Гамма-спектрометр (GRS) представляет собой инструмент для измерения распределения (или спектр -Увидимся рисунок ) интенсивности гамма - излучения в зависимости от энергии каждого фотона . Изучение 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, чтобы их обычно можно было наблюдать путем подсчета отдельных фотонов.
Гамма-спектроскопия [ править ]
Атомные ядра имеют структуру энергетических уровней, в некоторой степени аналогичную энергетическим уровням атомов, так что они могут излучать (или поглощать) фотоны определенных энергий, как и атомы, но с энергиями, которые в тысячи или миллионы раз выше, чем обычно изучены в оптической спектроскопии. (Обратите внимание, что коротковолновый и высокоэнергетический конец диапазона энергий атомной спектроскопии (от нескольких эВ до нескольких сотен кэВ ), обычно называемый рентгеновскими лучами , частично перекрывается с нижним концом диапазона ядерных гамма-лучей (~ 10 МэВ).до ~ 10 кэВ), так что терминология, используемая для различения рентгеновских лучей от 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 испускаемые гамма-лучи, которые соответствуют разности энергий ядер, могут использоваться для идентификации определенных элементов и изотопов. Различение гамма-лучей с немного разной энергией является важным соображением 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 охлаждаемого германия или кремния.обнаруживающие элементы, были неоценимы для таких приложений. Поскольку спектр энергетических уровней ядер обычно вымирает выше примерно 10 МэВ, гамма-приборы, которые ищут еще более высокие энергии, обычно наблюдают только континуальные спектры, так что умеренное спектральное разрешение сцинтилляции (часто йодид натрия (NaI) или йодид цезия CsI) спектрометры), часто бывает достаточно для таких приложений.
Астрономические спектрометры [ править ]
Был проведен ряд исследований по наблюдению спектров гамма-излучения Солнца и других астрономических источников , как галактических, так и внегалактических. Гамма-спектрометр с формированием изображения , жесткого рентгеновского / низкоэнергетических гамма-эксперимент (А-4) на HEAO 1 , то лопаются и Переходный спектрометрия Эксперимент (BATSE) и ОССИ (Oriented сцинтилляционного спектрометра Эксперимент) на CGRO , гамма-прибор германия (Ge) C1 на HEAO 3 и гамма-спектрометр Ge (SPI) миссии ESA INTEGRAL являются примерами космических спектрометров, в то время как GRS на SMM Спектрометр Ge на спутнике RHESSI предназначен для наблюдений за Солнцем.
Планетарные гамма-спектрометры [ править ]
Гамма-спектрометры широко используются для элементного и изотопного анализа тел Солнечной системы , особенно Луны и Марса . Эти поверхности подвергаются непрерывной бомбардировке космическими лучами высокой энергии , которые возбуждают в них ядра, испускающие характерные гамма-лучи, которые можно обнаружить с орбиты. Таким образом, орбитальный инструмент может в принципе отображать распределение элементов на поверхности всей планеты. Примеры включают отображение 20 элементов, наблюдаемых 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 могут измерять содержание и распределение примерно 20 основных элементов периодической таблицы, включая кремний , кислород , железо , магний , калий , алюминий , кальций , серу и углерод . Знание того, какие элементы находятся на поверхности или около нее, даст подробную информацию о том, как планетные тела менялись с течением времени. Чтобы определить элементный состав поверхности Марса , Mars Odyssey использовал спектрометр гамма-излучения и два детектора нейтронов.
Инструменты GRS предоставляют данные о распределении и содержании химических элементов, как и миссия Lunar Prospector на Луне. В этом случае был нанесен химический элемент торий , причем более высокие концентрации показаны желтым / оранжевым / красным цветом на изображении слева, показанном справа.
Как работает GRS [ править ]
Некоторые конструкции сцинтилляционных счетчиков могут быть использованы как гамма-спектрометры. Энергия гамма-фотона отличается от интенсивности вспышки сцинтиллятора , количества фотонов низкой энергии, производимых одним фотоном высокой энергии. Другой подход основан на использовании германиевых детекторов - кристалла сверхчистого германия, который производит импульсы, пропорциональные энергии захваченного фотона; будучи более чувствительным, его необходимо охлаждать до низкой температуры, что требует громоздкого криогенного устройства. Поэтому Ручной и многие лабораторные гамма - спектрометры сцинтиллятор рода, в основном с таллием - легированного иодида натрия , таллия , легированногойодид цезия или, в последнее время, бромид лантана, допированный церием . Спектрометры для космических полетов, наоборот, обычно из германия.
Под воздействием космических лучей (заряженные частицы из космоса, которые, как считается, возможно, происходят от сверхновых и активных ядер галактик ), химические элементы в почвах и горных породах испускают однозначно идентифицируемые сигнатуры энергии в виде гамма-лучей. Гамма-спектрометр рассматривает эти сигнатуры или энергии, исходящие от элементов, присутствующих в целевой почве.
Измеряя гамма-лучи, исходящие от целевого тела, можно рассчитать количество различных элементов и то, как они распределяются по поверхности планеты. Гамма - лучи, испускаемые из ядер из атомов , проявляются в виде резких линий излучения на выходе спектра инструмента. 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 планет, таких как Марс, и процессов, формирующих их сегодня и в прошлом.
