Гамма -спектрометр (ГРС) — прибор для измерения распределения (или спектра — см. рисунок ) интенсивности гамма-излучения в зависимости от энергии каждого фотона . Исследование и анализ спектров гамма-излучения для научных и технических целей называется гамма-спектроскопией , а гамма-спектрометры — это инструменты, которые наблюдают и собирают такие данные. Поскольку энергия каждого фотона электромагнитного излучения пропорциональна его частоте, гамма-лучи обладают достаточной энергией, поэтому их обычно можно наблюдать путем подсчета отдельных фотонов.
Атомные ядра имеют структуру энергетических уровней, отчасти аналогичную энергетическим уровням атомов, так что они могут излучать (или поглощать) фотоны определенных энергий, во многом так же, как это делают атомы, но с энергиями, которые в тысячи или миллионы раз выше, чем обычно. изучается в области оптической спектроскопии. (Обратите внимание, что коротковолновый высокоэнергетический конец диапазона атомной спектроскопии (от нескольких эВ до нескольких сотен кэВ ), обычно называемый рентгеновским излучением , несколько перекрывается с нижним пределом диапазона ядерных гамма-лучей (~ 10 МэВ) . до ~10 кэВ), так что терминология, используемая для различения рентгеновских лучей и гамма-лучей, может быть произвольной или неоднозначной в области перекрытия.) Как и в случае с атомами, определенные энергетические уровни ядер характерны для каждого вида, так что энергии фотонов Испускаемых гамма-лучей, соответствующих разнице энергий ядер, можно использовать для идентификации конкретных элементов и изотопов. Различение гамма-лучей немного разной энергии является важным фактором при анализе сложных спектров, и способность GRS делать это характеризуется спектральным разрешением прибора или точностью, с которой измеряется энергия каждого фотона. Полупроводниковые детекторы на основе охлаждаемых германиевых или кремниевых детекторных элементов оказались неоценимыми для таких приложений. Поскольку спектр энергетических уровней ядер обычно затухает при энергиях выше примерно 10 МэВ, приборы гамма-излучения, ориентированные на еще более высокие энергии, обычно наблюдают только непрерывные спектры, так что умеренное спектральное разрешение сцинтилляций ( часто йодид натрия (NaI) или йодид цезия) CsI)-спектрометры), часто бывает достаточно для таких приложений.
Проведен ряд исследований по наблюдению спектров гамма-излучения Солнца и других астрономических источников, как галактических, так и внегалактических. Спектрометр с изображением гамма-излучения , эксперимент с жестким рентгеновским излучением/низкоэнергетическим гамма-излучением (A-4) на HEAO 1 , эксперимент по спектрометрии всплесков и переходных процессов (BATSE) и OSSI (эксперимент по ориентированному сцинтилляционному спектрометру) на CGRO , германиевый (Ge) гамма-прибор C1 на HEAO 3 и Ge гамма-спектрометр (SPI) в миссии ESA INTEGRAL являются примерами космических спектрометров, а GRS на SMM и визуализирующий Ge-спектрометр на спутнике RHESSI были посвящены наблюдениям Солнца.
Гамма-спектрометры широко использовались для элементного и изотопного анализа тел Солнечной системы , особенно Луны и Марса . Эти поверхности подвергаются постоянной бомбардировке высокоэнергетическими космическими лучами , которые возбуждают находящиеся в них ядра, испускающие характерные гамма-лучи, которые можно обнаружить с орбиты. Таким образом, орбитальный инструмент в принципе может составить карту распределения элементов на поверхности всей планеты. Примеры включают картографирование 20 элементов , наблюдавшихся при исследовании Марса, Эроса и Луны . [1] Обычно они связаны с детекторами нейтронов , которые могут искать воду и лед в почве путем измерения нейтронов . Они способны измерить содержание и распределение около 20 первичных элементов таблицы Менделеева, включая кремний , кислород , железо , магний , калий , алюминий , кальций , серу и углерод . Знание того, какие элементы находятся на поверхности или вблизи нее, даст подробную информацию о том, как планетарные тела изменились с течением времени. Чтобы определить элементный состав поверхности Марса, « Марсианская Одиссея» использовала спектрометр гамма-излучения и два детектора нейтронов.
Инструменты GRS предоставляют данные о распределении и распространении химических элементов, так же, как миссия Lunar Prospector сделала это на Луне. В данном случае был нанесен на карту химический элемент торий , более высокие концентрации которого показаны желтым/оранжевым/красным цветом на левом изображении.
Некоторые конструкции сцинтилляционных счетчиков могут использоваться в качестве спектрометров гамма-излучения. Энергия гамма-фотона определяется по интенсивности вспышки сцинтиллятора : количеству фотонов низкой энергии, производимых одним фотоном высокой энергии. Другой подход основан на использовании германиевых детекторов — кристалла сверхчистого германия , который производит импульсы, пропорциональные энергии захваченных фотонов; хотя он более чувствителен, его необходимо охлаждать до низкой температуры, что требует громоздкого криогенного аппарата. Поэтому портативные и многие лабораторные гамма-спектрометры представляют собой сцинтилляторы, в основном с йодидом натрия, легированным таллием , йодидом цезия, легированным таллием , или, в последнее время, бромидом лантана , легированным церием . Спектрометры для космических миссий, наоборот, обычно изготавливаются из германия.
