CE3玉兔号月球车APXS特征X射线能谱信息分析

刘菁华，王文华，陈圣波，周大鹏

1.吉林大学地球探测科学与技术学院，长春 130026 2.吉林大学地球科学学院，长春 130061 3.中兴通讯股份有限公司，西安 710065

0 前言

2013年12月初，长征三号乙运载火箭携带中国第一艘月球车从西昌卫星发射中心发射，实现了中国首次月面软着陆。嫦娥三号(CE3)由着陆器和巡视探测器(“玉兔号”月球车)组成，其主要任务是进行首次月球软着陆和自动巡视勘察，获取月球内部的物质成分并进行分析，将一期工程的“表面探测”引申至内部探测。其中“玉兔号”月球车携带了高能所粒子天体物理中心研制的粒子激发X射线谱仪(APXS), 它是机械臂上唯一的载荷。APXS通过放射源主动激发月岩或月壤中的元素，使其产生特征X射线，从而获得月岩和月壤中的化学成分及含量，其可为月球地质化学过程和形成演化研究提供重要依据[1]。2013年12月25日在机械臂投放过程中，粒子激发X射线谱仪采用自身的距离感知功能，成功指导机械臂将探头精确投放到距离月面2～3 cm处，完成了首次月面元素的原位分析[2]。本文对CE3 “玉兔号”月球车传输回来的APXS数据[3]进行了特征X射线谱数据处理和分析，以期获得月壤或岩石的化学成分，为着陆区的地质演化提供技术支持。

1 粒子激发X射线谱线的获得和处理

1.1 特征X射线能谱数据说明

CE3玉兔号月球车软着陆后，共实行了两次APXS测量[1,3]，第一次于2013年12月25日将数据传回地面应用系统[4-5]。经处理后得到两组数据文件，分别为“CE3_BMYK_PIXS-E_SCI_N_20131221124501_ 20131223174500_0005_A.2B” 和“CE3_BMYK_PIXS-E_SCI_N_20131223174501_ 20131226000000_0006_A.2B”，均为地面应用系统发布的PDS格式2B级数据。其中，0005_A测量时间共12 min16 s左右，0006 _A测量时间共3 h43 min05 s左右。

数据文件每条记录的格式为：

测量时间

工作模式

月球车机械臂的方位角

月球车机械臂的俯视角

月球车机械臂腕的俯视角

温度060

温度001

探测器的俯视位置

探测器的翻滚位置

探测器的偏航位置

特征X射线谱数据第1道

特征X射线谱数据第2道

⋮

特征X射线谱数据第2 048道

仪器状态参数

其中，谱数据的第1道和最后道数据是无效数据。

1.2 特征X射线谱数据处理

X射线能谱仪APXS每8 s记录一次测量结果，由于时间非常短，计数率较低，为了获得较高的分析精度，采用累加谱记录构成测量点的谱曲线进行X射线能谱分析[3-4]。首先得到CE3 0006测量点的累积X射线能谱曲线(图1a)，然后归一化为2 h的计数率。从图1a的谱曲线可以看出，曲线上毛刺较多，主要原因是放射性统计涨落，以及噪声的影响。为了消除这种影响，采用小波去噪[6]的方法进行了处理，经处理后得到图1b。从图1b中可看出，去噪后曲线更圆滑，特征峰更清晰，这对进一步从谱线特征峰识别元素及分析提供了更高的质量保证。

2 谱线的能量刻度

由CE3月球车载的X射线能谱仪APXS所给定的标定能量公式[5]为

E=ChP1+P2。

(1)

其中：

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

P2=a2+b2T+c2T2+d2T3。

式中：E为能量；Ch为道号；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为温度。

式(1)对0006_A文件的累计X射线谱进行了能量标定，结果见图2。

( )内数字为峰编号。图2 CE3 0006测量点X射线谱特征元素及能量Fig.2 Energy and element of X-ray energy spectrum characteristic peak

3 月表土壤特征X射线能谱的分析

3.1 X荧光测量元素识别的基本原理

1913年，莫塞莱(H.G.J. Moseley)发现元素X射线光谱频率的平方根与原子序数Z之间存在着以下简单的线性关系[7]：

(2)

式中：v是X射线的频率；Z为原子序数；a和b均为常数。这就是莫塞莱定律。

由于在轨道上以一定速度运动的电子向心力是电子在核库仑场中所受的静电引力，而且若系统保持稳定，则电子运动产生的离心力与电子在核库仑场中所受静电引力必须相等，与此同时，还要考虑到在原子中其他核外电子对核电荷有屏蔽作用；因此第n轨道电子的能态En可表示为

