Мессбауэровский спектрометр для анализа минералогии железа на поверхности Марса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ
|
Родионов, Даниил Станиславович
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2006
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.01
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
РОДИОНОВ Даниил Станиславович
МЕССБАУЭРОВСКИЙ СПЕКТРОМЕТР ДЛЯ АНАЛИЗА МИНЕРАЛОГИИ ЖЕЛЕЗА НА ПОВЕРХНОСТИ МАРСА
Специальность 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Москваг— 2006
Работа выполнена в Институте космических исследований Российской академии наук
Научный руководитель:
кандидат технических наук, Институт космических исследований РАН Евланов Евгений Николаевич
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук, профессор, физический факультет Московского государственного университета им. М.ВЛомоносова
Кузьмин Рунар Николаевич доктор физико-математических наук, профессор, Институт космических исследований РАН
Ксанфомалити Леонид Васильевич
Московский государственный университет им- М.В. Ломоносова, химический факультет, кафедра радиохимии
Защита состоится 14 февраля 2006 г. в 11 часов на заседании диссертащонного совета Д-002.113.01 в Институте космических исследовании Российской академии наук по адресу: 117036, Москва, ул. Профсоюзная, д. 84/32.
¿Щ , У
С диссертацией Можно ознакомиться в библиотеке Института космических исследований Российской академии наук
Автореферат разослан 13 января 2006 г.
У
Ученый секретарь диссертационного совета Д-002.113.01, к. ф.-м. н.
-Щ^хМ-б
В.В.Акимов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Мессбауэровская спектроскопия является мощным средством для исследования минералогии железосодержащих материалов. Мессбауэровские спектрометры интенсивно использовались для лабораторного анализа образцов лунного грунта 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 Мини-атюризированный 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 ценной 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 грунта, указывающих, в частности, на возможность существования воды на поверхности планеты
(И)С НАЦИОНАЛЬНАЯ!
библиотека I
о^та !
в отдаленном прошлом. На настоящий момент (октябрь 2005 года) срок работы обоих марсоходов превысил 600 марсианских суток и официально продлен до сентября 2006. 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 мессбауэровских спектров поверхности Марса.
Научная новизна
Впервые в истории был создан миниатюризированный мессбауэровский спектрометр, способный автономно работать на поверхности другой планеты, и получены мессбауэ-ровские спектры поверхности Марса в реальных условиях.
Научная и практическая ценность работы
Создан миниатюризированный мессбауэровский спектрометр для внеземного применения (масса прибора около 500 г., энергопотребление менее 3 Вт., возможность полностью автономной работы). Прибор установлен на марсохо-дах-близнецах MER, продолжающих работу на поверхности Марса с января 2004 г. Идентифицированы различные железосодержащие минералы, присутствующие на поверхнос-
ти 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.
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ
• Разработка и создание компонентов мессбауэровского спектрометра MIMOS II. В частности, разработка программного обеспечения (ПО) прибора для работы на поверхности Марса.
• Проведение и результаты предполетных и полетных проверок и калибровок прибора.
• Разработка ПО для обработки поступающих на Землю данных.
• Результаты работы спектрометра на поверхности Марса в течение 360 локальных суток.
• Создание базы марсианских мессбауэровских спектров, доступной всем желающим.
Апробация работы
Материалы диссертации докладывались на 67-й ежегодной встрече Метеоритного общества (67th Annual Meeting of the Meteoritical Society, 2004, Рио-де-Жанейро, Бразилия), ассамблее Европейского союза геофизиков (European Geo-sciences Union General Assembly 2005, Вена, Австрия). По материалам диссертации имеется 13 публикаций (из них 7 в реферируемых изданиях).
Объем и структура работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и двух приложений. Объем диссертации составляет 145 страниц печатного текста, в том числе 124 рисунка, 15 таблиц. Библиография включает 77 наименований.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования и сформирована цель работы. Приведен также ряд исторических фактов, связанных с разработкой мес-сбауэровского спектрометра для внеземного применения (MIMOS II).
Как следует из введения, прибор разрабатывался и создавался в течение длительного времени. К началу участия автора диссертации в проекте MIMOS II механическая часть прибора была в основном подготовлена. Автор диссертации является разработчиком основных элементов программного обеспечения прибора, и принимал участие в комплексных предполетных и летных испытаниях всего прибора, а также занимался расшифровкой и интерпретацией информации, полученной от прибора с поверхности Марса.
Первая глава посвящена обсуждению основ мессбауэров-ской спектроскопии.
Мессбауэровская спектроскопия занимает особое место во многих областях исследований и технических приложений благодаря уникальным возможностям резонансного поглощения или испускания г-квантов, эмитируемых отдельными радиоактивными изотопами (в нашем случае Fe57) и взаимодействующих с соответствующими кристаллическими решетками, в которых скомпенсированы потери энергии на отдачу ядра. Энергетически узкий пучок безот-дачных у-квантов позволяет изучать ничтожные изменения в сверхтонкой структуре ядерных уровней, обусловленные
взаимодействием ядра с внутрикристаллическими (магнитными и электрическими) полями как статического, так и динамического происхождения (релаксационные процессы).
