CE3玉兔號(hào)月球車(chē)APXS特征X射線能譜信息分析

劉菁華，王文華，陳圣波，周大鵬

1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，長(zhǎng)春 130026 2.吉林大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，長(zhǎng)春 130061 3.中興通訊股份有限公司，西安 710065

0 前言

2013年12月初，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭攜帶中國(guó)第一艘月球車(chē)從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了中國(guó)首次月面軟著陸。嫦娥三號(hào)(CE3)由著陸器和巡視探測(cè)器(“玉兔號(hào)”月球車(chē))組成，其主要任務(wù)是進(jìn)行首次月球軟著陸和自動(dòng)巡視勘察，獲取月球內(nèi)部的物質(zhì)成分并進(jìn)行分析，將一期工程的“表面探測(cè)”引申至內(nèi)部探測(cè)。其中“玉兔號(hào)”月球車(chē)攜帶了高能所粒子天體物理中心研制的粒子激發(fā)X射線譜儀(APXS), 它是機(jī)械臂上唯一的載荷。APXS通過(guò)放射源主動(dòng)激發(fā)月巖或月壤中的元素，使其產(chǎn)生特征X射線，從而獲得月巖和月壤中的化學(xué)成分及含量，其可為月球地質(zhì)化學(xué)過(guò)程和形成演化研究提供重要依據(jù)[1]。2013年12月25日在機(jī)械臂投放過(guò)程中，粒子激發(fā)X射線譜儀采用自身的距離感知功能，成功指導(dǎo)機(jī)械臂將探頭精確投放到距離月面2～3 cm處，完成了首次月面元素的原位分析[2]。本文對(duì)CE3 “玉兔號(hào)”月球車(chē)傳輸回來(lái)的APXS數(shù)據(jù)[3]進(jìn)行了特征X射線譜數(shù)據(jù)處理和分析，以期獲得月壤或巖石的化學(xué)成分，為著陸區(qū)的地質(zhì)演化提供技術(shù)支持。

1 粒子激發(fā)X射線譜線的獲得和處理

1.1 特征X射線能譜數(shù)據(jù)說(shuō)明

CE3玉兔號(hào)月球車(chē)軟著陸后，共實(shí)行了兩次APXS測(cè)量[1,3]，第一次于2013年12月25日將數(shù)據(jù)傳回地面應(yīng)用系統(tǒng)[4-5]。經(jīng)處理后得到兩組數(shù)據(jù)文件，分別為“CE3_BMYK_PIXS-E_SCI_N_20131221124501_ 20131223174500_0005_A.2B” 和“CE3_BMYK_PIXS-E_SCI_N_20131223174501_ 20131226000000_0006_A.2B”，均為地面應(yīng)用系統(tǒng)發(fā)布的PDS格式2B級(jí)數(shù)據(jù)。其中，0005_A測(cè)量時(shí)間共12 min16 s左右，0006 _A測(cè)量時(shí)間共3 h43 min05 s左右。

數(shù)據(jù)文件每條記錄的格式為：

測(cè)量時(shí)間

工作模式

月球車(chē)機(jī)械臂的方位角

月球車(chē)機(jī)械臂的俯視角

月球車(chē)機(jī)械臂腕的俯視角

溫度060

溫度001

探測(cè)器的俯視位置

探測(cè)器的翻滾位置

探測(cè)器的偏航位置

特征X射線譜數(shù)據(jù)第1道

特征X射線譜數(shù)據(jù)第2道

?

