为行星探索设计的轻量化XRD/XRF原型及其性能表征

《Acta Astronautica》：Design and characterization of a lightweight XRD/XRF prototype for planetary exploration

X射线衍射荧光集成分析仪原型开发及性能验证，采用反射几何设计结合单CCD和SDD实现矿物学与元素分析同步，角分辨率达0.26°，能量分辨率190eV，总质量2.85kg，适用于月球及深空探测。

　　

杨超|刘亚宁|彭桑|冯鹏远|王超|王环|刘文博|李宝全

中国科学院国家空间科学中心，北京，100190，中国

摘要

对行星表面矿物学和元素组成的原位分析对于理解地质演化和资源潜力至关重要。我们展示了一种紧凑型、集成式的X射线衍射和X射线荧光分析仪，专为月球上的原位地球化学分析设计。该仪器采用反射几何结构，配备单个X射线源，并结合二维CCD进行衍射检测以及硅漂移探测器进行荧光测量。性能测试验证了该设计的有效性。XRD系统在使用单个CCD的情况下，在25°范围内（从25°到50°）实现了0.26°的角分辨率（$\backslash theta$）。XRF系统在0.9–22 keV范围内实现了190 eV的能量分辨率。单点测量可在30分钟内完成。该原型仪的总质量为2.85公斤。这种集成设计能够在资源受限的条件下同时进行矿物学和元素分析，为未来的月球和行星探测任务提供了一种高效可靠的分析工具。

引言

对行星岩石和土壤的矿物类型、晶体结构及化学成分进行原位分析，为了解行星地质、演化和潜在生物特征提供了重要信息，直接支持着着陆点特征描述和原位资源利用等任务目标[1]、[2]。

自深空探索时代以来，前往月球和火星的任务通常都会携带用于元素分析的仪器。其中，基于X射线的仪器（如X射线荧光（XRF）和阿尔法粒子X射线光谱仪（APXS）被最广泛使用[3]。例如，火星探测器“好奇号”（配备APXS）[4]和“毅力号”（配备PIXL XRF）[5]，以及中国的“玉兔号”月球探测器（配备APXS）[6]都进行了原位元素测量。

然而，仅凭XRF提供的元素组成信息不足以进行明确的矿物学解释。例如，在典型的Mg–Fe–Si玄武岩样本中，XRF可以检测到高浓度的Mg、Fe和Si，但无法区分这些元素是以橄榄石、辉石还是玄武岩玻璃的形式存在[7]。然而，这些矿物学和晶体学信息对于重建岩石的成岩历史、评估风化过程以及评估资源可用性至关重要[8]、[9]。因此，仅靠XRF无法满足准确识别矿物的需求。

为了解决这一难题，X射线衍射（XRD）作为一种强大的补充技术应运而生。XRD对晶体结构具有高度敏感性，能够明确识别和定量分析矿物，使其成为原位矿物学的基石[10]。XRD和XRF这两种技术功能互补；它们的数据融合可以提供样本化学成分和矿物学的完整图像。

迄今为止，“好奇号”上的CheMin仪器仍是唯一经过飞行验证的用于行星表面原位分析的XRD系统。CheMin采用透射几何结构并配备CCD区域探测器，从盖尔陨石坑获得了关键的矿物学数据，极大地推进了我们对火星地质和宜居性的理解[11]、[12]、[13]、[14]。尽管CheMin同时记录XRD和XRF信号，但由于透射几何结构和CCD能量分辨率的限制，其XRF数据主要是定性的[15]、[16]、[17]。

为了支持未来的任务，几种下一代集成式XRD/XRF仪器正在研发中。例如，欧洲航天局的Mars-XRD采用⁵⁵Fe源并采用反射几何结构[18]。NASA基于CheMin开发了多种改进设计：XTRA适用于反射几何结构，并结合了硅漂移探测器（SDD）以提高XRF性能[19]、[20]；月球METRIC XRD/F保持透射几何结构，但采用了针对XRD和XRF分别优化的双通道光学路径[21]；而为金星设计的CheMin-V则使用双准直光束同时分析两个样本[22]。

本文报道了一种轻量化、紧凑型的集成式X射线衍射/荧光分析仪（XRDF）原型。该原型最初是针对中国的未来月球任务而开发的。该仪器基于反射几何结构，集成了定制开发的微焦点X射线源和双缝准直器。在检测方面，它结合了CCD进行XRD图案采集和SDD进行XRF光谱分析。本文详细描述了该仪器的集成设计，并报告了其初步性能测试的结果。

部分内容摘录

整体设计

XRDF原型由三个主要组件组成：准直X射线源、冷却CCD相机和SDD。在操作过程中，月球探测器上的样品制备系统将月球土壤或粉碎的岩石装载到样品架中。然后，这个包含平坦表面样品的样品架被输送到XRDF分析位置。来自微焦点源的准直X射线束以低入射角照射到样品表面。这种相互作用会产生...

实验设置

进行了一系列实验来评估XRDF原型的性能。目标是验证XRF和XRD子系统的关键规格，包括XRF探测器的能量分辨率和元素范围，以及XRD系统的角度精度和覆盖范围。

所有测试都在真空室中进行，以模拟月球环境。这是必要的，因为需要消除低能X射线的吸收和散射

结论

成功开发并测试了一种总质量为2.85公斤的轻量化集成式XRD–XRF分析仪原型。地面测试验证了该仪器的设计。XRF子系统在5.9 keV时实现了190 eV的能量分辨率，并在0.9 keV–22 keV范围内工作。检测到了钠（Na）。在NIST SRM 610样品上展示了多元素的同时分析。

配备单CCD探测器的XRD子系统在25°–50°的有效范围内工作。角度...

CRediT作者贡献声明

杨超：撰写——初稿、可视化、项目管理、方法论、数据分析、概念化。刘亚宁：验证、软件、资源准备。彭桑：验证、方法论。冯鹏远：验证、方法论。王超：验证、方法论。王环：验证、软件。刘文博：验证。李宝全：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、方法论、资金筹集、概念化。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：杨超报告称统计分析由北京工业大学提供；设备、药品或耗材由哈尔滨工业大学提供；行政支持由中国科学院地质与地球物理研究所提供。如果还有其他作者，他们声明自己没有...

致谢

本工作得到了国家科技重大专项（月球探测计划）和北京自然科学基金（L255022）的资助。我们感谢北京工业大学、哈尔滨工业大学和中国科学院地质与地球物理研究所提供的设施和技术支持。