ΑプロトンX線分光計

αプロトンX線分光計（APXS）

αプロトンX線分光計（Alpha Proton X-Ray Spectrometer）、またはα粒子X線分光計（Alpha Particle X-Ray Spectrometer、略称: APXS）は、主に惑星探査機に搭載される、物質の化学組成をその場で分析するための高精度な装置です。特に火星探査ミッションにおいて、地表の岩石や土壌の成分を調べるために重要な役割を果たしています。

分析原理

APXSは、粒子線励起X線分析（PIXE; Particle Induced X-ray Emission）の一種として分類されます。この分析手法は、試料に荷電粒子線（この装置の場合はα粒子や陽子）を照射することで、試料を構成する原子を励起させ、そこから放出される特性X線、すなわち蛍光X線を検出・分析するものです。

具体的なプロセスは以下の通りです。

1. 粒子線の照射: APXSの内部に搭載された放射性同位体線源から放出されるα粒子や、場合によっては発生させた陽子線を試料の表面に照射します。
2. 原子の励起: 照射された粒子線が試料中の原子と相互作用すると、原子の内殻電子が弾き出され、原子は不安定な励起状態になります。
3. 蛍光X線の放出: 励起状態になった原子は、安定な状態に戻るために、外殻の電子が内殻の空いた軌道に遷移します。この際、元素の種類によって固有のエネルギー（または波長）を持つX線が放出されます。これが蛍光X線です。
4. X線の検出と分析: 放出された蛍光X線は、装置内の検出器で捉えられます。分光計によって、検出されたX線のエネルギー（または波長）とその強度の分布（スペクトル）が測定されます。
5. 組成の決定: 得られたスペクトルを解析することで、どの元素がどのような割合で試料中に含まれているかを特定することができます。各元素はそれぞれ特有のエネルギーを持つ蛍光X線を放出するため、スペクトルのピーク位置から元素の種類を、ピークの高さからその元素の存在量を推定できます。

この手法の大きな利点は、試料を破壊することなく、その場で元素組成を調べられる点にあります。惑星探査のように、地球に試料を持ち帰ることが困難な場合に特に有効です。

歴史と搭載ミッション

APXSの原型となる装置は、1960年代後半にNASAのサーベイヤー月面探査機に搭載されたAPS（Alpha Particle Spectrometer、当時はX線分光器を持たず）に遡ります。その後、X線分光機能を備えたAPXSとして改良が加えられ、様々な惑星探査ミッションで利用されてきました。

代表的な搭載ミッションとしては、以下のものが挙げられます。

マーズ・パスファインダー (Mars Pathfinder): 初期のAPXSを搭載し、火星地表の岩石や土壌の組成分析を行いました。
マルス96 (Mars 96): ロシアの火星探査計画で搭載予定でしたが、ミッションは失敗しました。
マーズ・エクスプロレーション・ローバー (Mars Exploration Rover; Spirit & Opportunity): 「スピリット」と「オポチュニティ」の両ローバーに搭載され、広範囲にわたる地質調査に貢献しました。
フォボス (Phobos): ソ連のフォボス計画で搭載されました。
ロゼッタ (Rosetta) / フィラエ (Philae): 彗星探査ミッションの着陸機「フィラエ」に搭載され、彗星表面物質の分析を行いました。
マーズ・サイエンス・ラボラトリー (Mars Science Laboratory; Curiosity): ローバー「キュリオシティ」に搭載され、様々な種類の岩石や土壌の組成を詳細に分析しています。
ExoMars (欧州宇宙機関とロシアの共同計画): 将来のローバーミッションでの搭載が予定されています。

これらのミッションを通じて、APXSは世代ごとに改良され、分析精度や機能が向上しています。

線源

APXSで粒子線を生成するために使用される主な放射性同位体線源には、キュリウム244（²⁴⁴Cm）やプルトニウム240（²⁴⁰Pu）などがあります。

キュリウム244は、主に5.1 MeVのエネルギーを持つα粒子を放出します。
* プルトニウム240は、主に14から18 keVのエネルギーを持つX線を放出します。

例えば、マーズ・エクスプロレーション・ローバーに搭載されたAPXS（アテナペイロードの一部）では、約30 mCiの線量を持つキュリウム244が使用されていました。

APXSによる分析データは、惑星の地質学的進化、岩石や土壌の形成プロセス、そして生命の可能性のある環境を理解する上で、貴重な情報を提供しています。

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