特征X射線譜數(shù)據(jù)第2 048道

儀器狀態(tài)參數(shù)

其中，譜數(shù)據(jù)的第1道和最后道數(shù)據(jù)是無(wú)效數(shù)據(jù)。

1.2 特征X射線譜數(shù)據(jù)處理

X射線能譜儀APXS每8 s記錄一次測(cè)量結(jié)果，由于時(shí)間非常短，計(jì)數(shù)率較低，為了獲得較高的分析精度，采用累加譜記錄構(gòu)成測(cè)量點(diǎn)的譜曲線進(jìn)行X射線能譜分析[3-4]。首先得到CE3 0006測(cè)量點(diǎn)的累積X射線能譜曲線(圖1a)，然后歸一化為2 h的計(jì)數(shù)率。從圖1a的譜曲線可以看出，曲線上毛刺較多，主要原因是放射性統(tǒng)計(jì)漲落，以及噪聲的影響。為了消除這種影響，采用小波去噪[6]的方法進(jìn)行了處理，經(jīng)處理后得到圖1b。從圖1b中可看出，去噪后曲線更圓滑，特征峰更清晰，這對(duì)進(jìn)一步從譜線特征峰識(shí)別元素及分析提供了更高的質(zhì)量保證。

2 譜線的能量刻度

由CE3月球車(chē)載的X射線能譜儀APXS所給定的標(biāo)定能量公式[5]為

E=ChP1+P2。

(1)

其中：

P1=a1+b1T+c1T2+d1T3+e1T4,

P2=a2+b2T+c2T2+d2T3。

式中：E為能量；Ch為道號(hào)；a1=10.445；b1=7.43×10-3；c1=1.21×10-4；d1=-8.60×10-7；e1=-4.43×10-8；a2=183.36；b2=-0.74；c2=3.27×10-3；d2=-6.12×10-4；T為溫度。

式(1)對(duì)0006_A文件的累計(jì)X射線譜進(jìn)行了能量標(biāo)定，結(jié)果見(jiàn)圖2。

( )內(nèi)數(shù)字為峰編號(hào)。圖2 CE3 0006測(cè)量點(diǎn)X射線譜特征元素及能量Fig.2 Energy and element of X-ray energy spectrum characteristic peak

3 月表土壤特征X射線能譜的分析

3.1 X熒光測(cè)量元素識(shí)別的基本原理

1913年，莫塞萊(H.G.J. Moseley)發(fā)現(xiàn)元素X射線光譜頻率的平方根與原子序數(shù)Z之間存在著以下簡(jiǎn)單的線性關(guān)系[7]：

(2)

式中：v是X射線的頻率；Z為原子序數(shù)；a和b均為常數(shù)。這就是莫塞萊定律。

由于在軌道上以一定速度運(yùn)動(dòng)的電子向心力是電子在核庫(kù)侖場(chǎng)中所受的靜電引力，而且若系統(tǒng)保持穩(wěn)定，則電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力與電子在核庫(kù)侖場(chǎng)中所受靜電引力必須相等，與此同時(shí)，還要考慮到在原子中其他核外電子對(duì)核電荷有屏蔽作用；因此第n軌道電子的能態(tài)En可表示為

(3)

式中：R為里德伯常數(shù)，R=1.097×107m-1；h為普朗克常數(shù)，h=6.625 59×10-34J·s；C為光速，C=3×108m/s；n為主量子數(shù)；σ為考慮電子對(duì)核電荷的屏蔽作用引入屏蔽系數(shù)，其基本與Z無(wú)關(guān)。

當(dāng)電子由量子數(shù)為n1的能態(tài)躍遷到主量子數(shù)為n2的能態(tài)，其能量關(guān)系為

(4)

式中，ΔE為主量子數(shù)n1能態(tài)到n2能態(tài)的能量差。

式(4)表明，不同的元素具有不同的能級(jí)差，所以能發(fā)射出不同的特征X射線能量，同一線系的特征X射線能量隨原子序數(shù)的增大而增加；所以可以通過(guò)不同核素發(fā)射出的不同特征X射線能量來(lái)識(shí)別物質(zhì)的構(gòu)成元素。這就是X熒光測(cè)量能對(duì)物質(zhì)進(jìn)行元素成分分析的基本原理。有關(guān)不同元素的X射線特征峰能量值見(jiàn)文獻(xiàn)[7]附錄5。

