美國國家航空航天局（NASA）將于2020年發(fā)射的新型火星車將采用一個名為“ PIXL”的微型X射線熒光（micro-XRF）分析儀器，即用于“X射線巖石化學(xué)探測的行星儀器（Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry）”。 PIXL將安裝在該火星車的機(jī)械手臂的末端，旨在對火星上的巖石和土壤的元素組成進(jìn)行精細(xì)識別。 它是Mars 2020火星車上尋找火星上過去生命跡象的七種工具之一。 來自加利福尼亞州帕薩迪納市的美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)PIXL項(xiàng)目的首席研究員阿比蓋爾·艾德伍德（Abigail Allwood）介紹了該儀器的開發(fā)及其使用方法。

在這次和之前的火星探測任務(wù)中使用的一系列儀器中，micro-XRF的具體貢獻(xiàn)是什么?換句話說，這項(xiàng)技術(shù)提供了哪些以往沒有的信息?

PIXL將為火星車2020探測任務(wù)做出幾項(xiàng)貢獻(xiàn)。 PIXL將檢查巖石和土壤中亞毫米尺度的化學(xué)元素的含量和分布。 PIXL使用微型XRF光譜儀和相機(jī)-光學(xué)基準(zhǔn)系統(tǒng)可將化學(xué)物質(zhì)與精細(xì)的可見紋理關(guān)聯(lián)起來。 PIXL可測量單個顆粒，膠結(jié)物，凝固物，巖脈，層狀物和晶體的成分。 PIXL在前火星車的化學(xué)測量基礎(chǔ)上提高了空間分辨和靈敏度。之前測量方式是火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室和火星探測車任務(wù)開發(fā)的α粒子X射線光譜儀（APXS）實(shí)現(xiàn)的。

本質(zhì)上，PIXL是巖石學(xué)研究，是對巖石成分，質(zhì)地和微結(jié)構(gòu)的綜合研究。 PIXL進(jìn)行的測量將對巖石形成和蝕變的過程提供非常詳細(xì)的分析，這對于了解過去的可居住性和生物特征保存（的潛力）非常重要。

PIXL與火星車2020上的其它地表地質(zhì)儀器配合得很好：如SHERLOC，可使用臂式紫外線熒光和拉曼光譜儀對有機(jī)物和礦物質(zhì)進(jìn)行近距離的研究； Supercam，安裝在桅桿上，利用紅外光譜、激光誘導(dǎo)擊穿光譜和拉曼光譜對元素和礦物進(jìn)行遠(yuǎn)程測量， 還有Mastcam-Z，一個安裝在桅桿上的探測相機(jī)。整套儀器的功能將使我們對火星地質(zhì)學(xué)和天體生物學(xué)的細(xì)節(jié)研究更上一層。

使用PIXL可尋找的哪些可能表明火星上曾經(jīng)存在過生命的生物特征?

PIXL將根據(jù)所討論的生物特征的類型扮演不同的角色。 就全面檢測而言，PIXL適合于化學(xué)生物特征-廣義上適用于可能源自微生物新陳代謝的任何一種元素模式或特征。 一個例子是富釩的“還原斑點(diǎn)”，即紅床還原區(qū)中的微小黑點(diǎn)，那里的釩和其他生物學(xué)上相關(guān)的元素的局部富集被認(rèn)為反映了生物過程。

PIXL同時可對地質(zhì)進(jìn)行分析，引導(dǎo)火星車到有生物特征的位置。然后，它將記錄檢測到的任何其他潛在生物特征的地球化學(xué)特征（例如，通過測量疊層石中各層的化學(xué)組成），或測量有機(jī)沉積物的地球化學(xué)或質(zhì)地。 最后，它將重現(xiàn)地質(zhì)環(huán)境，幫助分析在火星或帶回地球的樣本中發(fā)現(xiàn)的潛在生物特征。

儀器有多靈敏?它獲得光譜的速度有多快?在火星上工作，如何平衡對靈敏度和速度的需求?

PIXL可以在大約5–20秒內(nèi)的主量和微量元素。 痕量元素檢測（百萬分之幾十到幾百萬分之一）需要幾分鐘到30分鐘左右。

我們有兩種非常有效的方式來平衡靈敏度和時間。 一種方法是對光譜求和。 這涉及將巖石成分發(fā)出的光譜組合到一起。 例如，如果一塊巖石上有淺層和暗層，并且每層上有100個十秒鐘的停留時間，我們將淺層的所有光譜求和，即可得到淺層整體分析結(jié)果，其靈敏度等同于1000秒的采集。

另一種方法是通過自主識別不同的巖石成分來觸發(fā)長的停留這稱為自適應(yīng)采樣。 這種方法使用機(jī)載算法實(shí)時監(jiān)測光譜并識別某些光譜超過閾值的時間。 建立閾值是為了識別PIXL掃描從巖石的一個部分過渡到另一個組成不同的巖石部分(如輝石顆粒變成硫酸鹽顆粒)的時間。    

你能解釋一下自適應(yīng)抽樣是如何提高抽樣質(zhì)量的嗎？

自適應(yīng)采樣通過確保在每個可識別的巖石組成部分上至少有一個長停留（例如2分鐘而不是最低的10秒）來改進(jìn)對給定巖石目標(biāo)的分析。 長時間的停留使我們對那個巖石成分的痕量元素組成更加靈敏。 如果要以其他方式獲得2分鐘的停留時間，則必須在每個位置都進(jìn)行此操作，這將使總的測量時間太長，難以接受。

當(dāng)儀器在火星上時，如何確定采樣位置?

