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Mars 2020:微型XRF光谱仪助力寻找火星生命迹象

2019-10-22 10:37:13 178

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美国国家航空航天局(NASA)将于2020年发射的新型火星车将采用一个名为“ PIXL”的微型X射线荧光(micro-XRF)分析仪器,即用于“X射线岩石化学探测的行星仪器(Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry)”。 PIXL将安装在该火星车的机械手臂的末端,旨在对火星上的岩石和土壤的元素组成进行精细识别。 它是Mars 2020火星车上寻找火星上过去生命迹象的七种工具之一。 来自加利福尼亚州帕萨迪纳市的美国国家航空航天局喷气推进实验室负责PIXL项目的首席研究员阿比盖尔·艾德伍德(Abigail Allwood)介绍了该仪器的开发及其使用方法。

在这次和之前的火星探测任务中使用的一系列仪器中,micro-XRF的具体贡献是什么?换句话说,这项技术提供了哪些以往没有的信息?

PIXL将为火星车2020探测任务做出几项贡献。 PIXL将检查岩石和土壤中亚毫米尺度的化学元素的含量和分布。 PIXL使用微型XRF光谱仪和相机-光学基准系统可将化学物质与精细的可见纹理关联起来。 PIXL可测量单个颗粒,胶结物,凝固物,岩脉,层状物和晶体的成分。 PIXL在前火星车的化学测量基础上提高了空间分辨和灵敏度。之前测量方式是火星科学实验室和火星探测车任务开发的α粒子X射线光谱仪(APXS)实现的。

本质上,PIXL是岩石学研究,是对岩石成分,质地和微结构的综合研究。 PIXL进行的测量将对岩石形成和蚀变的过程提供非常详细的分析,这对于了解过去的可居住性和生物特征保存(的潜力)非常重要。

PIXL与火星车2020上的其它地表地质仪器配合得很好:如SHERLOC,可使用臂式紫外线荧光和拉曼光谱仪对有机物和矿物质进行近距离的研究; Supercam,安装在桅杆上,利用红外光谱、激光诱导击穿光谱和拉曼光谱对元素和矿物进行远程测量, 还有Mastcam-Z,一个安装在桅杆上的探测相机。整套仪器的功能将使我们对火星地质学和天体生物学的细节研究更上一层。

使用PIXL可寻找的哪些可能表明火星上曾经存在过生命的生物特征?

PIXL将根据所讨论的生物特征的类型扮演不同的角色。 就全面检测而言,PIXL适合于化学生物特征-广义上适用于可能源自微生物新陈代谢的任何一种元素模式或特征。 一个例子是富钒的“还原斑点”,即红床还原区中的微小黑点,那里的钒和其他生物学上相关的元素的局部富集被认为反映了生物过程。

PIXL同时可对地质进行分析,引导火星车到有生物特征的位置。然后,它将记录检测到的任何其他潜在生物特征的地球化学特征(例如,通过测量叠层石中各层的化学组成),或测量有机沉积物的地球化学或质地。 最后,它将重现地质环境,帮助分析在火星或带回地球的样本中发现的潜在生物特征。

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仪器有多灵敏?它获得光谱的速度有多快?在火星上工作,如何平衡对灵敏度和速度的需求?

PIXL可以在大约5–20秒内的主量和微量元素。 痕量元素检测(百万分之几十到几百万分之一)需要几分钟到30分钟左右。

我们有两种非常有效的方式来平衡灵敏度和时间。 一种方法是对光谱求和。 这涉及将岩石成分发出的光谱组合到一起。 例如,如果一块岩石上有浅层和暗层,并且每层上有100个十秒钟的停留时间,我们将浅层的所有光谱求和,即可得到浅层整体分析结果,其灵敏度等同于1000秒的采集。

另一种方法是通过自主识别不同的岩石成分来触发长的停留这称为自适应采样。 这种方法使用机载算法实时监测光谱并识别某些光谱超过阈值的时间。 建立阈值是为了识别PIXL扫描从岩石的一个部分过渡到另一个组成不同的岩石部分(如辉石颗粒变成硫酸盐颗粒)的时间。    

你能解释一下自适应抽样是如何提高抽样质量的吗?

