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射線巖石化學探測的行星儀器（Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry）”。 PIXL將安裝在該火星車的機械手臂的末端，旨在對火星上的巖石和土壤的元素組成進行精細識別。 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實驗室負責PIXL項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中使用的一系列儀器中，micro-XRF的具體貢獻是什么?換句話說，這項技術提供了哪些以往沒有的信息?

PIXL將為火星車2020探測任務做出幾項貢獻。 PIXL將檢查巖石和土壤中亞毫米尺度的化學元素的含量和分布。 PIXL使用微型XRF光譜儀和相機-光學基準系統(tǒng)可將化學物質與精細的可見紋理關聯(lián)起來。 PIXL可測量單個顆粒，膠結物，凝固物，巖脈，層狀物和晶體的成分。 PIXL在前火星車的化學測量基礎上提高了空間分辨和靈敏度。之前測量方式是火星科學實驗室和火星探測車任務開發(fā)的α粒子X射線光譜儀（APXS）實現(xiàn)的。

本質上，PIXL是巖石學研究，是對巖石成分，質地和微結構的綜合研究。 PIXL進行的測量將對巖石形成和蝕變的過程提供非常詳細的分析，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物和礦物質進行近距離的研究； Supercam，安裝在桅桿上，利用紅外光譜、激光誘導擊穿光譜和拉曼光譜對元素和礦物進行遠程測量， 還有Mastcam-Z，一個安裝在桅桿上的探測相機。整套儀器的功能將使我們對火星地質學和天體生物學的細節(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”，即紅床還原區(qū)中的微小黑點，那里的釩和其他生物學上相關的元素的局部富集被認為反映了生物過程。

PIXL同時可對地質進行分析，引導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特征（例如，通過測量疊層石中各層的化學組成），或測量有機沉積物的地球化學或質地。 最后，它將重現(xiàn)地質環(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采樣。 這種方法使用機載算法實時監(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抽樣是如何提高抽樣質量的嗎？

自適應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）來改進對給定巖石目標的分析。 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行此操作，這將使總的測量時間太長，難以接受。

當儀器在火星上時，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。 相機功能在解讀XRF數(shù)據(jù)方面有多重要？ XRF光譜和相機圖像如何一起使用？

相機對于將測量到的化學物質與精細的紋理和微觀結構關聯(lián)一起至關重要。了解巖石的哪一部分(如顆粒與水泥或基質與礦脈)與化學成分有關，對于了解所測成分的來源和意義至關重要。

通過將光束圖案投射到巖石表面，我們將化學性質與圖像相關聯(lián)。 光線圖案與X射線光束有已知的幾何關系，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固，需要面臨哪些挑戰(zhàn)？

最大的技術挑戰(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生28 kV的電壓，而這個電壓容易造成電擊穿。實現(xiàn)準確，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)儀器制造商進行了哪些合作？

自PIXL于2010年成立以來，我們有兩個關鍵的企業(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，側窗設計的射線管。 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管X射線聚焦光學器件，優(yōu)化了與Moxtek管的集成。這可能是多毛細管X射線光學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”儀器應用。 雙方合作都很出色，他們的支持對項目的成功非常重要。

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噴氣推進實驗室的一名天體生物學家。她是2020年火星探測器任務的PIXL（X射線巖石化學行星儀器）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家。她通過現(xiàn)場調查和實驗室中現(xiàn)場樣本的多學科分析，研究了地球上生命和培育原始生物群系的最早證據(jù)。結合她在沉積地質學和古生物學方面的專業(yè)知識，Allwood對西澳大利亞州的古古陸疊層石（微生物沉積結構）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)境中形成了礁狀結構。

在JPL上，Allwood將她的注意力轉移到了地球之外，將從地球古生物學中汲取的教訓應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。該儀器– PIXL –現(xiàn)在是被選為2020年飛往火星的科學有效載荷的一部分，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)。