3.2 月表土壤特征X射線譜的元素識(shí)別

月球車(chē)X射線能譜儀APXS的測(cè)量點(diǎn)的坐標(biāo)為(-19.508 827，44.119 717)，位于雨海西北擴(kuò)展開(kāi)來(lái)的一個(gè)玄武巖熔巖平原[4]，月海的玄武巖[8-11]主要由輝石、長(zhǎng)石、橄欖石和不透明礦物組成，其中不透明礦物主要是鈦鐵礦。月球車(chē)X射線能譜儀的激發(fā)源由4個(gè)55Fe (半衰期2.73 a，活度4×(259.00×107Bq))和4個(gè)109Gd(半衰期1.27 a，活度4×(9.25×107Bq))組成，以Si漂移型半導(dǎo)體為探測(cè)器，2048道幅度分析器，儀器的測(cè)量能量范圍為0.39～22.1 keV[3]。

從圖2各峰所對(duì)應(yīng)的能量，我們可以找到相應(yīng)被激發(fā)元素的特征X射線能量，從而得到相應(yīng)能量特征峰可能對(duì)應(yīng)的元素。由于55Fe激發(fā)源的能量為5.89 keV和6.49 keV，而109Gd激發(fā)源的能量為22.16 keV和24.94 keV[4]，可激發(fā)的元素為Na—Mo，所以能量高于18 keV的譜峰不進(jìn)行元素確定。根據(jù)元素的特征能量，本文確定了各峰對(duì)應(yīng)的元素，將其結(jié)果列于表1中。

表1 X射線能譜特征峰能量及核素

續(xù)表1

注：儀器能量分辨率為135 eV(對(duì)于5.9 keV)。Kα為K系α特征X射線，Kβ為K系β特征X射線。

由表1可知，測(cè)點(diǎn)共有23個(gè)特征峰，各特征峰分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的元素，將各元素的符號(hào)標(biāo)于相應(yīng)的特征峰位置上，見(jiàn)圖2。其中Cu的特征峰(17峰、18峰)是由于儀器的靈敏探頭的校準(zhǔn)樣的外殼所致[3]，而Mn的特征峰(13峰、14峰)是激發(fā)源55Fe的散射影響所致；所以APXS測(cè)量到的元素有Si、Ca、Al、Mg、K、P、S、Fe、Ti、Ni、Cr、Mo、Sr、Y、Zr、Nb，共16種。這一結(jié)果與早期人們的研究是相似的[3-5]，其中Fe、Ti、Ca、Si計(jì)數(shù)率較高，而K、Mg、Al計(jì)數(shù)率較低。這些結(jié)果與人們研究的有關(guān)月海玄武巖具有高的FeO質(zhì)量分?jǐn)?shù)(>16%)，低或中等的Mg質(zhì)量分?jǐn)?shù)，低Al2O3，變化范圍大的TiO2質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及貧Na和K的規(guī)律一致[12]；Ni、Cr、Sr、Y、Zr、Nb、Mo計(jì)數(shù)率較低，預(yù)示著它們是以微量元素的形式存在。P元素的出現(xiàn)可能反映了克里普巖(KREEP巖)的混雜。這與文獻(xiàn)[4]中的認(rèn)識(shí)“嫦娥三號(hào)著陸區(qū)月壤高Fe和Ti、低Al的特征，說(shuō)明下覆的玄武巖是一種新的類(lèi)型。次要元素K和微量元素Zr、Y和Nb的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，以及它們之間的比值關(guān)系，表示該玄武巖可能混入了10%～20%的克里普組分”[4]相一致，而且符合“克里普巖極為富含稀土元素、U、Th、K和P”[9]。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)CE3月球車(chē)APXS特征X射線的能譜曲線分析，獲得了月巖或月壤的元素包括Si、Ca、Al、Mg、K、P、S、Fe、Ti、Ni、Cr、Mo、Sr、Y、Zr、Nb。

2)從CE3月球車(chē)X射線能譜儀的特征X射線能譜曲線上還可以看出月壤Fe、Ti、Ca、Si、元素特征X射線計(jì)數(shù)率較高，預(yù)示著這些元素的含量較高，這與測(cè)點(diǎn)的玄武巖特征是一致的；但P元素的存在，反映有克里普巖層的混雜。

[1] Chen Dengyi, Wu Jian, Hu Yiming, et al. Design and Experimental Verication of Chang’e-3 Moon-Night Survival Device for APXS[J]. Chinese Astronomy and Astrophysics，2016, 40: 414-424.