Обсуждаются основные наблюдаемые параметры мессба-уэровских спектров, связанные со сверхтонкими расщеплениями, которые обусловлены взаимодействиями ядер с электромагнитными полями, создаваемыми в кристаллах электронами и окружающими ионами. Из анализа мессбау-рэовских спектров можно получить информацию о плотности заряда на ядре и о природе химической связи (изомерный сдвиг б), о пространственной симметрии электронных волновых функций (квадрупольное расщепление ДЕд) и о магнитной природе исследуемого вещества (эффективное магнитное поле).
Существуют различные методы экспериментальной регистрации эффекта Мессбауэра. В геометрии пропускания (рис. 1) у-кванты, испускаемые радиоактивным источником, проходят через исследуемый образец и попадают в детектор, сигналы с которого записываются регистрирующей системой. Если источнику сообщить скорость V относительно образца, то за счет эффекта Доплера линия испускания сместится на величину ДЕ = ЕУ/с. Естественная ширина линии Г весьма мала и поэтому незначительные изменения скорости приводят к сдвигу энергии, сравнимому с Г. В зависимости от этого сдвига и рассматривается спектр резонансного поглощения г-квантов. Положения и относительные интенсивности резонансных линий спектра позволяют получать информацию о возбужденном состоянии ядра и о внутренних параметрах исследуемого вещества.
Другим способом измерения является регистрация мес-сбауэровского рассеяния, когда детектируются либо переизлученные у-кванты, либо конверсионные электроны и рентгеновские кванты (вклад этого компонента значителен для ядра Ее57). В этом случае речь идет о геометрии обратного
рассеяния. Особенностью этого метода является то, что. не требуется предварительная подготовка образца (соответственно исследуется только его поверхностный слой).
ИСТОЧНИК ±v
D/WV» /VW» /N/W*
ДЕТЕКТОР
ч
ОБРАЗЕЦ
ус
ДЕТЕКТОР
/WV A/W»
I ш
■В ссоросгь
ГЕОМЕТРИЯ ПРОПУСКАНИЯ (TRANSMISSION)
ГЕОМЕТРИЯ РАССЕЯНИЯ {BACKSCATTERJ
Ш
Рис. 1. Принципиальная схема Мессбауэровского эксперимента
В данной главе также обсуждаются вопросы обработки и анализа мессбауэровских спектров. Рассматриваются стандартные методы деконволюции спектров и ряд сопутствующих эффектов.
Во второй главе описывается устройство MIMOS II и режимы работы прибора.
По сравнению с лабораторными установками MIMOS II имеет компактные размеры, уменьшенную массу и низкое энергопотребление. Так, измерительный блок имеет массу 400 г и объем 50x50x90 мм3. Общее энергопотребление прибора менее 3 Вт. Все компоненты были выбраны с учетом противодействия большим ускорениям и ударам, изменениям температуры в течение марсианских суток и влиянию космического излучения.
Прибор MIMOS II состоит из двух частей, соединенных кабелем: измерительного блока (рис. 2) и блока электроники (рис. 3).
Рис. 3. Блок электроники
Блок электроники находится внутри марсохода, а измерительный блок смонтирован на подвижной «руке» марсохода (IDD — Instrument Deployement Device). Внутри измерительного блока установлены два источника у-излучения Со57 (период полураспада 271 день): основной'(начальная активность до запуска — 300 мКи и около 150 мКи при посадке) и калибровочный, используемый для измерения мес-сбауэровского спектра эталонного поглотителя в геометрии пропускания.
КАЛИБРОВОЧНЫЙ основной источник источник
КАЛИБРОВОЧНЫЙ ДЕТЕКТОР
УСИЛИТЕЛЬ КАЛИБРОВОЧНЫЙ РАДИАЦИОННАЯ ОБРАЗЕЦ ЗАШИТА
Рис. 4. Принципиальная схема измерительного блока MIMOS II
Источники приводятся в движение электромеханическим вибратором (рис. 4), находящимся в центре измерительного блока. Источники располагаются на противоположных сторонах вибратора. В качестве детекторов у-излучения с энергией 14,4 кэВ и рентгеновского излучения с энергией 6,4 кэВ применены кремниевые PIN диоды (площадь каждого 100 мм2, толщина 0,5 мм). Всего в измерительном блоке установлено пять независимых детекторов (четыре основных, один калибровочный).
На измерительном блоке установлено также два температурных сенсора (плюс еще один на блоке электроники):
один на контактной пластине, служащей для определения контакта с измеряемой поверхностью, а другой — рядом с калибровочным образцом.
Из-за ограничений на скорость передачи данных большинство функций прибора и возможностей обработки данных (включая получение и отдельное хранение спектров, полученных при разных температурах) выполняются внутренним микропроцессором, памятью и встроенным программным обеспечением. Это также важно в связи с тем, что измерения, как правило, проводятся ночами, когда центральный процессор марсохода отключается для экономии энергии. Таким образом, MIMOS II является независимым прибором, способным на автономную работу в течение продолжительного времени.
