Гамма -спектрометр (GRS) — это прибор для измерения распределения (или спектра — см. рисунок ) интенсивности гамма-излучения в зависимости от энергии каждого фотона . Изучение и анализ спектров гамма-излучения для научного и технического использования называется гамма-спектроскопией , а гамма-спектрометры — это приборы, которые наблюдают и собирают такие данные. Поскольку энергия каждого фотона ЭМ-излучения пропорциональна его частоте, гамма-лучи обладают достаточной энергией, чтобы их обычно можно было наблюдать путем подсчета отдельных фотонов.
Некоторые известные гамма-спектрометры — Gammasphere , AGATA и GRETINA .
Атомные ядра имеют структуру энергетических уровней, несколько аналогичную энергетическим уровням атомов, так что они могут испускать (или поглощать) фотоны определенных энергий, во многом как атомы, но при энергиях, которые в тысячи или миллионы раз выше тех, которые обычно изучаются в оптической спектроскопии. (Обратите внимание, что фотоны в коротковолновой части высокоэнергетического диапазона атомной спектроскопии (от нескольких эВ до нескольких сотен кэВ ), обычно называемые рентгеновскими лучами , несколько перекрываются с нижней частью диапазона ядерных гамма-лучей (от ~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, которые соответствуют разнице энергий ядер, могут использоваться для идентификации определенных элементов и изотопов. Различение гамма-лучей с немного разной энергией 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, основанные на охлаждаемых германиевых или кремниевых детектирующих элементах, оказались бесценными для таких приложений. Поскольку энергетический спектр ядер обычно затухает выше примерно 10 МэВ, гамма-инструменты, ориентированные на еще более высокие энергии, обычно наблюдают только непрерывные спектры, так что умеренное спектральное разрешение сцинтилляционных ( часто спектрометров на основе иодида натрия (NaI) или иодида цезия (CsI)) часто оказывается достаточным для таких приложений.
Ряд исследований был проведен для наблюдения за гамма-спектрами Солнца и других астрономических источников, как галактических, так и внегалактических. Гамма-спектрометр , эксперимент по жесткому рентгеновскому/низкоэнергетическому гамма-излучению (A-4) на HEAO 1 , эксперимент по спектрометрии всплесков и переходных процессов (BATSE) и эксперимент по ориентированному сцинтилляционному спектрометру OSSI на CGRO , германиевый (Ge) гамма-инструмент C1 на HEAO 3 и германиевый гамма-спектрометр (SPI) на миссии ESA INTEGRAL являются примерами космических спектрометров, в то время как GRS на SMM и визуализирующий Ge-спектрометр на спутнике RHESSI были посвящены солнечным наблюдениям.
Гамма-спектрометры широко использовались для элементного и изотопного анализа тел в Солнечной системе , особенно Луны и Марса . Эти поверхности подвергаются постоянной бомбардировке высокоэнергетическими космическими лучами , которые возбуждают в них ядра, испуская характерные гамма-лучи, которые можно обнаружить с орбиты. Таким образом, орбитальный прибор в принципе может составить карту поверхностного распределения элементов для всей планеты. Примерами являются картирование 20 элементов, наблюдаемых при исследовании Марса, Эроса и Луны . [1] Обычно они связаны с нейтронными детекторами , которые могут искать воду и лед в почве, измеряя нейтроны . Они способны измерять обилие и распределение около 20 основных элементов периодической таблицы, 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. Для определения элементного состава марсианской поверхности аппарат Mars Odyssey использовал гамма-спектрометр и два нейтронных детектора.
Инструменты GRS предоставляют данные о распределении и распространенности химических элементов, как это делала миссия Lunar Prospector на Луне. В этом случае был нанесен на карту химический элемент торий , причем более высокие концентрации показаны желтым/оранжевым/красным на левом изображении.
Некоторые конструкции сцинтилляционных счетчиков могут использоваться в качестве гамма-спектрометров. Энергия гамма-фотонов определяется по интенсивности вспышки сцинтиллятора , ряда низкоэнергетических фотонов, произведенных одним высокоэнергетическим. Другой подход основан на использовании германиевых детекторов - кристалла сверхчистого германия , который производит импульсы, пропорциональные захваченной энергии фотонов; хотя он более чувствителен, его необходимо охлаждать до низкой температуры, что требует громоздкого криогенного аппарата. Поэтому портативные и многие лабораторные гамма-спектрометры являются сцинтилляционными, в основном с иодидом натрия , легированным таллием , иодидом цезия , легированным таллием , или, в последнее время, бромидом лантана, легированным церием . Спектрометры для космических миссий, наоборот, имеют тенденцию быть германиевыми.
