ROSINA documento PDF
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La missione Rosetta ROSINA di Cuccoli Stefano , Baggiani Gemma, Losi Laura e Bidini Benedetta 3Csc La missione Rosetta è stata lanciata il 2 marzo 2004 verso la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko, sulla quale ha fatto atterrare il lander Philae il 12 novembre 2014. Scopo della missione è quello di indagare le origini del sistema solare facendo ricorso alle comete, che costituiscono l'ultimo esempio della materia originaria del nostro sistema. La sonda Rosetta ROSINA Uno degli esperimenti a bordo della missione Rosetta è R.O.S.I.N.A., acronimo che sta per “Rosetta Orbiter Spectrometer for Ion and Neutral Analysis” (Spettrometro di analisi di Ioni e atomi neutri sull'Orbiter di Rosetta). Come si evince dal nome, ROSINA non è a bordo del lander, ma fa parte della strumentazione rimasta in orbita attorno alla cometa. Le funzioni di ROSINA sono: 1) analizzare la composizione elementale, isotopica e molecolare dell'atmosfera e della ionosfera della cometa e ricercare possibili fuoriuscite di gas dalla superficie cometaria. 2) determinare la temperatura e la velocità d'insieme dei gas e degli ioni 3) analizzare le reazioni omogenee e disomogenee di gas e ioni nella polverosa atmosfera e ionosfera della cometa. Tali misurazioni contribuiranno al raggiungimento di alcuni degli obbiettivi della missione Rosetta quali: 1) determinare la composizione del nucleo della cometa 2) determinare i processi attraverso i quali si formano atmosfera e ionosfera della cometa e caratterizzare la loro dinamica in funzione del tempo e della posizione della stessa 3) studiare l'origine delle comete, la relazione fra materiale cometario e materiale di provenienza esterna al sistema solare e le loro possibili connessioni con le origini del sistema solare 4) investigare possibili emissioni di gas dall'interno della cometa e stabilire le possibili relazioni fra comete e asteroidi. La strumentazione Per svolgere questi compiti essa si serve di tre strumenti: Il COPS Il COPS (Comet Pressure Sensor cioè sensore di pressione sulla cometa) è dedicato alla misurazione dei parametri dei gas neutri attorno alla cometa, più precisamente la densità totale e la velocità del flusso radiale. Il primo dei due sensori che lo compongono è un semplice misuratore di pressione che dà una misurazione diretta della densità totale attorno alla cometa. Tale parametro è molto importante poiché se eccedesse un particolare valore (~10-3 mbar) gli altri strumenti verrebbero spenti. Oltre a ciò i dati raccolti saranno utili per lo sviluppo di modelli dell'interno della cometa. Il secondo sensore è una camera di equilibrio: una camera sferica contenente un misuratore di pressione e avente un'apertura rivolta verso la cometa. Essa misura il flusso molecolare proveniente dalla cometa. Tali misurazioni, confrontate con quelle del primo strumento, danno informazioni sulla dinamica del flusso. Infatti se i due valori sono simili il flussso è in “quiete”, invece in particolari condizioni di temperartura, pressione e velocità definite in base alle precedenti osservazioni della cometa di Halley, la pressione del flusso sarà alcune volte la pressione totale Struttura dei sensori. 1) Il primo è un misuratore di Alpert-Bayard nel quale elettroni liberi emessi da un filamento con un potenziale di +30 volt vengono accelerati verso un anodo cilindrico a griglia che viene mantenuto ad un potenziale di +150 volt. All'interno dell'anodo cilindrico è presente un sottile filo di Molibdeno chiamato collettore e avente un voltaggio di 0 volt. Gli elettroni emessi orbitano intorno al collettore, ionizzando degli atomi neutri sul loro percorso. Tali ioni vengono attratti dal collettore e la corrente risultante è proporzionale alla densità del gas. 2) La camera di equilibrio è una sfera di 60 mm di diametro con un apertura di 6 mm, posizionata su un'asta cava contenente un misuratore di pressione. Il misuratore di pressione è in questo caso un misuratore di tipo estrattore che funziona con lo stesso principio del precedente con la differenza che in questo l'emettitore di elettroni non è un filamento ma un chip solido posizionato su un circuito dorato in ceramica. Il DFMS Il DFMS (Double focusing mass spectrometer cioè spettrometro di massa a doppia focalizzazione) è uno spettrometro di massa con un alta risoluzione di massa (m/∆m~3000) e un'alta gamma dinamica (da 1 a 100 unità di massa atomica). È basato su schemi collaudati che sono stati ottimizzati usando moderni metodi di calcolo delle proprietà ottiche degli ioni. Uno schema di funzionamento del DFMS Il DFMS ha due modalità di funzionamento principali: una per analizzare i gas cometari, l'altra per analizzare gli ioni cometari. Il tipo di spettrometro di massa scelto, detto di Mattauch-Herzog, è basato sulla presenza di due sezioni in cui i fasci di ioni vengono curvati: nella prima sezione da un campo elettrico radiale a simmetria