Прибор имеет три вида памяти: SRAM (128 кВ) для научной информации, FRAM (6 кВ) для копирования параметров прибора и для временного графика работы прибора, а также EEPROM (16 кВ) для создания резервных копий, куда периодически записываются в сжатой форме мессбауэровс-кие спектры для уменьшения риска потери данных. В одном мессбаурэвском спектре содержится 512 каналов. Всего в памяти можно хранить до 65 спектров. При измерении спектра фиксируется также изменение температуры со временем (всего можно набрать до 256 показаний температурных датчиков). Полный объем передаваемой по окончанию измерений информации составляет от 32 до 160 кВ (некоторые данные дублируются).
Мессбауэровские параметры многих железосодержащих минералов зависят от температуры. Так как температура поверхности Марса существенно меняется в течение суток, желательно разделять спектры, снятые при различных температурах. Прибор имеет 13 температурных «окон» (граничные температуры могут быть изменены по команде с марсохода) Полученные спектры можно суммировать для улучшения статистики или рассматривать по отдельности.
Существует шесть режимов работы прибора: а) темпера-турно-зависимый, когда спектры, полученные при разных температурах, помещаются в различные области памяти, а время набора данных не ограничено; б) температурно-не-зависимый, при котором набор данных также не ограничен во времени; в) спящий, когда набор данных не производится; г) энергетический, когда примерно в течение 10 минут идет проверка работы детекторов, а затем система возвращается в спящий режим; д) инженерный, когда примерно в течение одной минуты проверяется работа вибратора, а затем следует возврат к спящему режиму, и е) стандартный, когда последовательно вызываются инженерный, энергетический и температурно-зависимый режимы.
Простейший пример работы прибора на поверхности Марса таков: а) установка прибора рукой марсохода до контакта с поверхностью; б) очистка память прибора; в) выбор параметров измерения; г) инициализация стандартного режима; д) набор статистики (от получаса до нескольких дней); е) окончание измерений и передача информации в главный компьютер марсохода.
Третья глава посвящена калибровке спектрометра. Описывается механизм и история предполетных и полетных калибровок. Приведены результаты первых проверок на поверхности Марса.
Интерпретация получаемых мессбауэровских спектров невозможна без точной и надежной калибровки вибратора по скорости. Для каждого полетного прибора был проведен ряд измерений стандартного калибровочного образца (альфа-железо). Амплитуда скорости вибратора устанавливалась программным обеспечением. Мессбауэровские параметры альфа-железа хорошо известны, так что анализ полученных спектров позволяет установить реальную скорость вибратора. Подобная калибровка проводилась для разных температур в диапазоне 150—300 К.
Другой способ калибровки заключается в измерении калибровочного образца ССТ (Compositional Calibration Target), установленного на корпусе марсохода. ССТ состоит из магнетита (Fe304), чьи мессбауэровские параметры также хорошо изучены и поэтому могут быть использованы для калибровки вибратора.
Но основной метод калибровки связан с измерением спектра встроенного в измерительный блок поглотителя известного состав (альфа-железо, гематит и магнетит). В каждом мессбауэровском спектре присутствуют данные от четырех основных детекторов, а также данные от калибровочного детектора (полученные в геометрии пропуска-ига). Следовательно, можно точно откалибровать вибратор в любой момент времени независимо от условий окружающей среды. Для мониторинга работы вибратора измеряется его дифференциальный спектр, представляющий собой разность между теоретической и реальной скоростями. Обычно это происходит дважды: до начала и после окончания измерения.
Важной задачей предполетной калибровки явилось обеспечение оптимальной работы детекторов (максимальное соотношение сигнал/шум) при различных окружающих условиях. Для каждого измерительного блока проводилась процедура калибровки детекторов в температурном диапазоне 150—300 К (измерение энергетических спектров). Для каждого температурного окна были определены оптимальные параметры работы детекторной системы. Эти параметры затем были введены в программное обеспечение прибора для автоматического выбора оптимального режима при текущей температуре.
В четвертой главе приведены результаты измерений, проведенных на поверхности Марса в течение первых 360 марсианских суток миссии MER.
Поиски подходящих объектов для детального изучения и подробный анализ результатов проходили с использовани-
ем (в той или иной степени) всех приборов, входящих в состав научной аппаратуры марсохода. На подвижной руке марсохода кроме прибора MIMOS II были установлены также рентгеновский спектрометр APXS, измеряющий рентгеновские лучи от неупругого рассеяния альфа-частиц на атомах химических элементов, которые находятся в тонком слое марсианского грунта, и «микроскопическая» фотокамера. Она позволяет получать детальные снимки небольшого участка поверхности (32432 мм) вокруг места, которое наблюдалось приборами MIMOS и APXS. На подвижной руке расположено также устройство RAT (Rock Abrasion Tool) для обработки поверхности камней. На корпусе марсохода находятся широкоформатная панорамная фотокамера и миниатюрный инфракрасный спектрометр теплового излучения отдельных (но достаточно больших по размеру) участков поверхности Марса.
Первый в истории мессбауэровский спектр поверхности Марса был получен с марсохода "Spirit" 17 января 2004 года (рис. 5). За первые 360 марсианских суток в кратере Гусева было получено 78 спектров (46 камней и 32 образца грунта). Характерные спектры приведены на рис 6.
