劉菁華，王文華，陳圣波，周大鵬

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

0 前言

2013年12月初，長征三號乙運載火箭攜帶中國第一艘月球車從西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射，實現(xiàn)了中國首次月面軟著陸。嫦娥三號(CE3)由著陸器和巡視探測器(“玉兔號”月球車)組成，其主要任務(wù)是進行首次月球軟著陸和自動巡視勘察，獲取月球內(nèi)部的物質(zhì)成分并進行分析，將一期工程的“表面探測”引申至內(nèi)部探測。其中“玉兔號”月球車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), 它是機械臂上唯一的載荷。APXS通過放射源主動激發(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)過程和形成演化研究提供重要依據(jù)[1]。2013年12月25日在機械臂投放過程中，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CE3 “玉兔號”月球車傳輸回來的APXS數(shù)據(jù)[3]進行了特征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)說明

CE3玉兔號月球車軟著陸后，共實行了兩次APXS測量[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級數(shù)據(jù)。其中，0005_A測量時間共12 min16 s左右，0006 _A測量時間共3 h43 min05 s左右。

數(shù)據(jù)文件每條記錄的格式為：

測量時間

工作模式

月球車機械臂的方位角

月球車機械臂的俯視角

月球車機械臂腕的俯視角

溫度060

溫度001

探測器的俯視位置

探測器的翻滾位置

探測器的偏航位置

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記錄一次測量結(jié)果，由于時間非常短，計數(shù)率較低，為了獲得較高的分析精度，采用累加譜記錄構(gòu)成測量點的譜曲線進行X射線能譜分析[3-4]。首先得到CE3 0006測量點的累積X射線能譜曲線(圖1a)，然后歸一化為2 h的計數(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，這對進一步從譜線特征峰識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；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0006_A文件的累計X射線譜進行了能量標(biāo)定，結(jié)果見圖2。

( )內(nèi)數(shù)字為峰編號。圖2 CE3 0006測量點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熒光測量元素識別的基本原理

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動的電子向心力是電子在核庫侖場中所受的靜電引力，而且若系統(tǒng)保持穩(wěn)定，則電子運動產(chǎn)生的離心力與電子在核庫侖場中所受靜電引力必須相等，與此同時，還要考慮到在原子中其他核外電子對核電荷有屏蔽作用；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為考慮電子對核電荷的屏蔽作用引入屏蔽系數(shù)，其基本與Z無關(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；所以可以通過不同核素發(fā)射出的不同特征X射線能量來識別物質(zhì)的構(gòu)成元素。這就是X熒光測量能對物質(zhì)進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文獻[7]附錄5。

3.2 月表土壤特征X射線譜的元素識別

月球車X射線能譜儀APXS的測量點的坐標(biāo)為(-19.508 827，44.119 717)，位于雨海西北擴展開來的一個玄武巖熔巖平原[4]，月海的玄武巖[8-11]主要由輝石、長石、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X射線能譜儀的激發(fā)源由4個55Fe (半衰期2.73 a，活度4×(259.00×107Bq))和4個109Gd(半衰期1.27 a，活度4×(9.25×107Bq))組成，以Si漂移型半導(dǎo)體為探測器，2048道幅度分析器，儀器的測量能量范圍為0.39～22.1 keV[3]。

從圖2各峰所對應(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的譜峰不進行元素確定。根據(jù)元素的特征能量，本文確定了各峰對應(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，測點共有23個特征峰，各特征峰分別對應(yīng)相應(yīng)的元素，將各元素的符號標(biāo)于相應(yīng)的特征峰位置上，見圖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計數(shù)率較高，而K、Mg、Al計數(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[4]中的認識“嫦娥三號著陸區(qū)月壤高Fe和Ti、低Al的特征，說明下覆的玄武巖是一種新的類型。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)通過對CE3月球車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射線計數(shù)率較高，預(yù)示著這些元素的含量較高，這與測點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。

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