[2] 梁曉華，吳明燁，王煥玉，等.嫦娥三號(hào)粒子激發(fā)X射線譜儀紅外距離感知方[J]. 光譜學(xué)與光譜分析，2013, 33(5):1360-1363.

Liang Xiaohua, Wu Mingye, Wang Huanyu, et al. Near Infrared Distance Method for Chang’e-3 Alpha Particle X-Ray Spectrometer[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis，2013, 33(5):1360-1363.

[3] Fu Xiaohui, Li Chunlai, Zhang Guangliang, et al. Data Processing for the Active Particle-Induced X-Ray Spectrometer and Initial Scientific Results from Chang’e-3 Mission[J]. Research in Astronomy and Astrophysics，2014, 14(12)：1595-1606.

[4]Zhang Jinhai, Yang Wei, Hu Sen, et al. Volcanic History of the lmbrium Basin: A Close-up View from the Lunar Rover Yutu[J]. PNAS，2015,112(17)：5342-5347.

[5]Ling Zongcheng, Jolliff B L, Wang Alian, et al. Correlated Compositional and Mineralogical Investigatios at the Chang’e-3 Landing Site[J]. Nature Communications，2015. doi：10.1038/ncomms 9880/ www.nature.com/naturecommunications.

[6] 劉菁華，王祝文，陳圣波，等. CE-1伽馬能譜測(cè)量中4種月球巖石的能譜特征分析[J]. 地學(xué)前緣，2014, 21(6)：121-128.

Liu Jinghua. Wang Zhuwen, Chen Shengbo, et al.Spectrum Characteristics Analysis of Four Lunar Rocks Based on the CE-1 Gamma-Ray Spectrometry Data[J]. Earth Sicence Frontiers，2014, 21(6)：121-128.

[7] 劉菁華，王祝文. 放射性勘探方法[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2014.

Liu Jinghua, Wang Zhuwen. Radioactive Exploration Method[M]. Beijing：Geological Publishing House, 2014.

[8] Zhao Jiannan, Huang Jun, Qiao Le, et al. Geologic Characteristics of the Chang’e-3 Exploration Region[J]. Science China Physics, Mechanics & Astronomy March，2014,57(3) : 569-576.doi: 10.1007/s11433-014-5399-z.

[9] 張明皓，陳超，蘭瑞平，等. 月球表面多種金屬元素的分布特征初探[J]. 地學(xué)前緣, 2007，14(5)：277-284.

Zhang Minghao, Chen Chao, Lan Ruiping, et al. APreliminary Analysis: The Distribution of Metallic Elements on the Lunar Surface[J]. Earth Science Frontiers, 2007, 14(5)：277-284.

[10] 李泳泉，劉建忠，歐陽(yáng)自遠(yuǎn)，等. 月球表面巖石類(lèi)型的分布特征：基于Lunar Prospector(LP)伽馬射線譜儀探測(cè)數(shù)據(jù)的反演[J]. 巖石學(xué)報(bào), 2007，23(5)：1169-1174.

Li Yongquan, Liu Jianzhong, Ouyang Ziyuan, et al. Petrologic Distrbutions on the Moon: Based on the Lunar Prospector(LP) Gamma-Ray Spectrometer Data Transformation[J]. Acta Petrologica Sinica, 2007:23(5)：1169-1174.

[11] 胥濤，李春來(lái). 月球表面元素含量的定量分析方法[J]. 空間科學(xué)學(xué)報(bào), 2001，21(1)：332-340.

Xu Tao, Li Chunlai. Abundances and Distribution of Elements of the Lunar Surface[J]. Chinese Journal of Space Science, 2001, 21(1)：332-340.

[12] 徐義剛. 月海玄武巖與月球演化[J]. 地球化學(xué), 2010，39(1)：50-62.

Xu Yigang. Mare Basalts and Lunar Evolution[J]. Geochimica,2010，39(1)：50-62.