88000 86000 84000 82000 80000 78000
Рис. 5. Первый мессбауэровский спектр поверхности Марса, кратер Гусева
400 500
Скорость (мм/с)
Рис. 6. Характерные спектры поверхности Марса (кратер Гусева)
Все спектры с равнинной части кратера Гусева характеризуются наличием двух Ре2+ дублетов (оливина и, возможно, пироксена) и одного Ре3+ дублета. Присутствуют также два секстета, принадлежащие магнетиту. Единственным исключением является необработанная поверхность камня Мгал\гд\, где присутствует секстет, характерный для гематита. Ре2+ дублет с параметрами 6 ~ 1,18 мм/с и ДЕ0 ~ 3,05 мм/с
идентифицирован как оливин ((Mg, Fe)2Si04), который является типичным породообразующим минералом для Марса, и его присутствие ожидалось на основе данных с космических аппаратов на орбите Марса и по данным, полученным при измерениях метеоритов марсианского происхождения. Значение квадрупольного сдвига также является специфичным для оливина. На основе температурных зависимостей мессбауэровских параметров состав оливина можно оценить как ~ Fo60 (60 % Mg, 40 % Fe2+). А
Параметры второго Fe2+ дублета (б ~ 1,18 мм/с и AEQ ~ ~ 2,12 мм/с) находятся в хорошем соответствии с параметрами пироксена ((Fe, Са, Na, Mg)(Si, А1)206). Это хорошо со- ' гласуется с базальтовым составом камней. Однако нельзя исключить и вклад других Fe2+ фаз, например, базальтового стекла.
Дублет Fe3+ (б ~ 0,38 мм/с, AEQ ~ 0,85 мм/с) связан с ионом Fe3+, который обладает восьмигранной симметрией (oct-Fe3+) и не является минералогически специфичным. Существует несколько разумных путей для объяснения его появления. Возможно, что этот дублет возникает от наложения дублетов, принадлежащих нескольким железосодержащим фазам, в число которых могут входить, например, парамагнитные формы гематита и гетита, лепидокрокит, акаганеит, швертманнит, гидро-ярозит, феррогидрит и др.
Мессбауэровские спектры многих пород и грунтов, например, камней Adirondack и Mimi_Shoe, характеризуются двумя секстетами, пики которых перекрываются при переходе от отрицательной скорости к положительной. Эта картина типична для магнетита (Fe304). Магнетит в образцах из кратера Гусева является нестехиометрическим. Это может быть вызвано частичным окислением и/или наличием примесей (например, титан или магний).
Секстет, указывающий на присутствие гематитоподоб-ной фазы на равнинном участке кратера Гусева, наблюдался только на трех спектрах камня Mazatzal (на необработанной
или слега зачищенной поверхности). Он явно отличается от магнетитовых секстетов. При более тщательной обработке камня с помощью инструмента RAT этот секстет исчезает. Это свидетельствует о том, что он связан с плотным спекшимся покрытием камня. Хотя параметры секстета соответствуют гематиту, существуют вероятные вклады от магнетита и особенно от магтемита.
Распределение железа по железосодержащим фазам, а также отношение Fe3+/Fe для пород и грунтов на равнине в кратере Гусева, показывает, что все породы - это базальты на основе оливина, а грунт в основном образован из этого базальта. Подобная минералогическая однородность послужила одной из причин для направления марсохода "Spirit" в длительное путешествие на расстояние около 2 км к Колумбийским холмам (Columbia Hills).
У подножия холмов спектральные характеристики претерпели значительные изменения. В спектрах обнаженной породы резко увеличилось содержание трехвалентного железа, практически исчез оливин, появился секстет гематита (AI98_WbolyPatch). При дальнейшем подъеме были обнаружены породы, содержащие гетит (A218_Clovis и т. д.). Гетит (a-FeOOH) образуется только при участии воды и является прямым свидетельством существования воды в прошлом на поверхности Марса. Стоить отметить большое спектральное разнообразие пород в Колумбийских холмах (например наличие ильменита (FeTi03) в спектрах некоторых камней/ пород (A334_Wishstone и т.д.)).
Первый мессбауэровский спектр с другого марсохода (Mer-B "Opportunity") был получен 2 февраля 2004 года. Всего на Полуденной равнине (Meridiani Planum) в течение первых 360 марсианских суток было получено 87 спектров (54 измерения камней и 33 анализа грунта). Характерные спектры приведены на рис 7.
Полученные спектры весьма отличны друг от друга и могут быть разделены на несколько групп: спектры обна-
женной породы (B032_McKittrick), спектры базальтовых грунтов (В011_Тагшас), спектры шарообразных конкреций (B048_BerryBowl), спектр камня "Bounce Rock" (В066), спектр камня "Heat Shield Rock" (В351).
Скорость, мм/с
Рис. 7. Характерные спектры поверхности Марса (Полуденная равнина)
Секстет, наблюдаемый в спектрах обнаженной породы, а также в спектре шарообразных конкреций, идентифицирован как принадлежащий гематиту (a-Fe203). Температурная зависимость параметров секстета подтверждает такое отождествление — наблюдается переход Морина, характерный для гематита. Анализ конкреций (шарообразных образований, прозванных также «голубикой» — blueberries) показывает, что гематит является основным железосодержащим минералом этих 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 наблюдении гематита в заметных количествах было сделано автором диссертации на пресс-конференции в Лаборатории реактивного движения 18 марта 2004 года (http://marsrovers.jpl. nas&gov/newsroom/pressreleases/ 20040318ahtml).
