2.4. Метод масс-спектроскопии с лазерной ионизацией вещества

Для определения элементного состава сложных веществ, например, грунта Земли и окружающих ее планет эффективно используется метод масс-спектроскопии с лазерной ионизацией вещества [34].

При исследовании элементного состава грунта планет проблема чрезвычайно усложняется. Прежде всего, возникает ряд дополнительных требований к аппаратуре, связанных с необходимостью транспортировки ее к поверхности планеты (экспедиции «Фобос-1» и «Фобос-2») или с необходимостью внедрения комплекса аппаратуры на глубину 5-б метров (зонды-пенетраторы). В эксперименте «Лимма (экспедиция «Фобос-1») планировалось ионизировать пробу грунта с помощью стимулированного лазерного излучения. Для обеспечения эксперимента на борту летательного аппарата был размещен двухкаскадный гранатовый лазер на ИАГ:Nd³⁺, в котором первый каскад представлял собой задающий генератор, второй каскад — квантовый усилитель. В обоих каскадах использовалась оптическая накачка с помощью короткоимпульсных ламп, поджиг которых осуществлялся от электрического блока питания. Лазерная система обеспечивала излучение с энергией около 1Дж, сфокусированное на поверхность планеты с помощью телескопической системы пятном, имеющим диаметр 1 мм. Длительность импульса составляла 10^-8 – 10^-9 с, а пиковое значение мощности излучения величину 10⁸ - 10⁹ Вт, при плотности мощности излучения немногим меньше 10¹¹ – 10¹² Вт/см². Длина волны излучения для ИАГ:Nd³⁺-лазера —1064 нм. Использование лазера указанными параметрами вызывает взрывоподобное (абляционное) испарение грунта с поверхности планеты и ионизацию вещества. Образовавшиеся ионы частично попадают в ловушку масс-спектрометра, установленного на борту летательного аппарата [35].

Элементный состав грунта поверхности планеты определяют время-пролетным динамическим масс-анализатором, путем измерения времени пролета ионов с разным отношением m/e, то есть:

, (2.4.1)

где: t — время пролета, m и е — масса и заряд ионов, пролетевших расстояние от поверхности планеты до ловушки, V — ускоряющий потенциал.

Масс-спектрометр разделяет ионизированные лазерным излучением частицы вещества (молекулы, атомы) по их массам за счет воздействия магнитных и электрических полей на пучки ионов, летящих в вакууме.

Во время-пролетном масс-анализаторе (рис.2.4.1) образовавшиеся ионы «впрыскиваются» в виде «ионного налета» через сетку 1 в анализатор 2, представляющий собой эквипотенциальное пространство. Дрейфуя вдоль анализатора по направлению к коллектору ионов 3, исходный пакет «расслаивается» на ряд пакетов, каждый из которых состоит из ионов с одинаковой m/еV. Расслоение обусловлено тем, что в исходном пакете энергия всех ионов одинакова, а их скорости и, следовательно, время пролета t анализатора обратно пропорционально . Последовательность ионных полетов, приходящих на коллектор образует масс-спектр, который регистрируется.

С целью получения более достоверной информации, исключающей по грешности, связанные с определением элементного состава космического мусора (космической пыли, нагромождение метеоритов и т.п.), принадлежащего другим планетам, а также с целью обнаружения водяного льда, планируется внедрение разрабатываемых аппаратных комплексов (пенетраторов) на глубину 5-6 метров от поверхности планеты. [36].

Рис.2.4.1. Схема время-пролетного масс-анализатора: пакет ионов с массами m₁ и m₂ (черные и белые кружки), m₁ - тяжелые ионы, m₂ - легкие ионы; 1 - сетка, 2 - дрейфовое пространство; 3 - коллектор ионов.

