Химия лунного грунта

Суть этого метода в следующем. Альфа-частицы, испущенные радиоактивными источниками, при столкновениях с ядрами атомов испытывают рассеяние, причем энергия рассеянных частиц зависит от сорта ядер и от угла, под которым вылетела рассеянная частица. Если облучить какое-либо вещество альфа-частицами строго определенной энергии и установить (под фиксированным углом) счетчик рассеянных частиц, то он будет регистрировать альфа-частицы лишь определенных энергий, соответствующих наличию в изучаемом веществе тех или иных химических элементов, т. е. будет получен определенный спектр альфа-частиц. В действительности же, из-за особых свойств радиоактивных источников и счетчиков спектр будет состоять не из линий, а из «обрывов», соответствующих положению этих линий (рис. 5). По положению «обрывов» и определяют, какие элементы присутствуют в исследуемом образце.

Рис. 5. Типичный спектр, получаемый при анализе, использующем метод «обратно рассеянных альфа-частиц»

Возможность анализа спектров рассеянных альфа-частиц в качестве метода изучения химического состава была известна давно, однако метод не получил распространения в практике лабораторных и промышленных исследований в силу нескольких причин. Например, данный метод позволяет уверенно определить в отдельности содержание в сложных образцах лишь тех элементов, которые расположены в начале периодической таблицы Менделеева. Более тяжелые элементы этим методом практически могут быть определены лишь в виде групп — «от титана до цинка» (9 элементов), все элементы «тяжелее цинка» и т. д. Причем лучше всего можно определить элементы, если детектор регистрирует альфа-частицы, рассеянные на образце в обратном направлении (назад). Кроме того, метод позволяет проводить анализы только в вакууме, при этом только один анализ занимает очень много времени — десятки часов. Впрочем, в рамках программы «Сервейер» (неподвижные станции для локальных исследований Луны) последнее обстоятельство не играло особой роли. В то же время следует отметить, что данный метод дает возможность определить общую картину химического состава вещества и при этом способен указать на аномально высокое содержание каких-либо элементов (или групп элементов). Однако он не позволяет получить детальные сведения о концентрации отдельных элементов, являющихся «представительными» для разных типов горных пород. Все это определило то обстоятельство, что данный метод использовался лишь на первом этапе изучения химического состава грунта.

Разработкой рассматриваемого метода в целях его применения для космических исследований занималась группа ученых Института им. Э. Ферми при Калифорнийском университете (руководитель работ А. Туркевич). Созданная ими аппаратура станций «Сервейер» состоит из блока электроники и блока, в котором расположены радиоактивные источники и детекторы альфа-частиц. Схематическое изображение последнего блока показано на рис. 6. В блоке, установленном на «Сервейере-5», использованы 6 альфа-источников радиоактивного кюрия-242 (период полураспада 163 дня, энергия альфа-частиц 6,11 МэВ) общей активностью около 100 мК. Из-за длительности предстартовых испытаний и в связи с относительно коротким периодом полураспада изотопа необходимо было вставить новый набор источников и провести его калибровку непосредственно перед самым стартом.

Рис. 6. Выносной блок аппарата «Сервейер» (при исследованиях блок опускался на грунт): 1 — детектор альфа-частиц; 2 — радиоактивный источник (альфа-излучатель); 3 — детектор протонов; 4 — исследуемый грунт

Сам блок представлял собой прямоугольный параллелепипед, в нижней части которого имелась круглая пластина, установленная с целью свести к минимуму погружение блока в лунный грунт. В нижней же части блока было круглое отверстие, через которое исследуемый грунт равномерно облучался альфа-частицами. Вблизи альфа-источников располагались два полупроводниковых детектора, регистрировавших альфа-частицы, рассеянные в почти обратном (облучению) направлении (в интервале углов 174 ± 1°). Расстояния от грунта до источников и от детекторов до грунта около 7 см.

Кроме того, в блоке были установлены четыре детектора протонов. Они регистрировали протоны, возникающие при ядерных реакциях, в которых участвовали альфа-частицы и ядра элементов лунного грунта. Полученные спектры протонов давали информацию о содержании наиболее легких элементов и существенно дополняли результаты исследований, проводимых по методу «обратно рассеянных альфа-частиц».