Мессбауэровский спектр обнаженной породы (outcrop), обнаруженной в кратере Орла (Eagle crater), характеризуется наличием Fe3+ дублета с параметрами б ~ 0,39 мм/с, AEQ ~ ~ 1,22 мм/с. Единственным разумным отождествлением данного дублета является минерал ярозит (К, Na, H30)(Fe, A1)3(S04)2(0H)6. Его присутствие в больших количествах (APXS указал на повышенное содержание серы) также говорит о наличии воды на поверхности Марса в прошлом.
Спектр обнаженной породы также характеризуется наличием Fe3+ дублета с достаточно низким квадрупольным расщеплением по сравнению с ярозитом (AEQ ~0,64 мм/с). Он отличается от Fe3+ дублета, обнаруженного в кратере Гусева. Его параметры не специфичны и могут принадлежать, например, ряду суперпарамагнитных оксидных фаз (гематит, гетит). Измерения подобной породы были проведены также по пути к кратеру Выносливости (Endurance Crater) и во время спуска в этот кратер. Характерные спектральные
черты остались неизменны (дублет ярозита по-прежнему присутствует).
Спектры базальтового грунта по многим параметрам совпадают с аналогичными спектрами из кратера Гусева. По-видимому, подобный грунт является «глобальным» для Марса [7].
Спектр камня "Bounce Rock" (камень «отскока») является единственным спектром такого класса, измеренным на поверхности Марса до настоящего времени. Он характеризу- ('
ется наличием двух пересекающихся дублетов Fe2+, принадлежащих пироксену (оливин отсутствует). Данный спектр практически идентичен ряду спектров, полученных на Земле при анализе метеоритов марсианского происхождения (т. н. базальтовых шерготтитов). Наиболее близкими мес-сбауэровскими параметрами обладает метеорит QUE 94201.
Камень "Heat Shield rock" (названный так из-за своего местонахождения рядом с тепловым щитом спускаемого аппарата) изначально привлек внимание своей поверхностью, имеющей «металлический характер» (высокая отражательная способность). После изучения, он был идентифицирован как железно-никелевый метеорит. Основным железосодержащим минералом (~ 95 % железа) является железно-никелевый сплав камасит [11].
В пятой главе приведены различные примеры использования миниатюризированного мессбауэровского спектро- " метра в наземных условиях.
С учетом малых размеров и низкого энергопотребления, а также автономности работы его можно с успехом применять, например, для недеструктивного анализа музейных экспонатов, анализа материалов в труднодоступных местах, мониторинга состояния окружающей среды. Интересным приложением прибора может оказаться изучение поверхностных свойств материалов при сравнении результатов, полученных в геометрии пропускания и обратного рассеяния [12].
Заключение содержит основные результаты диссертационной работы:
• Создание компонентов миниатюризированного мес-сбауэровского 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 МЕЯ);
• Получение и анализ первых в истории мессбауэровс-ких спектров поверхности Марса;
• Создание онлайновой базы спектров, полученных мессбауэровским спектрометром на поверхности Марса. Данная база доступна всем желающим.
ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
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, Rodionor, de Souza, Schroeder, Gellert, Kane, Guetluch, Kankeleit, The miniaturized Moessbauer Spectrometer MIMOSIIfor Extraterrestrial and Outdoor Terrestrial Applications: A Status Report, Hyperfine interactions 144/ 145: 371-379,2002.
3. Клингелхофер Г., Евланов, Зубков, Прилуцкий, Линкин, Берн-хардт, Родионов, Шредер, Миниатюризированный мессбауэров-ский 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, Zub-
kov, Prilutski, Athena MIMOS II Moessabuer spectrometer investigation, J. Geophys. Res., 108(E12), 8067, 2003.
5. Morris R., Klingelhoefer, Bernhardt, Schroeder, Rodionov, de Souza, Yen, Geliert, Evlanov, Foh, Kankeleit, Guetlich, Ming, Renz, Wdowiak, Squyres, Arvidson, Mineralogy at Gusev Crater from the Moessbauer spectrometer on Spirit Rover, Science, V. 305, Issue 5685, 833-836, 2004.
6. Klingelhoefer G., Morris, Bernhardt, Schroeder, Rodionov, de Souza, Yen, Geliert, Evlanpv, Zubkov, Foh, Bonnes, Kankeleit, Guetlich, Ming, Renz, Wdowiak, Squyres, Arvidson, Jarosite and
hematite at Meridiani Planum from the Moessbauer spectrometer on t*
the Opportunity Rover, Science, V. 306, Issue 5702, 1740-1745,
2004.
7. Yen A, Geliert, 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, Wy-att, Zipfel, An integrated view of the chemistry and mineralogy ofmar-tian soils, Nature, V. 436, 49-54, 2005.
8. Soderblom L., Anderson, Arvidson, Bell, Cabrol, Calvin, Christensen, Clark, Economou, Ehlmann, Farrand, Fike, Geliert, Glot-ch, 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, V. 306, Issue 5702, 1723-1726,2004.
