© Доктор физико-математических наук В.Г. ИСТОМИН,
сайт "Знания-сила".

начало, часть 1 из 3
часть 2 часть 3.

Рано утром 1 марта 1982 года спускаемый аппарат станции «Венера-13» вошел в плотные слои атмосферы планеты. На высоте около 23 км над поверхностью Венеры включился масс-спектрометр. Инженер К.В. Гречнев быстро выделил на принимаемых масс-спектрах пики изотопов неона-20 и неона-22. «Вижу изотопы неона»,— передал он по телефону из Крыма. Эта информация, полученная менее чем через 15 минут после включения прибора там, на борту, означала, что нам удалось провести измерения изотопного состава неона (одного из «редких» газов), присутствующего в ничтожных количествах в атмосфере нашей ближайшей соседки планеты.

ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

В атмосфере Земли «редкие газы», иначе говоря, инертные, или «благородные»,— гелий, неон, аргон, криптон и ксенон присутствуют в крайне малых концентрациях. Больше всего в атмосфере Земли аргона (около 1%). Неона около 18 миллионных долей, гелия — около пяти, криптона — около одной, а ксенона менее десятимиллионной доли (по объему). История открытия редких газов в атмосфере Земли насчитывает уже свыше 200 лет. Неон был выделен из воздуха в 1898 году (В. Рамзай и М. Траверс), первое указание на существование двух изотопов неона получил в 1912 году Дж. Дж. Томсон, а окончательно подтвердил в 1920 году измерениями на первом масс-спектрографе Ф. Астон. К 50-м годам были проведены измерения изотопного состава практически всех элементов, включая, разумеется, инертные газы, а к 60-м стало очевидно, что Вселенная, Солнечная система и даже Земля существенно изотопно-неоднородны. Первыми «внеземными» объектами, исследованными на масс-спектрометрах в земных лабораториях, стали метеориты и содержащиеся в них редкие газы, изотопный состав которых оказался весьма отличным от изотопного состава инертных газов земной атмосферы. Постепенно стало очевидным, что от изучения изотопии элементов различных космических объектов тянутся нити к решению проблем возникновения и эволюции Земли и других планет Солнечной системы.

Естественно, что по мере появления технических возможностей в круг объектов исследований химического и изотопного состава начали включаться и атмосферы ближайших планет.

Задача поиска редких газов в атмосфере Венеры оказалась, пожалуй, сложнее, чем на Земле, хотя и была решена в более сжатые сроки. Первые исследования состава атмосферы Венеры на космических аппаратах («Венера-4» — «Венера-8») проводились с помощью простых приборов — газоанализаторов. Эти приборы могли сообщить лишь о наличии примесей, концентрация которых составляла единицы или несколько десятых процента. Но даже эти грубые оценки, полученные на различных космических аппаратах, сильно отличались друг от друга, и причины расхождений не всегда были ясны.

АРГУМЕНТЫ В ПОЛЬЗУ МАСС-СПЕКТРОМЕТРОВ

Положение кардинально изменилось на станциях нового поколения, начиная с «Венеры-12», где были установлены высокоточные аналитические приборы (в их числе масс-спектрометр и газовый хроматограф).

Масс-спектрометр начали использовать в космических исследованиях еще на третьем искусственном спутнике Земли. Первые такие приборы дали ценную информацию о составе нейтрального и ионизированного газа верхней атмосферы Земли, помогли выявить особенности ее структуры и динамики. Все существующие модели верхней атмосферы и ионосферы Земли в значительной степени опираются на данные ракетной и спутниковой масс-спектрометрии.

Важное свойство масс-спектрометра, хорошо проверенное в исследованиях верхней атмосферы,— его полная «непредвзятость» в отношении объекта исследования. Прибор не программируется заранее на обнаружение каких-либо определенных химических элементов или их соединений, а регистрирует все, что входит в диапазон массовых чисел масс-спектрометра. Благодаря этому на заре ракетных исследований атмосферы Земли, например, обнаружили, что нижняя часть ионосферы обязана своим существованием вовсе не азоту и кислороду, а их соединению — ионам окиси азота. Далее, в земной ионосфере совершенно неожиданно нашли ионы металлов — магния, кальция, железа, титана, а также других, казалось бы, «незаконно» присутствующих в азотно-кислородной атмосфере Земли элементов (например, кремния). Это свойство масс-спектрометра определило его выбор в качестве одного, из основных аналитических приборов исследовательского комплекса станций «Венера» нового поколения. Второе, и едва ли не более важное обстоятельство — возможность получения от масс-спектрометра информации не только о химическом, но и об изотопном составе исследуемых веществ. Как известно, все элементы периодической системы Менделеева существуют в виде смеси двух (или большего числа) стабильных изотопов. Напомним, что изотопами называются разновидности одного и того же химического элемента, которые отличаются лишь массой атомов, но имеют в составе ядра одинаковое число протонов и занимают одно и то же место в таблице Менделеева. Известно, например, что кислород помимо наиболее распространенного изотопа с массовым числом 16 имеет изотопы с массовыми числами 17 и 18; азот воздуха - смесь изотопов, масса атомов которых равна 14 ("основной" изотоп) и 15. Самый обильный на Земле инертный газ аргон представлен тремя изотопами: "основной" - аргон-40 и мало распространенные на Земле аргон-38 и аргон-36.

Третья «козырная карта» масс-спектрометрической методики — возможность измерения концентраций компонент в гигантском диапазоне. Наконец, последний (по счету, но не по важности) аргумент, подсказавший выбор масс-спектрометра,— большой опыт, накопленный в Советском Союзе в разработке и конструировании таких приборов и в проведении масс-спектрометрических исследований состава верхней атмосферы Земли на ракетах и спутниках.

Но задача, которую поставила наша ближайшая соседка - планета Венера, казалось, превосходила по сложности все, с чем имела дело масс-спектрометрия вообще и космическая масс-спектрометрия в частности. До сотни атмосфер давления при температуре до 500° С! А ведь масс-спектрометр — прибор вакуумный. Для нормальной работы масс-анализатора давление газа в нем должно быть очень низким, не более 10^-5 тор, иначе говоря, в миллиард раз ниже, чем у поверхности Венеры.

В этом состояла одна из трудностей использования масс-спектрометра для анализа плотных атмосфер. Все «земные» (лабораторные) масс-спектрометры работают с вакуумными насосами, создающими сначала предварительное разрежение («форвакуум») до 10^-1—10^-2 тор, а затем высоковакуумный насос обеспечивает необходимые рабочие условия.

Кроме того, необходимо было разработать способ (и изобрести устройство, реализующее этот способ), при котором в прибор вводилась бы точно дозированная порция газа, объемом в сотые доли кубического миллиметра (при «нормальных» температуре и давлении). Решение было найдено на грани возможностей современной вакуумной техники и технологии: создали вакуумную систему масс-спектрометра, имеющую предельно малое собственное газоотделение и ничтожное натекание газа извне. Благодаря этому вакуум в приборе мог поддерживаться неопределенно долго одним единственным высоковакуумным (ионно-геттерным магниторазрядным) насосом, который к тому же в нерабочем состоянии, естественно, был выключен, так что откачка осуществлялась лишь за счет сорбции (поглощения) химически активных газов напыленным титаном. С внешней средой анализатор масс-спектрометра связывал клапан, способный за тысячные доли секунды вводить в прибор требуемое количество газа, не больше и не меньше.