(3)

式中：R为里德伯常数，R=1.097×107m-1；h为普朗克常数，h=6.625 59×10-34J·s；C为光速，C=3×108m/s；n为主量子数；σ为考虑电子对核电荷的屏蔽作用引入屏蔽系数，其基本与Z无关。

当电子由量子数为n1的能态跃迁到主量子数为n2的能态，其能量关系为

(4)

式中，ΔE为主量子数n1能态到n2能态的能量差。

式(4)表明，不同的元素具有不同的能级差，所以能发射出不同的特征X射线能量，同一线系的特征X射线能量随原子序数的增大而增加；所以可以通过不同核素发射出的不同特征X射线能量来识别物质的构成元素。这就是X荧光测量能对物质进行元素成分分析的基本原理。有关不同元素的X射线特征峰能量值见文献[7]附录5。

3.2 月表土壤特征X射线谱的元素识别

月球车X射线能谱仪APXS的测量点的坐标为(-19.508 827，44.119 717)，位于雨海西北扩展开来的一个玄武岩熔岩平原[4]，月海的玄武岩[8-11]主要由辉石、长石、橄榄石和不透明矿物组成，其中不透明矿物主要是钛铁矿。月球车X射线能谱仪的激发源由4个55Fe (半衰期2.73 a，活度4×(259.00×107Bq))和4个109Gd(半衰期1.27 a，活度4×(9.25×107Bq))组成，以Si漂移型半导体为探测器，2048道幅度分析器，仪器的测量能量范围为0.39～22.1 keV[3]。

从图2各峰所对应的能量，我们可以找到相应被激发元素的特征X射线能量，从而得到相应能量特征峰可能对应的元素。由于55Fe激发源的能量为5.89 keV和6.49 keV，而109Gd激发源的能量为22.16 keV和24.94 keV[4]，可激发的元素为Na—Mo，所以能量高于18 keV的谱峰不进行元素确定。根据元素的特征能量，本文确定了各峰对应的元素，将其结果列于表1中。

表1 X射线能谱特征峰能量及核素

续表1

注：仪器能量分辨率为135 eV(对于5.9 keV)。Kα为K系α特征X射线，Kβ为K系β特征X射线。

由表1可知，测点共有23个特征峰，各特征峰分别对应相应的元素，将各元素的符号标于相应的特征峰位置上，见图2。其中Cu的特征峰(17峰、18峰)是由于仪器的灵敏探头的校准样的外壳所致[3]，而Mn的特征峰(13峰、14峰)是激发源55Fe的散射影响所致；所以APXS测量到的元素有Si、Ca、Al、Mg、K、P、S、Fe、Ti、Ni、Cr、Mo、Sr、Y、Zr、Nb，共16种。这一结果与早期人们的研究是相似的[3-5]，其中Fe、Ti、Ca、Si计数率较高，而K、Mg、Al计数率较低。这些结果与人们研究的有关月海玄武岩具有高的FeO质量分数(>16%)，低或中等的Mg质量分数，低Al2O3，变化范围大的TiO2质量分数以及贫Na和K的规律一致[12]；Ni、Cr、Sr、Y、Zr、Nb、Mo计数率较低，预示着它们是以微量元素的形式存在。P元素的出现可能反映了克里普岩(KREEP岩)的混杂。这与文献[4]中的认识“嫦娥三号着陆区月壤高Fe和Ti、低Al的特征，说明下覆的玄武岩是一种新的类型。次要元素K和微量元素Zr、Y和Nb的质量分数，以及它们之间的比值关系，表示该玄武岩可能混入了10%～20%的克里普组分”[4]相一致，而且符合“克里普岩极为富含稀土元素、U、Th、K和P”[9]。

4 结论

1)通过对CE3月球车APXS特征X射线的能谱曲线分析，获得了月岩或月壤的元素包括Si、Ca、Al、Mg、K、P、S、Fe、Ti、Ni、Cr、Mo、Sr、Y、Zr、Nb。

2)从CE3月球车X射线能谱仪的特征X射线能谱曲线上还可以看出月壤Fe、Ti、Ca、Si、元素特征X射线计数率较高，预示着这些元素的含量较高，这与测点的玄武岩特征是一致的；但P元素的存在，反映有克里普岩层的混杂。

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