9. Goetz W, Bertelsen, Binau, Gunnlaugsson, Hviid, Kinch, Madsen', < Olsen, Geliert, 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, V. 436, 62-65, 2005. '
10. Rodionov D. et al., Mu,ssbauer investigation of1 Bounce Rock' at Meridiani Planum on Mars — indications for the first shergottite on Mars, Meteoritics & Planet. Sei., 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), V. 7., 10242, 2005.
12. Kane S., Rodionov, Bernhardt, Kraus, Klingelhoefer, Surface and Bulk Crystallization of Fe61Co2]Nb3B]5 alloy, Hyperfine interactions 144/145: 273—^78, 2002.
13. Morris R., Klingelhoefer, Bernhardt, Schroeder, Rodionov, de Souza, Yen, Gellert, Evlanov, Zubkov, Foh, Bonnes, Kankeleit, Guetlich, Ming, Renz, Wdowiak, Squyres, Arvidson, Mdssbauer 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.
■Ф
055(02)2 ^ Ротапринт ИКИ РАН
_Москва, 117997, Профсоюзная ул., 84/32
_Подписано к печати 2'2.12. 2005 г.
Заказ 2 0 Формат 70x108/32 Тираж 100 0,8 уч.-издл.
f
г
**
06-765
' "ч
>
"г '
Введение.
Глава 1. Основы мессбауэровской спектроскопии.
1.1. Физические основы мессбауэровской спектроскопии.
1.1.1. Форма спектральной линии и естественная ширина линии.
1.1.2. Ядерный резонанс.
1.1.3. Энергия отдачи.
1.1.4. Эффект Мессбауэра.
1.2. Сверхтонкие взаимодействия и параметры мессбауэровских спектров.
1.2.1. Изомерный сдвиг.
1.2.2. Электрическое квадрупольное расщепление.
1.2.3. Магнитная сверхтонкая структура.
1.3. Основы техники Мессбауэровского эксперимента.
1.3.1. Мессбауэровский источник.
1.3.2. Типичный мессбауэровский спектрометр.
1.4. Обработка и анализ мрсба$ааравскикчшектров.
1.4.1. Классический яня{1и^.--[)|М>г.—1.
1.4.2. Эффект «геометрии», косинусоидальное рассеяние.
1.4.3. Основные железосодержащие минералы.
Глава 2. Миниатюризированный мессбауэровский спектрометр MIMOS
2.1. Измерительный блок.
2.1.1. Мессбауэровский источник, коллиматор, защита от излучения.
2.1.2. Вибратор.
2.1.3. Детекторная система.
2.1.4. Блок электроники.
2.1.5. Температурные измерения.
2.2. Программное обеспечение.
2.2.1. Встроенное ПО (firmware).
2.2.2. Параметры прибора.
2.2.3. Система команд.
2.2.4. Распределение данных в основной памяти.
2.2.5. Структура данных.
2.2.6. Схема взаимодействия мессбауэровского спектрометра с компьютером марсохода MER.
2.2.7. Программное обеспечение для расшифровки данных, переданных на Землю.
Глава 3. Калибровка и испытания инструмента.
3.1. Предполетная калибровка.
3.1.1. Измерения стандартных образцов.
3.1.2. Калибровочный поглотитель.
3.1.3. Оптимизация работы детекторов.
3.2. Полетные испытания.
3.2.1. Мег-A «Spirit».
3.2.2. Mer-B «Opportunity».
3.2.3. Первые проверки на поверхности Марса.
3.3. Калибровка прибора на поверхности Марса.
3.3.1. Температурно-зависимая калибровка.
3.3.2. Верификация калибровки. ССТ.
3.3.3. Уширение линии источника.
Глава 4. Мессбауэровская спектроскопия поверхности Марса. Первые результаты.
4.1. Особенности мессбауэровской спектроскопии на поверхности Марса.
4.2. Mer-A «Spirit». Кратер Гусева.
4.2.1. Равнинная часть кратера Гусева.
4.2.2. Камень Mazatzal.
4.2.3. Грунт.
4.2.4. Колумбийские холмы.
4.3. Mer-B «Opportunity». Полуденная равнина.
4.3.1. Обнаженная порода.
4.3.2. Сферические конкреции.
4.3.3. Грунт на Полуденной равнине.
4.3.4. Bounce Rock.
4.3.5. Heat Shield Rock.
4.4. Доступ к базе спектров.
Глава 5. Другие применения прибора.
5.1.1. Применение MIMOS II для автоматического мониторинга почв.
5.1.2. Исследование поверхностных свойств материалов.
5.1.3. Другие применения.
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.
57
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 50x50x90 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., 10242, 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.
