RAX Design
Das RAX-Instrument ist ein besonders kleines und leichtes Raman-Spektrometer basierend auf einem 532 nm CW-Laser, einem Gitterspektrometer und einem CMOS-Sensor.
Das Instrument muss den extremen Umgebungsbedingungen auf Phobos standhalten, wie z.B.:
extreme Temperaturschwankungen (-55 bis +70 ℃ für die Lagerung und -40 bis +5 ℃ für den Betrieb),
schnelle Tageszyklen,
Staub (kann Optiken und Aktuatoren verunreinigen),
Vakuum (erschwert die Wärmeverteilung im Instrument) und
Strahlung (beeinflusst/beschädigt Optik- und Elektronikkomponenten).
Das Instrument muss außerdem in den außergewöhnlich kompakten Rover passen.
Das RAX-Instrument besteht aus zwei physisch getrennten Einheiten: der RAX-Laserbaugruppe (RLA) und dem RAX-Spektrometermodul (RSM). Das Autofokus-Subsystem (AFS), das für die Fokussierung des Lasers auf der Oberfläche von Phobos bestimmt ist, ist im RSM untergebracht. Das gesamte RAX-Instrument hat ein Volumen von ca. 81 × 125 × 98 mm³ und eine Masse von ca. 1,4 kg. Das DLR- Institut für Optische Sensorsysteme hat das RSM entwickelt. Verantwortlich für die Entwicklung von AFS sind die University of Tokyo, JAXA, und die Rikkyo University, Japan. Das RLA wird vom Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) bereitgestellt und der Universität Valladolid, Spanien, die die RLS-Lasereinheit für die ExoMars 2022-Mission entwickelt und gebaut haben.
Das RLA ist ein kompaktes Lasermodul, das einen 532 nm CW-Laserstrahl mit einer variablen Leistung von bis zu 35 mW emittiert. Es ist im Wesentlichen ein Flugersatzteil der für die ExoMars2022-Mission entwickelten Lasereinheit. Der RLA führt dem RSM über eine optische Faser Laserlicht zu. Der kollimierte Laserstrahl wird durch das AFS, das eine Eingangslicht-Shuttle-Objektivlinse (LSO) und einen Aktuatormechanismus umfasst, auf die Oberfläche von Phobos fokussiert. Das Streulicht wird vom Eintrittsobjektiv gesammelt und kollimiert und an das Spektrometermodul gesendet. Im RSM sind eine Reihe von Optiken wie dichroitischer Spiegel, Kollimatorlinsen, Schlitz, Transmissionsgitter, Raman-Kantenfilter und Kameraobjektive montiert. Das Bild aus dem Spalt wird mit dem 3D-plus-CMOS-Sensor aufgenommen. Das 2D- Bild wird integriert, um ein 1D-Linienspektrum zu bilden. Im RSM ist die Elektronik zur Steuerung des Laser- und Fokusaktuators untergebracht. Ein fokussierter Laserstrahl ist zwingend erforderlich, um die Intensität der Raman-Signale, die von der Zieloberfläche unterhalb des Rovers austreten, zu maximieren, ohne eine mögliche wärmeempfindliche Probe durch Laserbestrahlung zu beschädigen. Der Laserspotdurchmesser auf der Probe ist auf 50 µm ausgelegt, um ein hohes Raman-Signal und eine unbeschädigte Probe zu gewährleisten. Der Abstand zwischen der untersten Spitze des LSO und dem Laserfokus beträgt 78 mm. Der Hub des LSO und seine Auflösung sind konstruktionsbedingt länger als 13 mm bzw. feiner als <50 µm. Die autonome Fokussierung erfolgt in zwei Schritten. Im ersten Schritt werden die Reflexionsspektren von Oberflächenmaterialien, die von der LED in der Nähe der Eintrittsöffnung beleuchtet werden, durch Fokussieren auf die Probenoberfläche mit den Roverbeinen und dem AFS-Aktor erfasst. Der zweite Schritt ist die Feinfokussierung unter Verwendung des Lasers und nur des AFS-Aktuators, um das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) der potentiellen Raman-Signale zu maximieren. Darüber hinaus wird das rückgestreute Laserlicht von der RLA-Autofokus-Photodiode gemessen, um eine genaue Fokusentfernungsbestimmung zu ermöglichen.
Kontakt
Dr. rer. nat. Susanne Schröder