Создан новый лазерный спектрограф для будущей экспедиции к Марсу

Сотрудники лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ совместно с коллегами из Института космических исследований РАН и Реймсского университета разработали новый лазерный спектрометр для длительного анализа изотопного состава марсианской атмосферы. Сейчас прибор в составе российской посадочной платформы «Казачок» находится на площадке Европейского космического агентства во Франции и готовится к отправке на планету в 2022 году. Прибор способен вычислять количество изотопов основных составляющих атмосферы с процентной точностью на протяжении как минимум одного марсианского года. Результаты опубликованы в журнале Applied Sciences, кратко о разработке рассказала пресс-служба МФТИ.

Марс представляет огромный научный интерес в силу близости условий на его поверхности к земным. На планете остались признаки наличия жидкой воды в далеком прошлом, были найдены сети долин, а также склоны и осыпи, которые имеют признаки просачивания воды. Возможно, раньше атмосфера Марса была более плотной и в атмосфере происходил круговорот воды, подобный земному. Для глубокого понимания процессов, происходящих в атмосфере Марса, требуются длительные непрерывные наблюдения за ее составом. Измерения состава атмосферы марсоходами предоставляют данные для изучения процессов обмена между атмосферой и поверхностью планеты. Однако со времени работы спускаемых аппаратов «Викинг» (1976–1984 гг.) ни одна стационарная платформа не обеспечивала постоянного длительного наблюдения основных составляющих атмосферы Марса — двуокиси углерода, водяного пара и их изотопологов. Изотопные отношения в атмосфере могут существенно изменяться из-за процессов конденсации и сублимации, поэтому непрерывный мониторинг изотопных отношений необходим для всестороннего исследования происходящих в атмосфере процессов.

В качестве основной измерительной части спектрометра авторы использовали ограниченную зеркалами аналитическую кювету, в которую воздухозаборная система набирает пробу атмосферного газа для анализа. Анализ спектральных свойств представляющих интерес изотопологов показывает, что оптимальные спектральные интервалы для измерения их концентраций могут быть перекрыты двумя перестраиваемыми полупроводниковыми лазерами. Излучение лазера попадает через входное зеркало в заполненную газом область, при этом частота каждого лазера в течение цикла измерения слегка изменяется. Последовательно отражаясь от зеркал с высоким коэффициентом отражения, лазерный луч многократно пересекает рабочий объем кюветы, так что эффективный оптический путь для двух лазеров составляет 55 м и 110 м соответственно. Все пропущенные выходным зеркалом лучи, ослабленные молекулярным поглощением, собираются  линзой и попадают на фотодетектор. Именно значительный оптический путь, набегающий при многократном отражении, и обеспечивает высокую точность измерений.

«Мы использовали кювету полного резонаторного выхода, так как она имеет компактную конструкцию и позволяет достичь большого эффективного оптического пути, необходимого для обеспечения высокой чувствительности. Время интегрирования большинства лазерных спектрометров не превышает нескольких секунд. Благодаря специальному алгоритму стабилизации частоты лазера при нашем подходе можно копить измеренный сигнал в течение десятков минут. Такой метод обеспечивает точность измерений на уровне 1–3 % для разных изотопологов. Также наша система устойчива к внешним воздействиям (ударам, вибрации) по сравнению с классическими многопроходными оптическими системами. Наш прибор позволяет измерять количественное соотношение изотопологов основных составляющих марсианской атмосферы как минимум на протяжении одного марсианского года», — говорит руководитель лаборатории прикладной инфракрасной спектроскопии МФТИ Александр Родин.