1. Afanasev A., Nuclear gamma resonance in iron-sulfates of the jarosite group, Phys. Status Solidi A, 26 p. 697-701, 1974
2. Bell J. et al., Mars Exploration Rover Athena Panoramic Camera (Pancam) investigation, J. Geophys. Res., 108, 8063,2003
3. Bell J. et al., Pancam Multispectral Imaging Results from the Opportunity Rover at Meridiani Planum, Science 306, 1703, 2004
4. Burns R., Rates and mechanismns of chemical weathering of ferromagnesian silicate minerals on Mars, Geochemica et Cosmochimica, vol 57, p. 4555-4574, 1993с у
5. Chevrier V. et al., Weathering of iron-rich phases in simulated Martian atmosphere, Geology, v.32, no. 12, p. 1033-1036, 2004
6. Christensen P. et al., Miniature Thermal Emission Spectrometer for the Mars Exploration Rovers, J. Geophys. Res., 108, 8064, 2003
7. Christensen P. et.al., Mars Global Surveyor Thermal Emission Spectrometer experiment: Investigation description and surface science, J. Geohysical Res., 106, 23,2001
8. Dang, M.-Z. et al., Interplay of surface conditions, particle size, stoichiometry, cell parameters, and magnetism in synthetic hematite-like minerals, Hyperfine Interactions, 117, 271-319, 1998
9. De Grave, E. and R. E. Vandenberghe, Mossbauer effect study of the spin structure in natural hematites, Phys. Chem. Minerals, 17, 344-352, 1990
10. De Grave, E., and A. Van Alboom, Evaluation of ferrous and ferric Mossbauer fractions, Phys. Chem. Minerals, 18, 337-342, 1991
11. Dyar D. et.al., Ferric iron in SNC meteorites as determined by Mossbauer spectroscopy: Implications for martian landers and martian oxygen fugacity, Meteoritics & Planetary Science 38, 1-20 (2003)
12. Evlanov E. et. al., Moessbauer Backscatter spectrometer for Mineralogical Analysis of the Mars Surface for Mars-94 mission, Lunar and Planet . Sci., XXII, Houston, USA, March 1991.
13. Evlanov E.N et al., Mossbauer Spectrometer for Mineralogical Analysis of the Mars Surface: Mossbauer Source Considerations, Lunar and Planetary Science XXIV, 459-460, 1993
14. Frauenfelder H., The Moessbauer effect, New York, Benjamin, 1962
15. Gellert R. et al., Chemistry of Rocks and Soils in Gusev Crater from the Alpha Particle X-Ray Spectrometer, Science 305, 829, 2004
16. Goetz W. et al., Indication of drier periods on Mars from the chemistry and mineralogy of atmospheric dust, Nature, Vol. 436, 62-65, 2005
17. Goldanskii V., Chemical applications of Moessbauer spectroscopy, New York, Academic Press, 1968
18. Golombek M. et al., Selection of the Mars Exploration Rover landing sites, J. Geophys. Res. 108, 8072 (2003)
19. Gooding J., Chemical Weathering on Mars, Icarus 33, 483-513, 1977
20. Gorevan S. et al., Rock Abrasion Tool: Mars Exploration Rover mission, J. Geophys. Res., 108, 8068 (2003)
21. Guetlich P. et al., Moessbauer Spectroscopy and transition metal chemistry, 1978
22. Gummer, A.W., Effect of accumulated Decay Product on the Mossbauer Emission Spectrum, Nucl.Inst.Meth. B34, 224-227. 1988
23. Held P. et a!., Mossbauer Spectrometer for Mineralogical Analysis of the Mars Surface: First temperature dependent tests of the detector and drive system, Lunar and Planetary Science XXIV, 633-634. 1993
24. Held P., MIMOS II: Ein miniaturisiertes Mdfibauerspektrometer in Riickstreugeometrie zur mineralogischen Analyse der Marsoberflciche, Ph.D. Thesis, Inst. Fuer Kernphysik, TH Darmstadt, 1997
25. Held P., PIN-Photodioden als Detektoren fur das Mossbauerspektrometer MIMOS zur Untersuchung der Marsoberflciche, Diploma Thesis, University Darmstadt, Inst. f. Nuclear Physics, 1993
26. Kane S., Rodionov D., et al., Surface and bulk crystallization of Fe61Co21Nb3B 15 Alloy, Hyperflne Interactions, 144/145, p. 273-278, 2002
27. Kankeleit, E., Some Technical Developments in Mossbauer Spectroscopy, Proc. Int. Conf. on Mossbauer Spectroscopy, Vol.2, Cracow, Poland, 43. 1975.
