Spektrometr gama záření - Gamma-ray spectrometer
Gama spektrometr (GRS) je přístroj pro měření distribuce (nebo spektrum -viz obrázek ) intenzity záření gama v závislosti na energii každého fotonu . Studium a analýza spektra gama záření pro vědecké a technické použití se nazývá gama spektroskopie a gama spektrometry jsou nástroje, které tyto údaje pozorují a shromažďují. Protože energie každého fotonu EM záření je úměrná jeho frekvenci, mají paprsky gama dostatečnou energii, kterou obvykle pozorují počítáním jednotlivých fotonů.
Gama spektroskopie
Atomová jádra mají strukturu energetické úrovně poněkud analogickou s energetickými hladinami atomů, takže mohou emitovat (nebo absorbovat) fotony určitých energií, stejně jako atomy, ale u energií, které jsou tisíce až milionkrát vyšší než obvykle studoval v optické spektroskopii. (Všimněte si, že vysokoenergetický konec krátké vlnové délky rozsahu atomové spektroskopie (několik eV až několik set keV ), obecně nazývaný rentgenové záření , se poněkud překrývá s dolním koncem rozsahu jaderného gama záření (~ 10 MeV až ~ 10 keV), takže terminologie použitá k rozlišení rentgenových paprsků od paprsků gama může být v oblasti překrytí libovolná nebo nejednoznačná.) Stejně jako u atomů jsou jednotlivé energetické úrovně jader charakteristické pro každý druh, takže energie fotonů emitované paprsky gama, které odpovídají energetickým rozdílům jader, lze použít k identifikaci konkrétních prvků a izotopů. Rozlišování mezi gama paprsky mírně odlišné energie je důležitým hlediskem při analýze komplexních spekter a schopnost GRS to dělat je charakterizována spektrálním rozlišením přístroje nebo přesností, s jakou je měřena energie každého fotonu. Polovodičové detektory založené na chlazených prvcích pro detekci germania nebo křemíku byly pro takové aplikace neocenitelné. Protože spektrum energetické úrovně jader obvykle vymírá nad 10 MeV, gama přístroje, které hledají ještě vyšší energie, obecně pozorují pouze spektra kontinua, takže střední spektrální rozlišení scintilace (často jodid sodný (NaI) nebo jodid cesný, ( CsI) spektrometry), pro tyto aplikace často stačí.
Astronomické spektrometry
Byla provedena řada výzkumů ke sledování spektra gama záření Slunce a dalších astronomických zdrojů , galaktických i extra-galaktických. Gamma-Ray Imaging Spectrometer , hard X-ray / Low-Energy Gamma-ray experiment (A-4) na HEAO 1 , barvonosný a Transient spektrometrie Experiment (BATSE) a OSSI (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment) na CGRO , gama přístroj C1 germanium (Ge) na HEAO 3 a gama spektrometr Ge (SPI) na misi ESA INTEGRAL jsou příklady kosmických spektrometrů, zatímco GRS na SMM a zobrazovací Ge spektrometr na satelitu RHESSI byla věnována slunečnímu pozorování.
Planetární gama spektrometry
Gama spektrometry byly široce používány pro elementární a izotopovou analýzu těl sluneční soustavy , zejména Měsíce a Marsu . Tyto povrchy jsou vystaveny neustálému bombardování vysokoenergetickým kosmickým paprskem , které excituje jádra v nich, aby emitovaly charakteristické gama paprsky, které lze detekovat z oběžné dráhy. Orbitální nástroj tedy může v zásadě mapovat povrchové rozložení prvků pro celou planetu. Mezi příklady patří mapování 20 prvků pozorovaných při průzkumu Marsu, Eros a Měsíce . Obvykle jsou spojovány s detektory neutronů, které mohou hledat vodu a led v půdě měřením neutronů . Jsou schopni měřit hojnost a distribuci asi 20 primárních prvků periodické tabulky, včetně křemíku , kyslíku , železa , hořčíku , draslíku , hliníku , vápníku , síry a uhlíku . Znalost toho, jaké prvky jsou na povrchu nebo v jeho blízkosti, poskytne podrobné informace o tom, jak se planetární tělesa v průběhu času měnily. Pro určení elementárního složení povrchu Marsu použila Mars Odyssey spektrometr gama záření a dva neutronové detektory.
Přístroje GRS dodávají údaje o distribuci a množství chemických prvků, podobně jako to prováděla mise Lunar Prospector na Měsíci. V tomto případě byl zmapován chemický prvek thorium , přičemž vyšší koncentrace jsou zobrazeny žlutě / oranžově / červeně na levém obrázku zobrazeném vpravo.
Jak funguje GRS
Některé konstrukce scintilačních čítačů lze použít jako gama spektrometry. Energie gama fotonu je rozeznána od intenzity záblesku scintilátoru , množství nízkoenergetických fotonů produkovaných jediným vysokoenergetickým. Další přístup se spoléhá na použití detektorů germania - krystalu hyperčistého germania, který produkuje impulsy úměrné zachycené fotonové energii; zatímco je citlivější, musí být ochlazeno na nízkou teplotu, což vyžaduje objemný kryogenní přístroj. Ruční a mnoho laboratorní gama spektrometry, jsou tedy sestava scintilátoru druh, většinou s thalium - dopovaný jodid sodný , thalium dopované jodid česný , nebo, v poslední době, cer dopované lanthanu bromid . Spektrometry pro vesmírné mise naopak bývají germánského druhu.