Как гамма-лучи и нейтроны производятся космическими лучами? Входящие космические лучи - некоторые из самых высокоэнергетических частиц - сталкиваются с ядрами атомов в почве. Когда ядра сталкиваются с такой энергией, высвобождаются нейтроны, которые разлетаются и сталкиваются с другими ядрами. Ядра "возбуждены" 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, по своей природе радиоактивны и испускают гамма-лучи при распаде , но все элементы могут быть возбуждены столкновениями с космическими лучами, чтобы произвести гамма-лучи. ХЕНД и нейтронные спектрометры на GRS непосредственно обнаруживают рассеянные нейтроны, а гамма-датчик обнаруживает гамма-лучи.
Обнаружение воды [ править ]
Измеряя нейтроны, можно вычислить содержание водорода, тем самым 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] Определенную энергию производит водород. Поскольку водород, скорее всего, присутствует в виде водяного льда, спектрометр сможет напрямую измерить количество постоянного грунтового льда и его изменения в зависимости от времени года. Подобно виртуальной лопате, «копающейся» в поверхности, спектрометр позволит ученым заглянуть в эту неглубокую поверхность Марса и измерить наличие 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 Odyssey, 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 Odyssey вышла на картографическую орбиту Марса. Этот маневр делается для минимизации помех от любых гамма-лучей, исходящих от самого космического корабля. Первоначальная активность спектрометра, продолжавшаяся от 15 до 40 дней, выполняла калибровку прибора перед развертыванием стрелы. Примерно через 100 дней после выполнения миссии по картированию стрела была развернута и оставалась в этом положении на протяжении всей миссии.Два нейтронных детектора - нейтронный спектрометр и детектор высокоэнергетических нейтронов - установлены на основной конструкции космического корабля и работают непрерывно на протяжении всей картографической миссии.
Спецификации GRS для миссии Odyssey [ править ]
Гамма-спектрометр весит 30,5 кг (67,2 фунта) и потребляет 32 Вт мощности. Вместе с кулером он имеет размеры 468 на 534 на 604 мм (18,4 на 21,0 на 23,8 дюйма). Детектор представляет собой фотодиод, сделанный из кристалла германия весом 1,2 кг, с обратным смещением примерно до 3 киловольт, установленный на конце шестиметровой стрелы, чтобы минимизировать помехи от гамма-излучения, создаваемого самим космическим кораблем. Его пространственное разрешение составляет около 300 км. [3] [4]
Нейтронный спектрометр 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).
См. Также [ править ]
- Спектроскопия полного поглощения
- Эффект пандемониума
Ссылки [ править ]
- ^ DJ Lawrence, * WC Feldman, BL Barraclough, AB Binder, RC Elphic, S. Maurice, DR Thomsen; Фельдман; Барраклаф; Связующее; Эльфийский; Морис; Томсен (1998). "Глобальные элементные карты Луны: гамма-спектрометр Lunar Prospector" . Наука . 281 (5382): 1484–1489. Bibcode : 1998Sci ... 281.1484L . DOI : 10.1126 / science.281.5382.1484 . PMID 9727970 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ https://science.nasa.gov/headlines/y2002/28may_marsice.html?list540155 [ постоянная мертвая ссылка ]
- ↑ WV Boynton, WC Feldman, IG Mitrofanov, LG Evans, RC Reedy, SW Squyres, R. Starr, JI Trombka, C. d'Uston, JR Arnold, PAJ Englert, AE Metzger, H. Wänke, J. Brückner, DM Дрейк, К. Шинохара, К. Феллоуз, Д. К. Хамара, К. Харшман, К. Керри, К. Тернер, М. Уорд1, Х. Барт, К. Р. Фуллер, С. А. Штормз, Г. В. Торнтон, Дж. Л. Лонгмайр, М. Л. Литвак, А. К. Тон 'chev; Фельдман; Митрофанов; Эванс; Риди; Squyres; Старр; Тромбка; д'Устон; Арнольд; Энглерт; Мецгер; Wänke; Брюкнер; Дрейк; Шинохара; Стипендиаты; Хамара; Харшман; Керри; Тернер; Сторожить; Барт; Фуллер; Бури; Торнтон; Longmire; Литвак; Тоньчев (2004). "Набор инструментов для гамма-спектрометра Mars Odyssey". Обзоры космической науки . 110 (1-2): 37. Бибкод :2004ССРв..110 ... 37Б . DOI : 10,1023 / Б: SPAC.0000021007.76126.15 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
- ^ Скоординированный архив данных космической науки НАСА
Внешние ссылки [ править ]
- Страница гамма-спектрометра Лаборатории реактивного движения НАСА
- Инструментальная площадка Mars Odyssey GRS в Университете Аризоны
- Гамма-спектрометр Apollo 16
- Приборы NEAR Science (включая GRS)
- GRS Lunar Prospector в Исследовательском центре Эймса НАСА
- GRS Lunar Prospector в Национальном центре данных по космическим наукам (NSSDC)
