Мессбауэровский спектрометр для анализа минералогии железа на поверхности Марса

Мессбауэровская спектроскопия является мощным средством для исследования минералогии железосодержащих материалов. Мессбауэровские спектрометры интенсивно использовались для лабораторного анализа образцов лунного фунта и метеоритов (в том числе имеющих марсианское происхождение). Однако до 2004 года ни одна межпланетная экспедиция не имела в составе данных приборов. Эта ситуация изменилась с посадкой на Марсе двух американских марсоходов MER (Mars Exploration Rovers). Аппараты «Spirit» и «Opportunity» содержат в своем составе Миниатюризированный Мессбауэровский Спектрометр (MIMOS II), созданный в университете г. Майнца (Германия) при участии российских специалистов из Института Космических Исследований РАН.

Оба марсохода совершили посадку на поверхности Марса в январе 2004 года и передали на Землю большое число количество научной информации. Мессбауэровские спектрометры на обоих марсоходах успешно проработали в течение основной миссии (90 марсианских суток) и внесли значительный вклад в определение минералогических особенностей марсианского фунта, указывающих, в частности, на возможность существования воды на поверхности планеты в отдаленном прошлом. На настоящий момент (конец 2005 года) срок работы обоих марсоходов превысил 600 марсианских суток и официально продлен до сентября 2006 года. Оба мессбауэровских спектрометра находятся в рабочем состоянии. Цели работы:

• Создание компонентов мессбауэровского спектрометра и тестирование прибора для применения на поверхности Марса.

• Всесторонняя предполетная калибровка и проверка прибора.

• Наземная поддержка работы мессбауэровских спектрометров на марсоходах «Spirit» и «Opportunity».

• Получение и обработка спектров поверхности Марса.

Научная новизна: Впервые создан миниатюризированный мессбауэровский спектрометр, способный автономно работать на поверхности другой планеты, и получены мессбауэровские спектры поверхности Марса в реальных условиях.

Научная и практическая ценность работы: Создан миниатюризированный мессбауэровский спектрометр для внеземного применения (масса прибора 500 г. (вместе с блоком электроники), энергопотребление менее 3 Вт., возможность полностью автономной работы). Прибор установлен на марсоходах-близнецах MER, продолжающих работу на поверхности Марса с января 2004 г. Идентифицированы различные железосодержащие минералы, присутствующие на поверхности Марса в местах посадки двух марсоходов: в кратере Гусева (Gusev crater) и на Полуденной равнине (Meridiani Planum). Полученные результаты свидетельствуют о возможности существования жидкой воды на поверхности Марса в прошлом. Показано, что данный прибор может найти широкое применения для решения ряда научно-технических задач на Земле. На защиту выносятся:

• Разработка и создание компонентов мессбауэровского спектрометра MIMOS II, в частности, разработка программного обеспечения (ПО) прибора для работы на поверхности Марса и ПО для обработки поступающих на Землю данных;

• Проведение и результаты предполетных и полетных проверок и калибровок прибора;

• Результаты работы спектрометра на поверхности Марса в течение 360 локальных суток;

• Создание базы марсианских мессбауэровских спектров, доступной всем желающим.

Эффект Мессбауэра был открыт почти сорок лет тому назад. Через несколько лет после этого мессбауэровские спектрометры (МС) уже применялись в лабораториях для исследований, имеющих отношение к космическим объектам. Речь шла об анализе образцов лунного грунта, доставленных на Землю, и метеоритов (включая те из них, которые по ряду признаков могли бы иметь марсианское происхождение). Примерно 15 лет тому назад Кнудсен [37] инициировал обсуждение научных задач для МС, доставленного на поверхность Марса.

Практически в это же время Институт космических исследований (ИКИ) РАН начал формирование состава научной аппаратуры для второго этапа исследований по проекту «Марс-94/96», когда на поверхность планеты должен был опуститься марсоход [13]. Естественным выбором для изучения минералогии соединений железа на поверхности Марса оказался МС. В состав научного коллектива по этому направлению вошли лаборатории Е. Н. Евланова и О. Ф. Прилуцкого из ИКИ, а также группы сотрудников из Института атомной энергии имени И. В. Курчатова, из Московского инженерно-физического института и сотрудники Белорусского государственного университета. На уровне лабораторных моделей было показано, что измерения минералогического состава поверхности Марса при помощи МС возможны, но только при решении ряда технических проблем, среди которых оказался важным переход на компактные полупроводниковые детекторы, что в то время было весьма затруднено в российских условиях.

В начале 1990 г. в Дармштадском техническом университете (ФРГ) проводилась Международная конференция по проблемам контроля над вооружениями. Ее организовал д-р Э. Канкеляйт, который был одним из первых аспирантов Мессбауэра и продолжал активно работать в этой области. На конференции присутствовал О. Ф. Прилуцкий, который завязал разговор с Канкеляйтом о перспективах космических исследований [74]. Этот разговор завершился приглашением Дармштадскому техническому университету принять участие в эксперименте с МС на российском марсоходе. Немецкие ученые после года обсуждений согласились участвовать в проекте. Вскоре уже был сформирован облик прибора, а через год был изготовлен прототип бортового МС и проведены первые тестовые измерения. В этот период в работе принимали участие также сотрудники Центра космических исследований Польской Академии наук и Центра научных исследований космических излучений в Тулузе (Франция). Российская сторона предоставила радиоактивные источники Со57, изготовленные в АО «Циклотрон» (Обнинск) и отвечающие всем требованиям для проведения эксперимента в космических условиях. Определился естественный руководитель совместных работ — д-р Г. Клингелхофер, сотрудник Э.Канкеляйта. Но российский проект «Марс-94/96» не удалось осуществить.

Когда начали формироваться научные комплексы для новых американских марсоходов, группа Г. Клингелхофера из Майнцского университета (ФРГ) оказалась единственной, у которой имелся опыт создания бортовых МС. Вполне естественно, что эти приборы были включены в состав марсоходов Mars Exploration Rover (MER) HACA и посадочного модуля Beagles 2 (ЕКА) [35].

Автор диссертации поступил в аспирантуру ИКИ РАН в 1999 г. (в лабораторию Е.Н.Евланова) для работы по марсианскому МС. Вскоре он был направлен на стажировку в группу Г. Клингелхофера, а затем получил приглашение на работу в Майнцском университете. В начале 2004 г. накануне посадки марсоходов «Spirit» и «Opportunity» на поверхность Марса он был командирован в Лабораторию реактивного движения Калифорнийского технологического института (Пасадена, США), где занимался расшифровкой и интерпретацией информации от марсоходов. Результаты исследований, проведенных в течение основной миссии марсоходов (90 марсианских суток работы на поверхности планеты), а также еще 270 дополнительных суток, представлены в данной диссертации.

Научные задачи миниатюризированного мессбауэровского спектрометра MIMOS II, установленного на аппаратах MER-A («Spirit») и.

MER-B («Opportunity») были сформулированы до посадки этих аппаратов на поверхность Марса [35]. Их можно свести в четыре основные категории:

• осуществить идентификацию минералогического состава поверхности планеты;

• измерить относительное содержание фаз, имеющих железо в своем составе (силикаты, оксиды, карбонаты, филлосиликаты, гидроксиды, фосфаты, сульфиды и сульфиты);

• измерить распределение железа по степени окисления (то есть, Fe2+, Fe3+, Fe6+);

• разделить магнитные и парамагнитые фазы и определить (по измерениям температурной зависимости) распределение магнитных частиц по размерам.

МС на основе Fe может охарактеризовать современное состояние поверхности Марса и указать ограничения на историю климата и на процессы, связанные с внешним воздействием, в результате которых поверхность приняла современный вид. МС способен отождествить первичные железосодержащие минералы (оливин и пироксен) и продукты внешнего воздействия (гетит и ярозит), а также железосодержащие сульфиды (пирит и пирротит) и карбонаты (сидерит). Приведенные в диссертации результаты говорят о том, что поставленные задачи успешно реализуются.