Отделение от космического аппарата и автономный полет пенетраторов начинается за 3-5 суток до подлета к Марсу, в результате чего зонды переходят на падающую траекторию, обеспечивающую их внедрение в заданных районах Марса (рис.2.4.2). По достижению атмосферы зонды сначала с помощью жесткого конуса, а затем — надувного тормозного устройства совершают аэродинамическое торможение до заданной скорости и внедряются в грунт Марса. При касании поверхности происходит разделение хвостовой и носовой частей. Внедряемая часть зонда с научной и служебной аппаратурой проникает в грунт планеты, а хвостовая часть с остальной аппаратурой остается на поверхности.

Рис.2.4.2. Схема спуска пенетратора на поверхность Марса

После внедрения зонда начинаются научные исследования. Передача информации осуществляется на орбитальный аппарат, длительность сеанса связи около 6 минут.

Проект экспедиции к Марсу автоматического космического аппарата пенетратора (рис.2.4.3) включает в себя обширные многоплановые научные эксперименты по изучению поверхности, коры, атмосферы, метеорологических параметров, а также эксперименты по изучению элементного состава марсианских пород [14].

Для проведения указанных экспериментов пенетраторы (рис.2.4.3) оснащаются гамма-спектрометром, рентгеновским и нейтронным спектрометрами, а также альфа-Р-спектрометром.

Гамма-спектрометр предназначен для определения элементного состава пород Марса. Методика измерений основана на регистрации гамма-излучения естественных радионуклидов К, Тh, U и гамма-излучения, обусловленного ядерными взаимодействиями космических лучей с элементами, входящими в состав марсианских пород [35].

Регистрируемое прибором гамма-излучение позволяет определить в по- родах концентрацию Н, Na, Мg, Аl, Si, К, Сl, Са, Тi, Мn, Fе, Тh, U. Диапазон измерений спектров γ-излучений 0,3-9,0 МэВ. Энергопотребление 1,7 Вт, масса 0,8 кг.

Нейтронный спектрометр предназначен для решения задач по определению элементного состава подповерхностных пород, в том числе летучих (S, Сl), породообразующих (Мg, Аl, Si, Са, Тi, Fе) и минорных элементов. Методика измерений основана на возбуждении радиоизотопными источниками Fе 55, Сd 109 флуоресцентного излучения в пробе породы [14]. Энергопотребление 1,7 Вт, масса 0,8 кг.

Нейтронный спектрометр предназначен для определения содержания и изменения влажности и плотности породы с глубиной. Методика измерений основана на регистрации нейтронов, рассеянных на ядрах элементов породы. Влагосодержание определяется в объеме породы 0,3 м³, энергопотребление 0,25 Вт, масса 0,2кг.

Альфа-Р-спектрометр предназначен для определения элементного состава пород, в том числе содержания легких элементов (С, N, Е) и основных породообразующих элементов (О, Na, Mg, Si, S, K, Ca, Fe) в пробе грунта малого объема.

Методика измерений основана на облучении пробы породы альфа-частицами радиоизотопного источника Сm 244 активностью 60-80 мКи. Прибор регистрирует спектр рассеянных альфа-частиц и вторичных протонов. Энергетический диапазон 0,8-6,3 МэВ, энергопотребление 0,5 Вт, масса 0,32 кг.

Для энергетического обеспечения всего аппаратурного комплекса пенетратор имеет радионуклидный термо-электрогенератор на основе плутония-238 мощностью 0,4 Вт и литиевые батареи с ресурсом 10 А.ч. К аппаратному комплексу также выдвигаются дополнительные требования, связанные с перегрузками на пенетраторе при соударении с поверхностью планеты, равными 500g. При этом предполагается, что масса внедряемого зонда равна 45кг, при массе научной аппаратуры 4,5 кг.

В проблеме детектирования элементного состава вещества и определения концентрации его ингредиентов важное место занимает метод хроматографии.

Хроматографический метод – это совокупность методов разделения многокомпонентных смесей, основанных на использовании сорбции в динамических условиях. Это физический метод распределения, при котором разделяемые вещества распределяются между двумя фазами, одна из которых неподвижная, другая – подвижная и фильтруется через слой неподвижной фазы.

Рис.2.4.3. Схема пенетратора