При воздействии космических лучей (заряженных частиц из космоса, которые, как полагают, возможно возникают в сверхновых и активных галактических ядрах ) химические элементы в почве и горных породах испускают однозначно идентифицируемые сигнатуры энергии в форме гамма-лучей. Гамма-спектрометр изучает эти сигнатуры или энергии, исходящие от элементов, присутствующих в целевой почве.
Измеряя гамма-лучи, исходящие от целевого тела, можно рассчитать распространенность различных элементов и то, как они распределены по поверхности планеты. Гамма-лучи, испускаемые ядрами атомов , проявляются в виде резких линий излучения на спектральном выходе прибора. В то время как энергия, представленная в этих излучениях, определяет, какие элементы присутствуют, интенсивность спектра показывает концентрации элементов. Ожидается , что спектрометры внесут значительный вклад в растущее понимание происхождения и эволюции планет, таких как Марс, и процессов, формирующих их сегодня и в прошлом.
Гамма-лучи и нейтроны производятся космическими лучами. Входящие космические лучи — некоторые из частиц с самой высокой энергией — сталкиваются с ядрами атомов в почве. Когда ядра сталкиваются с такой энергией, высвобождаются нейтроны, которые рассеиваются и сталкиваются с другими ядрами. Ядра «возбуждаются» в процессе и испускают гамма-лучи, чтобы высвободить дополнительную энергию, чтобы они могли вернуться в свое нормальное состояние покоя. Некоторые элементы, такие как калий, уран и торий, являются естественно радиоактивными и испускают гамма-лучи при распаде , но все элементы могут возбуждаться при столкновениях с космическими лучами, производя гамма-лучи. Спектрометры HEND и нейтронов на GRS напрямую обнаруживают рассеянные нейтроны, а гамма-датчик обнаруживает гамма-лучи.
Измеряя нейтроны, можно рассчитать распространенность водорода, таким образом, сделав вывод о наличии воды. Детекторы нейтронов чувствительны к концентрации водорода в верхнем метре поверхности. Когда космические лучи попадают на поверхность Марса, нейтроны и гамма-лучи выходят из почвы. GRS измерил их энергию. [2] Определенные энергии производятся водородом. Поскольку водород, скорее всего, присутствует в форме водяного льда, спектрометр сможет напрямую измерить количество постоянного подземного льда и то, как он меняется в зависимости от сезона. Подобно виртуальной лопате, «вгрызающейся» в поверхность, спектрометр позволит ученым заглянуть в эту неглубокую недр Марса и измерить наличие водорода.
GRS предоставит данные, аналогичные полученным в ходе успешной миссии Lunar Prospector, которая сообщила нам о вероятном количестве водорода и, следовательно, воды на Луне.
Гамма-спектрометр, используемый на космическом аппарате Odyssey, состоит из четырех основных компонентов: головки гамма-датчика, нейтронного спектрометра, детектора нейтронов высокой энергии и центрального электронного узла. Головка датчика отделена от остальной части космического аппарата 6,2-метровой (20-футовой) стрелой, которая была выдвинута после того, как Odyssey вышел на орбиту картирования Марса. Этот маневр выполняется для минимизации помех от любых гамма-лучей, исходящих от самого космического аппарата. Первоначальная активность спектрометра, продолжавшаяся от 15 до 40 дней, выполнила калибровку прибора перед развертыванием стрелы. Примерно через 100 дней миссии по картированию стрела была развернута и оставалась в этом положении в течение всей миссии. Два нейтронных детектора — нейтронный спектрометр и детектор нейтронов высокой энергии — установлены на основной конструкции космического аппарата и работали непрерывно в течение всей миссии по картированию.
Гамма-спектрометр весит 30,5 кг (67,2 фунта) и потребляет 32 Вт мощности. Вместе с охладителем его размеры составляют 468 x 534 x 604 мм (18,4 x 21,0 x 23,8 дюйма). Детектор представляет собой фотодиод, изготовленный из германиевого кристалла весом 1,2 кг, с обратным смещением около 3 киловольт, установленный на конце шестиметровой стрелы для минимизации помех от гамма-излучения, создаваемого самим космическим аппаратом. Его пространственное разрешение составляет около 300 км. [3] [4]
Габариты нейтронного спектрометра составляют 173 x 144 x 314 мм (6,8 x 5,7 x 12,4 дюйма).
Детектор нейтронов высокой энергии имеет размеры 303 x 248 x 242 мм (11,9 x 9,8 x 9,5 дюйма). Центральный электронный блок прибора имеет размеры 281 x 243 x 234 мм (11,1 x 9,6 x 9,2 дюйма).