Большой интерес вызывал вопрос, действительно ли так называемые «марсианские» метеориты имеют отношение к марсианской поверхности. Мессбауэровская спектроскопия, являющаяся важным элементом анализа подобных метеоритов, способна дать определенный ответ [56].

Первая глава диссертации посвящена обсуждению основ мессбауэровской спектроскопии. Уникальная возможность резонансного поглощения или испускания у-квантов позволяет изучать ничтожные изменения в сверхтонкой структуре ядерных уровней, обусловленные взаимодействием ядра с внутрикристаллическими (магнитными и электрическими) полями.

Обсуждаются основные наблюдаемые параметры мессбауэровских спектров, связанные со сверхтонкими расщеплениями, которые обусловлены взаимодействиями ядер с электромагнитными полями, создаваемыми в кристаллах электронами и окружающими ионами. Из анализов спектров можно получить информацию о плотности заряда на ядре и о природе химической связи (изомерный сдвиг 8), о пространственной симметрии электронных волновых функций (квадрупольное расщепление AEq) и о магнитной природе исследуемого образца (эффективное магнитное поле Bhf). Эти три параметра надежно идентифицируют изучаемый минерал.

Экспериментальная регистрация эффекта Мессбауэра может проводиться в разных геометриях, из которых основными являются геометрия пропускания и геометрия обратного рассеяния. В первом случае у-кванты от радиоактивного источника проходят через исследуемый образец и попадают в детектор. Если источнику сообщить скорость V относительно образца, то за счет эффекта Доплера линия испускания сместится на величину АЕ = EV/c. Поскольку естественная ширина линии Г весьма мала, незначительные изменения скорости приводят к сдвигу энергии, сравнимому с Г. В зависимости от этого сдвига и рассматривается спектр резонансного поглощения у-квантов. Но для геометрии пропускания требуется предварительная подготовка образца, что оказывается затруднительным (если вообще возможным) при дистанционном измерении.

Другим способом измерения, когда не нужна предварительная подготовка образца, служит регистрация обратного рассеяния, где детектируются переизлученные от поверхности образца мессбауэровские у-кванты, либо конверсионные электроны.

Во второй главе приведено описание прибора MIMOS II и рассмотрены режимы работы прибора. Измерительный блок прибора имеет массу 400 г и объем 50×50×90 мм3. Общее энергопотребление не превышает 3 Вт. Все компоненты выбраны с учетом противодействия большим ускорениям и ударам, значительным перепадам температуры в течение марсианских суток и влиянию космического излучения. Измерительный блок смонтирован на подвижной «руке» марсохода. Внутри блока находятся два источника усп излучения Со (период полураспада 270 день): основной и калибровочный. Начальная активность основного источника составляла около 300 мКи до запуска марсохода и около 150 мКи при посадке на Марс. Блок электроники прибора находится внутри марсохода и соединяется кабелем с измерительным блоком. Его размеры слегка превышают размеры измерительного блока.

В центре измерительного блока расположен электромеханический вибратор, приводящий в движение источники, которые помещены на противоположных сторонах вибратора. В качестве детекторов мессбауэровских у-квантов с энергией 14.4 кэВ и рентгеновских квантов атомного спектра железа с энергией около 6.4 кэВ применены кремниевые PIN фотодиоды (площадь каждого 100 мм, а толщина 0.5 мм). На измерительном блоке установлены также два температурных сенсора (еще один — на блоке электроники).

В разработке следующего компонента — программного обеспечения, автор диссертации принимал самое активное участие. Из-за ограничений на скорость передачи данных большинство функций прибора и возможностей обработки данных выполняются внутренним микропроцессором, внутренней памятью и встроенным программным обеспечением. Это важно также в связи с тем, что большинство измерений проводилось ночами, когда центральный процессор марсохода отключается для экономии энергии. Итак, MIMOS II — это независимый прибор, способный на продолжительную работу в течение длительного срока.

Калибровке спектрометра посвящена третья глава, где рассмотрены механизмы и история предполетных и полетных калибровок, а также приведены результаты проверок на марсианской поверхности.

Четвертая глава является важнейшей по содержанию. В ней приведены результаты измерений, проведенных на поверхности Марса в течение 360 марсианских суток. Первый мессбауэровский спектр поверхности Марса (кратер Гусева) был получен с марсохода «Spirit» 17 января 2004 г. Всего за 360 марсианских суток в кратере Гусева было получено 78 спектров (46 камней и 32 образца грунта). Все спектры с равнинной части кратера Гусева безоговорочно указывают на присутствие оливина. Возможны примеси других минералов (пироксен, магнетит). Подобная минералогическая однородность послужила одной из причин для направления марсохода «Спирит» в длительное путешествие на расстояние около 2 км к Колумбийским холмам.

У подножья холмов спектральные характеристики претерпели значительные изменения. В спектрах обнаженной породы практически исчез оливин, резко возросло содержание трехвалентного железа, появился секстет гематита. При дальнейшем подъеме были обнаружены породы, содержащие гетит. Наличие этого минерала может указывать на существование воды на поверхности Марса в прошлом. Стоит отметить большое спектральное разнообразие пород в Колумбийских холмах (например, наличие ильменита).

Первый мессбауэровский спектр с другого марсохода «Opprtunity» был получен 2 февраля 2004 г. Всего на Полуденной равнине, куда осуществил посадку этот марсоход, в течение первых 360 марсианских суток было получено 86 спектров (54 измерения камней и 32 анализа грунта). Спектры с Полуденной равнины весьма отличны друг от друга и могут быть разделены на несколько групп: спектры обнаженной породы, спектры базальтовых почв, спектры сферических конкреций, спектр камня «Bounce Rock» и спектр камня «Heat Shield Rock».

Секстет, наблюдаемый в спектрах обнаженной породы и сферических конкреций, идентифицирован как принадлежащий гематиту. Температурная зависимость параметров секстета подтверждает такое отождествление — наблюдается т.н. переход Морина, характерный для гематита. Анализ конкреций (образований сферической формы) показывает, что гематит является основным железосодержащим минералом подобных образований, а содержание гематита в основной породе невелико. Подобная форма осаждения гематита служит достаточно серьезным подтверждением предположения о наличии значительного количества свободной воды в далеком прошлом в районе Полуденной равнины. Сообщение о наблюдения гематита в значительных размерах было сделано автором диссертации на пресс-конференции в Лаборатории реактивного движения 18 марта 2004 г.

Анализ дублета трехвалентного железа в спектре обнаженной породы из кратера Орла показал, что единственным разумным отождествлением является минерал ярозит. Его присутствие в больших количествах (что подтверждают результаты наблюдений альфа-рентгеновским спектрометром) также говорит в пользу наличия воды на поверхности Марса в прошлом.

Спектры базальтового грунта по многим параметрам совпадают с аналогичными спектрами из кратера Гусева. Похоже, что подобный грунт является «глобальным» для поверхности Марса.

Для спектра «Bounce Rock» характерны особенности, принадлежащие пироксену. Этот спектр практически идентичен ряду спектров, полученных на Земле при анализе метеоритов марсианского происхождения (т.н. базальтовых шерготтитов). Камень «Heat Shield Rock», названный так из-за своего положения вблизи теплозащитного экрана спускаемого аппарата, изначала привлек внимание яркостью своей поверхности. После изучения он был идентифицирован как железно-никелевый метеорит. Основным железосодержащим минералом является камасит с содержанием железа около 95%.

В пятой главе приведены примеры использования прибора MIMOS II в земных условиях. С учетом малых размеров и низкого энергопотребления, а также автономности работы его можно с успехом применять, например, для неразрушающего анализа материалов в труднодоступных местах или для мониторинга состояния окружающей среды. Интересным применением прибора может оказаться изучение поверхностных свойств материалов при сравнении результатов, полученных в геометрии пропускания и обратного рассеяния.

