В этой статье хочу рассказать немного об устройстве и применении такого прибора как рентгеновский спектрометр альфа-частиц. Этот прибор, как следует из названия, является спектрометром, то есть с его помощью можно определять химический состав образцов не проводя с ними никаких аналитических манипуляций или химических анализов. Это значительно экономит время и в силу простоты использования нашёл применение в автоматических межпланетных аппаратах. APXS применялись на следующих аппаратах: Surveyor, Curiosity, Фобос, Pathfinder, Марс-96, Spirit, Opportunity, Rosetta, а также будет использован в будущей индийской миссии к Луне – Chandrayan-3.
А сейчас по подробнее о физике процесса, надеюсь будет не сложно, постараюсь объяснить как можно проще. В данном типе спектрометров применяется сразу два вида ионизирующего излучения – рентгеновское и альфа излучение, для определения химического состава. Альфа излучение – являет собой поток ядер гелия без электронов. Если направить мощный поток альфа-излучения на исследуемый образец, то некоторые частицы будут отражаться, затем альфа-детекторы анализируют отражённые частицы. Отражаясь от образца, альфа-частица передаёт часть своей кинетической энергии другим атомам, теряя импульс. Зная начальную энергию испускаемых альфа-частиц и их массу, можно подсчитать какая масса атома, которому частица передала импульс. В зависимости от массы элемента, потеря импульса альфа-частицой будет разной, а значит можно без труда идентифицировать химический элемент. Также для этого метода подойдут и протоны.
Другое излучение – рентгеновское используется в спектрометре параллельно с альфа-излучением. Причина использовать разные виды излучения проста; альфа более эффективно определяет кислород и углерод, протоны более эффективно определяют натрий, магний, алюминий, серу, кремний, а рентген наиболее эффективен для тяжёлых элементов. Единственные два элемента которые нельзя определить таким образом – водород и гелий. Для анализа рентгеновскими лучами применяют метод рентгеновской флуоресценции. При облучении рентгеновский квант может передать свою энергию атому, который в следствии перейдёт в возбуждённое состояние и один из электронов перейдёт на более высокую орбиталь. В таком состоянии атом пробудет около микросекунды после чего релаксирует – один из элекектронов преобретёт энергию и покинет атом, такие электроны называют оже-электроанами. Также электрон (тот который перешёл на орбиталь выше) может вернутся на своё прежнее место, испуская излишек энергии в виде рентгеновского кванта. Это и называется рентгеновская флуоресценция. Причём каждый элемент таблицы Менделеева будет испускать свой уникальный квант с определённой энергией именно для этого элемента. Примером, железо будет флуоресцировать рентгеном с энергией 6.4 кэВ. Специальный детектор регистрирует эти кванты строя вот такой график где по оси х отмечается энергия приходящих квантов, а по оси y их количество.
В качестве источника альфа-излучения почти всегда применяют изотоп кюрия Cm-244. Период полураспада этого изотопа составляет 18.1 лет. Энергия испускаемых альфа частиц 5.8 МэВ, но для зашиты источника от всяческих повреждений и пыли, их приходится закрывать алюминиевой или титановой фольгой. Толщина такой фольги не превышает нескольких микрон, что бы альфа-частицы могли пройти сквозь неё. Хотя и в этом случае их энергия снижается до 5.2 МэВ. Активность альфа-источника, например, в детекторе установленном на марсоходах Spirit и Opportunity составляла 30 мКи (мили Кюри) что равняется 1.1 ГБк (гига бекерель) или 1 миллиард 100 миллионов распадов в секунду. Стоит заметить, что цена кюрия очень высокая; точной информации кроме как – “десятки тысяч долларов за грамм” в интернете нет. В качестве источника рентгеновского-излучения часто используют изотоп плутония Pu-240, нежели рентгеновские трубки. Этот изотоп является продуктом распада кюрия, а значит делать отдельный источник рентгеновских лучей не надо. Он уже присутствует в альфа-источнике.
Конструкция почти всех спектрометров одинакова – в центре находится кремниевый детектор рентгеновского излучения, охлаждаемый элементами Пельтье; вокруг расположены шесть источников альфа/рентгеновского-излучения; а также вокруг имеются шесть детекторов альфа-частиц с коллиматорами. Прибор при помощи манипулятора размещается на расстоянии около 2 см от материала, который надо проанализировать. Специальное контактное кольцо фиксируется на камне и арматура придвигается поближе к пробе. Затем начинаются измерения. Весь процесс анализа может занять от 15 минут до 10 часов.