. Røntgendetektorbrikker holdes ved temperaturer under 0 ° C med disse kjølere. Siden kvaliteten på analysene forbedres ved lave temperaturer (mellom 0,2 keV og 6,4 keV ved ~ -5 ° C og < 150 eV ved ~ -15 ° C), er det da mulig å oppnå en høyere oppløsning for disse analysene.
APXS gjør det mulig å tilby en presis måling av de forskjellige elementene som finnes i en prøve. For eksempel er deteksjonsgrensen (LD) ~ 100 ppm for nikkel (Ni) og ~ 20 ppm for brom (Br) for 3 timers anskaffelser.
Mars er en planet som opplever massive støvstormer, og det er hva APXS jordskanning har avslørt. Sammensetningen av jordene (analysert på forskjellige landingssteder for sonder og romfartøy sendt til Mars) tilsvarer faktisk den blandede fordelingen av dette støvet som følge av disse stormene på overflaten av planeten, og er relativt lik for hvert analysested. Disse jordsmonnene består hovedsakelig av oksider av silisium, jern, kalsium eller til og med svovel og aluminiumoksid (se følgende tabell).
| Oksid | Na 2 O | MgO | Al 2 O 3 | SiO 2 | P 2 O 5 | SÅ 3 | FeO | K 2 O | CaO | TiO 2 | Cr 2 O 3 | MnO |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Konsentrasjon (% vekt) | 3.3 | 9.3 | 10 | 45.8 | 0,84 | 5,82 | 15.8 | 0,41 | 6.1 | 0,81 | 0,35 | 0,31 |
| Elementer | Eller | Cl | Br | Zn | ||||||||
| Konsentrasjon (ppm) | 450 | 530 | 30 | 300 |
En av de viktigste observasjonene fra disse målingene er at tilstedeværelsen av brom i jord, men spesielt i bergarter (og i større mengde, rundt 170 ppm) kan indikere en endring av overflaten i løpet av en aktivitetsperiode. .