Основные результаты диссертационной работы приведены в Заключении:

• Создание компонентов миниатюризированного мессбауэровского спектрометра для внеземного применения: разработка полетного программного обеспечения для работы прибора на поверхности Марса и для обработки поступающей на Землю информации.

• Проведение полного цикла предполетных/полетных испытаний и калибровок прибора;

• Успешная работа прибора (в настоящее время в течение более полутора земных лет) на поверхности Марса (на двух марсоходах-близнецах проекта MER);

• Получение и анализ первых мессбауэровских спектров поверхности Марса;

• Создание онлайновой базы спектров, полученных мессбауэровским спектрометром на поверхности Марса. Данная база доступна всем желающим.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Евланов Е. Н, Прилуцкий, Линкин, Родионов, Возможность применения мессбауэровской спектроскопии для исследования пород Марса и других объектов Солнечной системы, Препринт ИКИ РАН, Пр-2011, 1999.

2. Klingelhoefer G., Bernhardt, Foh, Bonnes, Rodionov, de Souza, Schroeder, Gellert, Kane, Guetluch, Kankeleit, The miniaturized Moessbauer Spectrometer MIMOS II for Extraterrestrial and Outdoor Terrestrial Applications: A Status Report, Hyperfine interactions 144/145: 371−379, 2002.

3. Клингелхофер Г., Евланов, Зубков, Прилуцкий, Линкин, Бернхардт, Родионов, Шредер, Миниатюризированный мессбауэровский спектрометр для анализа минералогии железа на поверхности Марса, Препринт ИКИ РАН, Пр-2081, 2003.

4. Klingelhoefer G., Morris, Bernhardt, Rodionov, de Souza, Squyres, Foh, Kankeleit, Bonnes, Gellert, Schroeder, Linkin, Evlanov, Zubkov, Prilutski, Athena MIMOS II Moessabuer spectrometer investigation, J. Geophys. Res., 108(E12), 8067, 2003.

5. Morris R., Klingelhoefer, Bernhardt, Schroeder, Rodionov, de Souza, Yen, Gellert, Evlanov, Foh, Kankeleit, Guetlich, Ming, Renz, Wdowiak,.

Squyres, Arvidson, Mineralogy at Gusev Crater from the Moessbauer spectrometer on Spirit Rover, Science, Vol. 305, Issue 5685, 833−836, 2004.

6. Klingelhoefer G., Morris, Bernhardt, Schroeder, Rodionov, de Souza, Yen, Gellert, Evlanov, Zubkov, Foh, Bonnes, Kankeleit, Guetlich, Ming, Renz, Wdowiak, Squyres, Arvidson, Jarosite and hematite at Meridiani Planum from the Moessbauer spectrometer on the Opportunity Rover, Science, Vol 306, Issue 5702, 1740−1745, 2004.

7. Yen A., Gellert, Schroeder, Morris, Bell, Knudson, Clark, Ming, Crisp, Arvidson, Blaney, Brueckner, Christensen, DesMarais, de Souza, Economou, Ghosh, Hahn, Herkenhoff, Haskin, Hurowitz, Joliff, Johnson, Klingelhoefer, Madsen, McLennan, McSween, Richter, Rieder, Rodionov, Soderblom, Squyres, Tosca, Wang, Wyatt, Zipfel, An integrated view of the chemistry and mineralogy of martian soils, Nature, Vol 436, 49−54, 2005.

8. Soderblom L., Anderson, Arvidson, Bell, Cabrol, Calvin, Christensen, Clark, Economou, Ehlmann, Farrand, Fike, Gellert, Glotch, Golombek, Greeley, Grotzinger, Herkenhoff, Jerolmack, Johnson, Jolliff, Klingelhoefer, Knoll, Learner, Li, Malin, McLennan, McSween, Ming, Morris, Rice, Richter, Rieder, Rodionov, Schroeder, Seelos, Sorerblom, Squyres, Sullivan, Waters, Weitz, Wyatt, Yen, Zipfel, Soils of Eagle Crater and Meridiani Planum at the Opportunity Rover Landing Site, Science, Vol. 306, Issue 5702, 1723−1726, 2004.