Když jsou vystaveny kosmickým paprskům (nabité částice z vesmíru, o nichž se předpokládá, že mohou pocházet ze supernovy a aktivních galaktických jader ), chemické prvky v půdě a horninách emitují jednoznačně identifikovatelné podpisy energie ve formě gama paprsků. Gama spektrometr sleduje tyto podpisy neboli energie pocházející z prvků přítomných v cílové půdě.
Měřením paprsků gama vycházejících z cílového tělesa je možné vypočítat početnost různých prvků a jejich distribuci po povrchu planety. Gama záření, emitované z jader z atomů , zobrazí jako ostré emisních čar na výstupu spektrálního přístroje. Zatímco energie zastoupená v těchto emisích určuje, které prvky jsou přítomny, intenzita spektra odhaluje jejich koncentraci. Očekává se, že spektrometry významně přispějí k rostoucímu porozumění původu a vývoji planet, jako je Mars, a procesům, které je formují dnes i v minulosti.
Jak jsou gama paprsky a neutrony produkovány kosmickými paprsky? Příchozí kosmické paprsky - některé částice s nejvyšší energií - se srazí s jádrem atomů v půdě. Když jsou jádra zasažena takovou energií, uvolní se neutrony, které se rozptýlí a srazí s jinými jádry. Jádra se v procesu „vzrušují“ a emitují paprsky gama, aby uvolnily energii navíc, aby se mohly vrátit do normálního klidového stavu. Některé prvky, jako je draslík, uran a thorium, jsou přirozeně radioaktivní a při rozpadu vydávají gama paprsky , ale všechny prvky mohou být vzrušeny srážkami s kosmickými paprsky a vytvářet gama paprsky. Hend a neutronů spektrometry na GRS přímo detekovat rozptýlené neutrony a gama senzor detekuje gama záření.
Detekce vody
Měřením neutronů je možné vypočítat množství vodíku, a tak odvodit přítomnost vody. Detektory neutronů jsou citlivé na koncentrace vodíku v horním metru povrchu. Když kosmické paprsky dopadnou na povrch Marsu, z půdy vycházejí neutrony a gama paprsky. GRS měřila jejich energie. Určité energie produkuje vodík. Vzhledem k tomu, že vodík je s největší pravděpodobností přítomen ve formě vodního ledu, bude spektrometr schopen měřit přímo množství permanentního přízemního ledu a to, jak se mění s ročními obdobími. Spektrometr jako virtuální lopata „kopající“ do povrchu umožní vědcům nahlédnout do tohoto mělkého podpovrchu Marsu a měřit existenci vodíku.
GRS dodá data podobná údajům o úspěšné misi Lunar Prospector, která nám řekla, kolik vodíku, a tedy vody, je na Měsíci pravděpodobně.
Gama spektrometr používaný na kosmické lodi Odyssey se skládá ze čtyř hlavních komponent: hlavy gama senzoru, neutronového spektrometru, vysokoenergetického neutronového detektoru a centrální sestavy elektroniky. Hlava senzoru je oddělena od zbytku kosmické lodi ramenem o délce 6,2 metru (20 stop), které bylo prodlouženo poté, co Odyssey vstoupil na mapovací dráhu na Marsu. Tento manévr se provádí za účelem minimalizace rušení jakýmikoli gama paprsky přicházejícími ze samotné kosmické lodi. Počáteční aktivita spektrometru, trvající mezi 15 a 40 dny, provedla kalibraci přístroje před spuštěním výložníku. Asi po 100 dnech mapovací mise byl výložník nasazen a zůstal v této poloze po celou dobu mise. Dva neutronové detektory - neutronový spektrometr a vysokoenergetický neutronový detektor - jsou namontovány na hlavní konstrukci kosmické lodi a nepřetržitě pracují po celou dobu mapovací mise.
Specifikace GRS pro misi Odyssey
Spektrometr Gamma-Ray váží 30,5 kilogramu (67,2 lb) a spotřebovává 32 wattů. Spolu s chladičem měří 468 × 534 × 604 mm (18,4 × 21,0 × 23,8 palce). Detektor je fotodioda vyrobená z krystalu germania o hmotnosti 1,2 kg, reverzně předpjatá na přibližně 3 kilovolty, namontovaná na konci šestimetrového výložníku, aby se minimalizovaly interference gama záření produkovaného samotnou kosmickou lodí. Jeho prostorové rozlišení je asi 300 km.
Neutronový spektrometr je 173 x 144 o 314 mm (6,8 o 5,7 o 12,4 palce).
Vysokoenergetický neutronový detektor měří 303 x 248 x 242 mm (11,9 x 9,8 x 9,5 palce). Centrální elektronická skříňka nástroje je 281 x 243 x 234 mm (11,1 x 9,6 x 9,2 palce).
Viz také
Reference
externí odkazy
- Stránka NASA Jet Propulsion Laboratory Gamma Ray Spectrometer
- Místo nástroje Mars Odyssey GRS na Arizonské univerzitě
- Spektrometr gama záření Apollo 16
- NEAR Science tools (including GRS)
- GRS společnosti Lunar Prospector ve výzkumném středisku NASA Ames
- Lunar Prospector's GRS at National Space Science Data Center (NSSDC)