根據(jù)我們對迄今為止所觀察到的地質(zhì)情況的解讀，以及所有的探測車儀器和軌道儀器數(shù)據(jù)。

PIXL還集成了高分辨率相機(jī)。 相機(jī)功能在解讀XRF數(shù)據(jù)方面有多重要？ XRF光譜和相機(jī)圖像如何一起使用？

相機(jī)對于將測量到的化學(xué)物質(zhì)與精細(xì)的紋理和微觀結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)一起至關(guān)重要。了解巖石的哪一部分(如顆粒與水泥或基質(zhì)與礦脈)與化學(xué)成分有關(guān)，對于了解所測成分的來源和意義至關(guān)重要。

通過將光束圖案投射到巖石表面，我們將化學(xué)性質(zhì)與圖像相關(guān)聯(lián)。 光線圖案與X射線光束有已知的幾何關(guān)系，因此即使X射線光束不可見，我們也可以非常精確地確定X射線束在粗糙或平坦表面上的位置。

要確保該儀器在火星上足夠堅(jiān)固，需要面臨哪些挑戰(zhàn)？

最大的技術(shù)挑戰(zhàn)之一是提供X射線管的高壓電源。 在周圍的火星環(huán)境中，我們必須在探測車臂的末端產(chǎn)生28 kV的電壓，而這個電壓容易造成電擊穿。實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確，精確的手臂定位也非常困難。對于帶有大量儀器的大型探測車的臂末端，PIXL與其理想的安裝距離約3厘米，非常接近。

在此儀器或其零件的開發(fā)中，您與商業(yè)儀器制造商進(jìn)行了哪些合作？

自PIXL于2010年成立以來，我們有兩個關(guān)鍵的企業(yè)合作伙伴一直與我們合作。Moxtek正在制造X射線管，這是一種為PIXL開發(fā)的微型，低功耗，側(cè)窗設(shè)計(jì)的射線管。 它類似于該公司其他商用微型管，但由托德·帕克（Todd Parker）開發(fā)，以滿足我們的特定需求。 XOS提供了定制的多毛細(xì)管X射線聚焦光學(xué)器件，優(yōu)化了與Moxtek管的集成。這可能是多毛細(xì)管X射線光學(xué)元件首次與微型低功率X射線管集成在一起，以用于“便攜式”儀器應(yīng)用。 雙方合作都很出色，他們的支持對項(xiàng)目的成功非常重要。

Reference

(1) D.R. Thompson, A. Allwood, C. Assaid, D. Flannery, R. Hodyss, E. Knowles, and L. Wade, “Adaptive Sampling for Rover X-ray Lithochemistry,” Proceedings of the International Symposium on Artificial Intelligence, Robotics and Automation in Space,Montreal, Quebec, 2014.

個人簡介

Abigail Allwood是位于美國加利福尼亞州帕薩迪納市（NASA）的NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一名天體生物學(xué)家。她是2020年火星探測器任務(wù)的PIXL（X射線巖石化學(xué)行星儀器）的首席研究員，還是專門研究古代微生物生物特征的研究科學(xué)家。她通過現(xiàn)場調(diào)查和實(shí)驗(yàn)室中現(xiàn)場樣本的多學(xué)科分析，研究了地球上生命和培育原始生物群系的最早證據(jù)。結(jié)合她在沉積地質(zhì)學(xué)和古生物學(xué)方面的專業(yè)知識，Allwood對西澳大利亞州的古古陸疊層石（微生物沉積結(jié)構(gòu)）的研究提供了生命古物的令人信服的證據(jù)，表明34.5億年前地球上存在微生物，在淺海環(huán)境中形成了礁狀結(jié)構(gòu)。

在JPL上，Allwood將她的注意力轉(zhuǎn)移到了地球之外，將從地球古生物學(xué)中汲取的教訓(xùn)應(yīng)用于尋找火星上古代生命的證據(jù)?？吹轿⒕劢筙射線熒光光譜法（micro-XRF）可以用于分析她的地面樣本，她開發(fā)了一種微型XRF儀器，用于行星探測器任務(wù)。該儀器– PIXL –現(xiàn)在是被選為2020年飛往火星的科學(xué)有效載荷的一部分，它將被用于分析火星車遇到的巖石和土壤，并尋找火星生命的潛在證據(jù)。