Espectrómetro de rayos X de partículas alfa ( APXS , del inglés - "Espectrómetro de rayos X de partículas alfa") - un espectrómetroutilizado para obtener la composición química de los elementos principales y secundarios (con la excepción del hidrógeno ) de la muestra en estudio. La muestra se bombardea con partículas α ( 4 He 2+ ) y rayos X . La detección de la difusión de estas partículas α y la fluorescencia de rayos X que resulta de este bombardeo permite conocer la composición de la muestra. Este método de análisis de la composición elemental de la muestra se usa con mayor frecuencia en misiones espaciales, donde se requiere poco peso, tamaño pequeño y consumo mínimo de energía. Otros métodos (como la espectrometría de masas ) son más rápidos y no requieren el uso de materiales radiactivos, pero requieren equipos más grandes con requisitos de energía menos modestos. Una variante del APXS es el espectrómetro de rayos X de protones alfa utilizado en la misión Mars Pathfinder , que también detecta protones . APXS, así como APS (versión anterior sin espectrómetro de rayos X ), se utilizaron en muchas misiones espaciales : Surveyor [1] , Phobos [2] , Mars-96 [3] , Mars Pathfinder [4] , Mars Exploration Rover [ 5] , Laboratorio de Ciencias de Marte , Rosetta [6] . Los espectrómetros APS/APXS se incluirán en varias próximas misiones, incluido el rover Chandrayaan 2 [7] .
En APXS, la fuente de radiación alfa suele ser curio-244 (vida media de 18,1 años) [8] . Durante la desintegración alfa , los rayos X se generan fuera del flujo alfa, lo que complica la interpretación de los espectros registrados : la información sobre la emisión característica de rayos X de la muestra se forma teniendo en cuenta la radiación de la fuente α.
Debido a la complejidad de los procesos físicos de determinación de la composición química del material en estudio (rocas o suelos marcianos), se requiere el uso simultáneo de diferentes tipos de detectores. La misión Mars Pathfinder (1997) llevó un APXS con un detector de partículas en el rover Sojourner . Luego se encontró que en el caso de los elementos livianos en la superficie de la muestra (incluidos el carbono y el oxígeno [9] ), la característica más efectiva es la radiación alfa (la energía y los números asociados con el tipo de elemento correspondiente y su concentración) . Para elementos con números atómicos en el rango 9-14, la característica efectiva es el valor de la energía liberada por los protones , y para los elementos más pesados (los menos comunes) - el espectro de rayos X emitidos [9] .
Las primeras versiones del APXS, equipadas con un detector de partículas alfa, protones y rayos X, se instalaron en la década de 1950 en los módulos de aterrizaje American Surveyor 5-7 (1967-1968) [1] ; APXS también estuvo a bordo de las estaciones espaciales soviéticas Phobos (1988) [2] . Su uso también estaba previsto en el programa de la fallida misión Mars-96 [3] [10] . Durante la misión Mars Pathfinder (1996-1997), el rover Sojourner llevaba un APXS de 600 g con un consumo de energía de 300 mW, preparado para estudiar la concentración de elementos si su proporción supera el 1% (incluidos carbono , nitrógeno y oxígeno ). Se dirigió un haz de radiación alfa de curio-244 ( con una actividad de 50 mCi ) a la superficie investigada con un diámetro de 50 mm. Se suministraron fuentes de radiación rusas basadas en curio-244 producidas por JSC "SSC RIAR" para completar los espectrómetros de rayos X de protones alfa de los rovers Sojourner, Opportunity y Curiosity [11] [ 12] , el vehículo de descenso Philae , así como como el vehículo lunar Vikram [13] [ 14] . Se utilizó un módulo electrónico con dimensiones de 80 × 70 × 60 mm [10] para registrar el espectro de rayos X y las señales recibidas por los detectores de radiación de partículas (partículas alfa y protones) .
El APXS del rover Sojourner utilizado durante la misión Mars Pathfinder [4] ha sido mejorado desde entonces. Se instaló una versión mejorada de APXS a bordo de la misión Mars Exploration Rover Spirit (MER-A) y Opportunity (MER-B), que aterrizó en el planeta rojo en enero de 2004 [9] [15] .
Se colocaron seis emisores de curio-244 en el cabezal detector APXS de los rovers MER, que estaba montado en sus manipuladores. Los emisores se cubrieron con una capa de aluminio de 3 μm de espesor , lo que redujo la energía de las partículas α emitidas de 5,8 a 5,2 MeV . Se creó un haz paralelo de 38 mm de diámetro en el colimador . Se colocaron seis detectores de partículas alfa dispersas alrededor de las fuentes de radiación. En el centro del APXS había un detector de rayos X de silicio . El tiempo de registro para un espectro fue de al menos 10 horas [9] .
El rover Mars Science Laboratory de nueva generación recibió una versión actualizada de APXS [8] [15] . Los cambios del APXS de los rovers MER incluyen duplicar la cantidad de curio-244 (700 microgramos de un isótopo radiactivo con una actividad de 600 mCi) e introducir un elemento Peltier para enfriar el detector de rayos X, lo que permite su funcionamiento durante el día marciano. Para calibrar APXS, se instala un objetivo de basalto en el móvil. El cabezal de la sonda puede estar en contacto con la superficie investigada o colgar sobre ella a una distancia determinada (normalmente menos de 2 cm) [8] [15] .
El APXS del rover MSL es varias veces más sensible que el APXS de los rover MER: aproximadamente tres veces mejor para elementos de bajo número atómico y aproximadamente seis veces mejor para elementos de mayor número atómico . El análisis de concentraciones bajas, como 100 ppm de níquel y unas 20 ppm de bromo , tarda unas 3 horas. El análisis de los elementos presentes en cantidades de alrededor del 0,5 % (p. ej ., sodio , magnesio , aluminio , silicio , calcio , hierro , azufre ) se realiza en 10 minutos (o más rápido) [15] .
Durante el análisis, se pueden registrar hasta 13 espectros, presentados como un flujo de señales en serie de los sensores. Los datos recopilados de acuerdo con el software interno se dividen en intervalos de tiempo iguales para su posterior procesamiento [15] .
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