cilindrica, nella seconda da un campo magnetico costante. La lunghezza delle due sezioni e le intensità dei campi elettrico e magnetico sono scelti in modo tale che gli ioni caratterizzati da uno stesso rapporto massa/carica vengono focalizzati in uno stesso punto, mentre ioni di diverso rapporto vengono focalizzati in punti distinti, che però giacciono tutti su uno stesso piano, che coincide con la superficie del rivelatore. Una prova a terra dello strumento per ioni aventi m~16 Una prova a terra dello strumento per ioni aventi m~14 Una prova a terra dello strumento per ioni aventi m~20 Il RTOF Lo spettrometro RTOF (reflectron time of flight cioè reflectron a tempo di volo) è progettato a completamento del DFMS per estendere la risoluzione di massa e aumentare la sensibilità dell'intero gruppo di strumenti. Il vantaggio degli spettrometri a tempo di volo è quello di poter registrare tutti i dati contemporaneamente senza il bisogno di analizzare le masse attraverso fenditure. Uno strumento di questo tipo è già stato utilizzato con successo a bordo della missione GIOTTO per misurare gli atomi e le molecole espulse da una superficie. Il RTOF di ROSINA include due sistemi sorgente-rivelatore simili e indipendenti: uno per gli ioni, uno per gli atomi neutri. Questa configurazione garantisce un'alta affidabilità e una ridondanza quasi completa. Principio di funzionamento Uno spettrometro a tempo di volo opera attraverso l'estrazione simultanea di tutti gli ioni dalla regione di ionizzazione in uno spazio di deriva in modo tale che gli ioni di un certo rapporto massa/carica sono focalizzati temporalmente sul primo piano di focalizzazione all'inizio della sezione di deriva. Qui l'estensione temporale del pacchetto di ioni è ridotto da circa 800 ns all'uscita della regione di ionizzazione a circa 3 ns (per ioni di massa=28 uma). Tali pacchetti molto corti di ioni si muovono quindi in una regione di deriva per raggiungere poi il rivelatore. Lo spettrometro a tempo di volo installato su ROSINA utilizza uno schema ottimizzato in cui gli ioni vengono riflessi da uno “specchio” che compensa piccole differenze di energia fra gli ioni. Il sistema di funzionamento di RTOF Il principio di funzionamento di uno spettrometro a tempo di volo è il seguente: gli ioni che entrano nella regione di deriva hanno tutti la stessa energia 1 2 E= m v =q ∆V 2 , ∆V dove è la differenza di potenziale che li ha accelerati. Essendo ∆V fissata le velocità degli ioni sono quindi direttamente proporzionali alla radice quadrata del rapporto q/m, ovvero: v =√2 ∆V √ q m . k= 1 √2 ∆V Se L è la lunghezza della regione di deriva, posto , il tempo T che intercorre fra l'istante di estrazione degli ioni e ingresso nella regione di deriva ed il loro arrivo sul rivelatore è pari a √ L m T = =kL v q . Quindi, al crescere della lunghezza della regione di deriva i pacchetti corrispondenti a un diverso rapporto m/q diventano sempre più separati temporalmente e possono quindi essere sempre meglio riconosciuti, e aumenta la risoluzione di massa dello spettrometro. Risoluzione di massa La risoluzione di massa è determinata dal tempo di deriva e dall'estensione temporale dei pacchetti di ioni. Al contrario di altri tipi di spettrometri, gli spettrometri a tempo di volo non hanno limite alla gamma di masse analizzabili. Nella pratica la gamma di masse analizzabili sono limitate soltanto dai componenti elettronici, per esempio dalle dimensioni delle memorie degli accumulatori di segnale. Il RTOF di ROSINA ha una risoluzione di massa di circa m/∆m~4600 Esempio di identificazione di ioni da parte di RTOF DPU, EGSE e CASYMIR I tre strumenti sono infine affiancati da un elaboratore (DPU), un equipaggiamento di supporto a terra (EGSE) e un sistema di calibrazione(CASYMIR). I risultati Le analisi compiute dagli strumenti di ROSINA hanno portato a due risultati principali: 1) il rapporto (D/H) fra la concentrazione di Idrogeno e quella di Deuterio (isotopo dell'idrogeno). Definire tale rapporto è importante poiché esso è fondamentale per capire se lo scenario della cometa è compatibile con quello terrestre e di conseguenza dare una risposta al problema di come siano giunte sulla Terra e sugli altri pianeti terrestri l'acqua e i composti organici. Purtroppo il valore registrato sulla cometa è di (5.3 ± 0.7) × 10−4 ovvero circa tre volte tanto quello terrestre. Non è quindi 67P/Churyumov-Gerasimenko, o un altra cometa gioviana (ovvero comete la cui orbita è influenzata da Giove), la risposta a tale quesito. 2) l'osservazione di come l'ambiente della chioma vari continuamente a seconda dell'ora del giorno (cometario) e del punto dell'orbita raggiunto, specialmente per quanto riguarda acqua, monossido di carbonio e diossido di carbonio (CO2). Ciò indica una complessa relazione fra nucleo e chioma che varia in base alla variazione di temperatura appena sotto la superficie della cometa. La cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko con la chioma ben visibile