9. Goetz W., Bertelsen, Binau, Gunnlaugsson, Hviid, Kinch, Madsen, Olsen, Gellert, Klingelhoefer, Ming, Morris, Rieder, Rodionov, de Souza, Schroeder, Squyres, Wdowiak, Yen, Indication of drier periods on Mars from the chemistry and mineralogy of atmospheric dust, Nature, Vol 436, 62−65, 2005.

10. Rodionov D. et al, Mossbauer investigation of 'Bounce Rock' at Meridiani Planum on Mars — indications for the first shergottite on Mars, Meteoritics & Planet. Sci., 39, A91 (2004).

11. Rodionov D., Klingelhoefer Ming, Morris, Schroeder, de Souza, Squyres, Yen, An iron-nickel meteorite on Meridiani Planum: observations by MER Opportunity’s Moessbauer spectroscopy, Geophysical Research Abstracts (European Geosciences Union 2005), Vol. 7., 10 242, 2005.

12. Kane S., Rodionov, Bernhardt, Kraus, Klingelhoefer, Surface and Bulk Crystallization of Fe6iCo2iNb3Bi5 alloy, Hyperfine interactions 144/145:273−278, 2002.

13. Morris R., Klingelhoefer, Bernhardt, Schroeder, Rodionov, de Souza, Yen, Gellert, Evlanov, Zubkov, Foh, Bonnes, Kankeleit, Guetlich, Ming, Renz, Wdowiak, Squyres, Arvidson, Mossbauer mineralogy of rock, soil, and dust at Gusev Crater, Mars: Spirit’s journey through weakly altered olivine basalt on the Plains and pervasively altered basalt in the Columbia Hills, J. Geophys. Res., in press, 2005.

Автор диссертации награжден несколькими грамотами НАС, А за участие в разработке прибора, а также за поддержку его работы на поверхности Марса в течение основной и дополнительных миссий:

The Rational Aeronautics and Space Administration Trzstnts the group Achievement Award.

Mars Exploration Rover Science Operations Team.

The 'Hationat Aeronautics and Space Administratis.

Presents tfu group Achievement Award farttu.

Mars Exploration Rover Seience/Science Support Team.

Daniel Rodionov for fNtstjxJiuif pUxrttiuj м4lmpfw/niuthin of Kunce operations (or iheMcts iJQfhtrehm Xpttrrnjtit, Uniting to data it turn ifaii exceededptei&Mih i nvrlii/m.

Signed urn/ tentedat 4lW">9Ji"fl. T'-C, this tnvnit/ pfthdnynf May t/UHUOtuf ftHt Г.

D. Rodionov for outstanding efforts m the development of tnt кипа pagtaadi supportr for Optmton* andtoftusart testing, and cJutrac ttnzatxm of the mantan enivcMmm, tn preparationforWU^scunce operations.

Swtud andttaUdat Ufafiiitffton, T>.C, this tu. K!Uij-fl!th day of May (w thousandfour.

The Rational Aeronautics and Space administration presents the group Achievement Award jmlh.

Mars Exploration Ron fir First Extended Mission Team.

The Rational Aeronautics and Space Administration presents the.

Ljroup Achievement Award for tfu.

Mars Exploration Rover Second Extended Mission Team.

Daniil Rodionov for fftellerue м Oftmbtg tfu Afat* Tjq/tomtum fyvtrs Лиring their fusi mtsuttn riftfiMrOh rtsufting pi on oulttonditu) quantity of seteaee data return, tut* with reducedstaffing,.

Daniil Rodionov for evtlkmt m operating the Mats «Exploration 'Xjrftti during their mend mission extension, rtniftittg in ал outstanding ftvti of нише rttum кith вя r^rrpticmjil tiprrutimudefficiency.

SijueJ and sealed at ¦Itbshtn^ton, this luvny ninth datfaf’Marth ft"i thousand five.

Siijned and seated tit Фл' this tumty rwith daij of tWn/iJi mw thousand five rvpuy.

Заключение

.