28. Kankeleit, E., Velocity Spectrometer for Mossbauer Experiments, Rev.Sci.Instr. 35, 194-197. 1964.
29. Klingelhoefer G. et al., Athena MIMOS II Moessbauer spectrometer investigation, J. Geophys. Res., 108, 8067 (2003)
30. Klingelhoefer G. et al., Jarosite and Hematite at Meridiani Planum from Opportunity's Moessbauer Spectrometer, Science 306, 1740, 2004
31. Knudsen J.M., et al., Moessbauer Spectroscopy and the Iron on Mars, Hyp. Int., v. 57, pp. 2231-2234, 1990
32. Lane M. et al., Spectroscopic evidence for hydrous iron sulfate in the Martian soil, Geophys. Res. Lett., 31, 2004
33. LeClerc A., Room temperature Moessbauer analysis of jarosite-type compounds, Phys. Chem. Minerals, 6, p.327-334, 1980
34. Madsen et al., Magnetic Properties Experiments on the Mars Exploration Rover mission, J. Geophys. Res., 108, 8069 (2003)
35. Marion G., Modeling aqueous ferrous iron chemistry at low temperatures with application to Mars, Geochemica et Cosmochimica, vol. 67, no. 22, p. 4251-4266,2003
36. May L., An Introduction to Moessbauer Spectroscopy, New York, Plenum press, 1971
37. McCammon, C., Mossbauer spectroscopy of minerals, In Mineral Physics and Crystallography: A Handbook of Physical Constants. Ed. T. J. Ahrens, Washington DC: American Geophysical Union, 332-47, 1995
38. Mitra S., Applied Moessbauer Spectroscopy, Pergamon Press, 1992
39. Moessbauer R., Naturwissenschaften, 45, 538, 1958
40. Moessbauer R., Z. Naturforsch, 14a, 211, 1959
41. Moessbauer R., Z. Physik, 151, 124, 1958
42. Morris et al., Mineralogy at Gusev Crater from the Moessbauer Spectrometer on the Spirit Rover, Science 305, 833, 2004
43. Morris R. et al., Spectral and physicochemical properties of submicron powders of hematite, magnetite, maghemite, goethite and lepidocrocite, J. Geophys. Res., 90, 3126-3144, 1985
44. Morris R. et al. Moessbauer spectroscopy for mineralogical analysis on planetary surfaces, SAAP Instrument Technology Workshop, Nov. 14-16, 1988. Houston TX, 1988.
45. Morris, R. et.al, Hematite, pyroxene, and phyllosilicates on Mars: Implications from oxidized impact melt rocks from Manicouagan Crater, Quebec, Canada, J. Geophys. Res., 100, 5319-5328, 1995
46. Murad E., Iron oxides and oxyhydroxides. Mossbauer spectroscopy applied to inorganic chemistry, vol.2 , p.507-582, Plenum, New York, 1987
47. Rieder R. et al., Chemistry of Rocks and Soils at Meridiani Planum from the Alpha Uarticle Xray Spectrometer, Science 306, 1746, 2004
48. Rieder R. et al., The new Athena alpha particle X-ray spectrometer for the Mars Exploration Rovers, J. Geophys. Res., 108, 8066 (2003)
49. 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
50. Rodionov D. et. al., An iron-nickel meteorite on Meridiani Planum: observations by MER Opportunity's Moessbauer spectroscopy, Geophysical Research Abstracts (European Geosciences Union 2005), Vol. 7., 10242, 2005
51. Schroeder C., Optimierung der Nachweis eigenschaften des miniaturisierten Moessbauer Spektrometer, University of Mainz, 2001
52. Soderblom L. et al., Soils of Eagle Crater and Meridiani Planum at the Opportunity Rover Landing Site, Science 306, 1723, 2004
53. Souza P., Automation in Mossbauer spectroscopy analysis, Lab. Robot. Automation, 11, 13-23, 1999
54. Souza P., Extraterrestrial and terrestrial applications of Moessbauer spectroscopy, Ph.D Thesis, Johannes-Gutenberg University Mainz, 2004
55. Squyres S. et al., Athena Mars rover science investigation, J. Geophys. Res., 108, 8062 (2003)
56. Squyres S. et al., The Opportunity Rover's Athena Science Investigation at Meridiani Planum, Mars, Science 306, 1698, 2004
57. Squyres S. et al., The Spirit Rover's Athena Science Investigation at Gusev Crater, Mars, Science, 305, 794, 2004
58. Stanek J. et al., Local states of Fe2+ and Mg2+ in magnesium rich olivines, American Mineralogist, Vol. 71, pp. 127-135, 1985
59. Stevens J. et al., Mossbauer Mineral Handbook, Biltmore Press, Ashville, NC, 1998
60. Teucher, R., Miniaturisierter Mossbauerantrieb, Diploma Thesis, University Darmstadt, Inst. f. Nuclear Physics, 1994
61. Ure M. et al., in Moessbauer Effect Methodology 7, New York, Plenum Press, p.270,1970
62. Wdowiak T. et al., Extracting science from Moessbauer spectroscopy on Mars, J. Geophys. Res., 108, 8097,2003
63. Weinheimer Ch. et.al, Measurement of energy resolution and dead layer thickness ofLN2-cooled PINphotodiodes, Nucl. Inst. Meth. A311, 273-279. 1992.
64. Weisskopf V., Z. Physik, 63, 54, 1930
65. Wertheim G., Moessbauer effect: Principles and Applications, New York, Academic Press, 1964
66. Yen A. et al., An integrated view of the chemistry and mineralogy of Martian soils, Nature, Vol. 436, 49-54, 2005
67. Евланов E.H, Зубков Б.В.,Линкин B.M., Прилуцкий О.Ф., "Мессбауеровские спектры поверхности Марса как это начиналось", Сборник "Вгляд в будущее" (Москва: издание ИКИ РАН), с. 149-153, 204
68. Евланов Е.Н. и др., Возможность применения мессбауэровской спектроскопии для исследования пород Марса и других объектов Солнечной системы, Препринт ИКИ РАН, Пр-2011, 1999
69. Клингелхофер Г. и др., Миниатюризированный мессбауэровский спектрометр для анализа минералогии железа на поверхности Марса, Препринт ИКИ РАН, Пр-2081, 2003
70. Новакова А., Кузьмин Р., Мессбауэровская конверсионная спектроскопия и ее применения, МГУ, 1989
