Alphapartikel-Röntgenspektrometer

Ein Alphapartikel-Röntgenspektrometer (APXS) (oder Alpha Proton Röntgen Spektrometer für die Pathfinder-Mission) ist ein Gerät, das die prozentualen Anteile der chemischen Elemente in einer Probenoberfläche durch die reflektierten Alphateilchen, emittierten Protonen (nur bei Pathfinder), und Röntgen-Fluoreszenz nach der Bestrahlung mit Alphateilchen und Röntgenstrahlung aus einer radioaktiven Quelle ermittelt. Es gibt schnellere Methoden zur Analyse der chemischen Zusammensetzung, die kein radioaktives Material benötigen. Deshalb wird diese kompakte und stromsparende Methode nur bei Raumfahrtmissionen verwendet. Während der letzten Jahrzehnte wurden mehrere verschiedene Versionen des APS (ohne Röntgenspektrometer) oder APXS (mit Röntgenspektrometer) bei folgenden Missionen benutzt oder ihre Nutzung wurde geplant: Surveyor 5–7, Mars Pathfinder, Mars 96, Mars Exploration Rover, Phobos, Lander Philae, Mars Science Laboratory, Yutu und die Exomars-Mission.

Alphapartikel-Röntgenspektrometer Typ von Spirit und Opportunity (Foto NASA/JPL-Caltech)

Das APXS auf der Rückseite von Mars Pathfinders Sojourner Rover

Strahlenquelle

Die Alphateilchen von 5,8 MeV werden von Curium ²⁴⁴Cm freigesetzt, während die Röntgenstrahlung von 14 und 18 keV von dessen Zerfallsprodukt Plutonium ²⁴⁰ kommt. Bei dem Instrument der Athena-Nutzlast der Mars Exploration Rovers beträgt die Aktivität 30 mCi.

Alphateilchen

Einige der mit definierter Energie ausgesendeten Alphateilchen werden zum Detektor zurückgeworfen, wenn sie mit einem Atomkern zusammenstoßen. Die physikalischen Gesetze für Rutherford Backscattering Spectrometry in einem Winkel nahe 180° entsprechen dem Energieerhaltungssatz und der Erhaltung des Impulses. Dies macht es möglich, die Masse des vom Alphateilchen getroffenen Kerns zu berechnen. Leichte Elemente absorbieren mehr Energie des Alphateilchens. Alphateilchen von schweren Atomkernen werden dagegen nahezu mit derselben Energie reflektiert. Das Energiespektrum der reflektierten Alphateilchen zeigt Spitzen von 25 % bis nahezu 100 % der Energie der emittierten Alphateilchen. Dieses Spektrum macht es möglich, die Zusammensetzung der Probe, besonders der darin enthaltenen leichten Elemente, festzustellen. Die geringe Rückstrahlrate macht eine lange Bestrahlungszeit nötig. Die Eindringtiefe der Strahlung beträgt nur wenige Mikrometer, deshalb muss das zu untersuchende Objekt z. B. vom Staub befreit sein.

Protonen

Einige der Alphateilchen werden von den Atomkernen aufgenommen. Der [alpha,Proton] Prozess produziert Protonen mit einer bestimmten Energie welche gemessen werden. Natrium, Magnesium, Silicium, Aluminium und Schwefel können so nachgewiesen werden. Diese Methode wurde nur vom Mars Pathfinder APXS verwendet. Bei den APXS für die Mars Exploration Rovers wurde der Protonendetektor durch einen zweiten Alphateilchensensor ersetzt.

Röntgenstrahlung

Die Alphateilchen können auch von den inneren Elektronenschalen (K- and L-Schale) eines Atoms Elektronen wegkatapultieren. Diese Löcher werden durch Elektronen aus äußeren Schalen aufgefüllt, was zur Ausstrahlung charakteristischer Röntgenstrahlung führt. Dieses nennt man Partikel-induzierte Röntgenemission, die leicht registriert werden kann, und die ihre größte Empfindlichkeit und Auflösung bei den schweren Elementen (schwerer als Natrium) hat.

Weblinks

Commons: Alphapartikel-Röntgenspektrometer – Sammlung von Bildern

• Seite über die APXS NASA
• H. Wänke, J. Brückner, G. Dreibus, R. Rieder, I. Ryabchikov: Chemical Composition of Rocks and Soils at the Pathfinder Site. In: Space Science Reviews, Volume 96, 2001, S. 317–330, doi:10.1023/A:1011961725645

Einzelnachweise

1. T.E. Economou, A.L. Turkevich, K.P. Sowinski, J.H. Patterson, E.J. Franzgrote: The Alpha-Scattering Technique of Chemical Analysis. In: J. Geophysical Research, Volume 75, 1970, S. 6514
2. J.H. Patterson, E.J. Franzgrote, A.L. Turkevich, W.A. Anderson, T.E. Economou, H.E. Griffin, S.L. Grotch, K.P. Sowinski: Alpha-scattering experiment on Surveyor 7 – Comparison with Surveyors 5 and 6. In: J. Geophysical Research, Volume 74, 1969, S. 6120–6148
3. R. Rieder, H. Wänke, T. Economou, A. Turkevich: Determination of the chemical composition of Martian soil and rocks:The alpha proton X ray spectrometer. In: J. Geophysical Research, Volume 102, 1997, S. 4027–4044
4. R. Rieder, H. Wanke, T. Economou: An Alpha Proton X-Ray Spectrometer for Mars-96 and Mars Pathfinder. American Astronomical Society, Volume 28, 1997, S. 1062, bibcode:1996DPS....28.0221R
5. R. Rieder, R. Gellert, J. Brückner, G. Klingelhöfer, G. Dreibus, A. Yen, S. W. Squyres: The new Athena alpha particle X-ray spectrometer for the Mars Exploration Rovers. In: J. Geophysical Research, Volume 108, 2003, S. 8066
6. D. Hovestadt, B. Andreichikov, J. Brückner, T. Economou, B. Klecker, E. Kunneth, P. Laeverenz, L. Mukhin, A. Prilutskii, V. Radchenko, C. Reppin, R. Rieder, R. Sagdeev, C.S. Sastri, A. Turkevich, V. Vasiliev, H. Wänke: In-Situ Measurement of the Surface Composition of the Mars Moon Phobos: The Alpha-X Experiment on the Phobos Mission. (PDF; 435 kB) In: Abstracts of the Lunar and Planetary Science Conference, Volume 19, 1988, S. 511
7. (Memento vom 23. November 2017 im Internet Archive) Gunters Space Page; abgerufen 23. Dezember 2013
8. G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot, A. H. Wapstra: The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties. In: Nuclear Physics. Band A 729, 2003, S. 3–128. doi:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. (PDF; 1,0 MB).
9. Mars Exploration Rovers. bernd-leitenberger.de