自适应采样通过确保在每个可识别的岩石组成部分上至少有一个长停留(例如2分钟而不是最低的10秒)来改进对给定岩石目标的分析。 长时间的停留使我们对那个岩石成分的痕量元素组成更加灵敏。 如果要以其他方式获得2分钟的停留时间,则必须在每个位置都进行此操作,这将使总的测量时间太长,难以接受。

当仪器在火星上时,如何确定采样位置?

根据我们对迄今为止所观察到的地质情况的解读,以及所有的探测车仪器和轨道仪器数据。

PIXL还集成了高分辨率相机。 相机功能在解读XRF数据方面有多重要? XRF光谱和相机图像如何一起使用?

相机对于将测量到的化学物质与精细的纹理和微观结构关联一起至关重要。了解岩石的哪一部分(如颗粒与水泥或基质与矿脉)与化学成分有关,对于了解所测成分的来源和意义至关重要。

通过将光束图案投射到岩石表面,我们将化学性质与图像相关联。 光线图案与X射线光束有已知的几何关系,因此即使X射线光束不可见,我们也可以非常精确地确定X射线束在粗糙或平坦表面上的位置。

要确保该仪器在火星上足够坚固,需要面临哪些挑战?

最大的技术挑战之一是提供X射线管的高压电源。 在周围的火星环境中,我们必须在探测车臂的末端产生28 kV的电压,而这个电压容易造成电击穿。实现准确,精确的手臂定位也非常困难。对于带有大量仪器的大型探测车的臂末端,PIXL与其理想的安装距离约3厘米,非常接近。

在此仪器或其零件的开发中,您与商业仪器制造商进行了哪些合作?

自PIXL于2010年成立以来,我们有两个关键的企业合作伙伴一直与我们合作。Moxtek正在制造X射线管,这是一种为PIXL开发的微型,低功耗,侧窗设计的射线管。 它类似于该公司其他商用微型管,但由托德·帕克(Todd Parker)开发,以满足我们的特定需求。 XOS提供了定制的多毛细管X射线聚焦光学器件,优化了与Moxtek管的集成。这可能是多毛细管X射线光学元件首次与微型低功率X射线管集成在一起,以用于“便携式”仪器应用。 双方合作都很出色,他们的支持对项目的成功非常重要。

Reference

(1) D.R. Thompson, A. Allwood, C. Assaid, D. Flannery, R. Hodyss, E. Knowles, and L. Wade, “Adaptive Sampling for Rover X-ray Lithochemistry,” Proceedings of the International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space,Montreal, Quebec, 2014.

个人简介

Abigail Allwood是位于美国加利福尼亚州帕萨迪纳市(NASA)的NASA喷气推进实验室的一名天体生物学家。她是2020年火星探测器任务的PIXL(X射线岩石化学行星仪器)的首席研究员,还是专门研究古代微生物生物特征的研究科学家。她通过现场调查和实验室中现场样本的多学科分析,研究了地球上生命和培育原始生物群系的最早证据。结合她在沉积地质学和古生物学方面的专业知识,Allwood对西澳大利亚州的古古陆叠层石(微生物沉积结构)的研究提供了生命古物的令人信服的证据,表明34.5亿年前地球上存在微生物,在浅海环境中形成了礁状结构。

在JPL上,Allwood将她的注意力转移到了地球之外,将从地球古生物学中汲取的教训应用于寻找火星上古代生命的证据。看到微聚焦X射线荧光光谱法(micro-XRF)可以用于分析她的地面样本,她开发了一种微型XRF仪器,用于行星探测器任务。该仪器– PIXL –现在是被选为2020年飞往火星的科学有效载荷的一部分,它将被用于分析火星车遇到的岩石和土壤,并寻找火星生命的潜在证据。

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