При воздействии космических лучей (заряженные частицы из космоса, которые, как считается, могут возникнуть в сверхновых и активных ядрах галактик ) химические элементы в почвах и горных породах излучают уникально идентифицируемые признаки энергии в виде гамма-лучей. Гамма-спектрометр смотрит на эти сигнатуры или энергии, исходящие от элементов, присутствующих в целевой почве.
Измеряя гамма-лучи, исходящие от целевого тела, можно рассчитать содержание различных элементов и то, как они распределяются по поверхности планеты. Гамма-лучи, испускаемые ядрами атомов , проявляются в виде резких линий излучения на выходе спектра прибора. В то время как энергия, представленная в этих выбросах, определяет, какие элементы присутствуют, интенсивность спектра показывает концентрации элементов. Ожидается, что спектрометры внесут значительный вклад в растущее понимание происхождения и эволюции таких планет, как Марс, а также процессов, формирующих их сегодня и в прошлом.
Гамма-лучи и нейтроны производятся космическими лучами. Приходящие космические лучи — некоторые из частиц самой высокой энергии — сталкиваются с ядрами атомов в почве. При столкновении ядер с такой энергией высвобождаются нейтроны, которые рассеиваются и сталкиваются с другими ядрами. При этом ядра «возбуждаются» и испускают гамма-лучи, чтобы высвободить дополнительную энергию и вернуться в нормальное состояние покоя. Некоторые элементы, такие как калий, уран и торий, по своей природе радиоактивны и при распаде выделяют гамма-лучи , но все элементы могут возбуждаться при столкновениях с космическими лучами с образованием гамма-лучей. HEND и нейтронные спектрометры на GRS напрямую обнаруживают рассеянные нейтроны, а гамма-датчик обнаруживает гамма-лучи.
Измеряя нейтроны, можно рассчитать содержание водорода и сделать вывод о наличии воды. Детекторы нейтронов чувствительны к концентрации водорода в верхних метрах поверхности. Когда космические лучи попадают на поверхность Марса, из почвы выходят нейтроны и гамма-лучи. GRS измерил их энергию. [2] Определенные виды энергии производятся с помощью водорода. Поскольку водород, скорее всего, присутствует в виде водяного льда, спектрометр сможет напрямую измерять количество постоянного подземного льда и то, как оно меняется в зависимости от сезона. Подобно виртуальной лопате, «копающейся» в поверхности, спектрометр позволит ученым заглянуть в неглубокие недра Марса и измерить существование водорода.
GRS предоставит данные, аналогичные данным успешной миссии Lunar Prospector, которая сообщила нам, сколько водорода и, следовательно, воды, вероятно, находится на Луне.
Спектрометр гамма-излучения, используемый на космическом корабле «Одиссей», состоит из четырех основных компонентов: головки гамма-датчика, нейтронного спектрометра, детектора нейтронов высоких энергий и центрального электронного блока. Головка датчика отделена от остальной части космического корабля стрелой длиной 6,2 метра (20 футов), которая была выдвинута после того, как «Одиссей» вышел на картографическую орбиту Марса. Этот маневр делается для минимизации помех от любых гамма-лучей, исходящих от самого космического корабля. Первоначальная работа спектрометра, продолжавшаяся от 15 до 40 дней, включала калибровку прибора перед развертыванием бума. Примерно через 100 дней после картографической миссии стрела была развернута и оставалась в этом положении на протяжении всей миссии. Два детектора нейтронов — нейтронный спектрометр и детектор нейтронов высоких энергий — установлены на основной конструкции космического корабля и работают непрерывно на протяжении всей картографической миссии.
Гамма-спектрометр весит 30,5 кг (67,2 фунта) и потребляет мощность 32 Вт. Вместе с кулером его размеры составляют 468 на 534 на 604 мм (18,4 на 21,0 на 23,8 дюйма). Детектор представляет собой фотодиод, изготовленный из кристалла германия массой 1,2 кг, с обратным смещением примерно до 3 киловольт, установленный на конце шестиметровой стрелы для минимизации помех от гамма-излучения, создаваемого самим космическим кораблем. Ее пространственное разрешение составляет около 300 км. [3] [4]
Нейтронный спектрометр имеет размеры 173 на 144 на 314 мм (6,8 на 5,7 на 12,4 дюйма).
Детектор нейтронов высоких энергий имеет размеры 303 на 248 на 242 мм (11,9 на 9,8 на 9,5 дюйма). Центральный блок электроники прибора имеет размеры 281 на 243 на 234 мм (11,1 на 9,6 на 9,2 дюйма).
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ){{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )