Spettrometro a raggi gamma - Gamma-ray spectrometer
Uno spettrometro a raggi gamma (GRS) è uno strumento per misurare la distribuzione (o spettro - vedi figura ) dell'intensità della radiazione gamma rispetto all'energia di ciascun fotone . Lo studio e l'analisi degli spettri di raggi gamma per uso scientifico e tecnico è chiamato spettroscopia gamma e gli spettrometri di raggi gamma sono gli strumenti che osservano e raccolgono tali dati. Poiché l'energia di ciascun fotone della radiazione EM è proporzionale alla sua frequenza, i raggi gamma hanno un'energia sufficiente per essere tipicamente osservati contando i singoli fotoni.
Spettroscopia a raggi gamma
I nuclei atomici hanno una struttura a livello di energia in qualche modo analoga ai livelli di energia degli atomi, così che possono emettere (o assorbire) fotoni di particolari energie, proprio come fanno gli atomi, ma a energie che sono da migliaia a milioni di volte superiori a quelle tipicamente studiato in spettroscopia ottica. (Si noti che l'estremità ad alta energia a breve lunghezza d'onda, della gamma atomica spettroscopia (pochi eV a poche centinaia di keV ), generalmente chiamati raggi X , si sovrappone leggermente con l'estremità inferiore del range raggi gamma nucleare (~ 10 MeV a ~10 keV) così che la terminologia usata per distinguere i raggi X dai raggi gamma può essere arbitraria o ambigua nella regione di sovrapposizione.) Come per gli atomi, i particolari livelli energetici dei nuclei sono caratteristici di ogni specie, così che le energie dei fotoni del i raggi gamma emessi, che corrispondono alle differenze energetiche dei nuclei, possono essere utilizzati per identificare particolari elementi e isotopi. La distinzione tra raggi gamma di energia leggermente diversa è una considerazione importante nell'analisi di spettri complessi e la capacità di un GRS di farlo è caratterizzata dalla risoluzione spettrale dello strumento , ovvero dall'accuratezza con cui viene misurata l'energia di ciascun fotone. I rivelatori a semiconduttore, basati su elementi di rilevamento raffreddati al germanio o al silicio , sono stati preziosi per tali applicazioni. Poiché lo spettro del livello di energia dei nuclei tipicamente si estingue al di sopra di circa 10 MeV, gli strumenti a raggi gamma che cercano energie ancora più elevate generalmente osservano solo spettri continui, in modo che la moderata risoluzione spettrale della scintillazione (spesso ioduro di sodio (NaI) o ioduro di cesio, ( spettrometri CsI), spesso è sufficiente per tali applicazioni.
Spettrometri astronomici
Sono state eseguite numerose indagini per osservare gli spettri di raggi gamma del Sole e di altre sorgenti astronomiche , sia galattiche che extragalattiche. Il Gamma-Ray Imaging Spectrometer , l'esperimento duro X-ray / Low-Energy Gamma-ray (A-4) su HEAO 1 , Burst e Transient Spettrometria Experiment (BATSE) e l'OSSI (Oriented Experiment scintillazione Spectrometer) sulla CGRO , lo strumento a raggi gamma C1 germanio (Ge) su HEAO 3 e lo spettrometro a raggi gamma Ge (SPI) sulla missione ESA INTEGRAL sono esempi di spettrometri cosmici, mentre il GRS sull'SMM e lo spettrometro per immagini Ge sul satellite RHESSI sono stati dedicati alle osservazioni solari.
Spettrometri di raggi gamma planetari
Gli spettrometri a raggi gamma sono stati ampiamente utilizzati per l'analisi elementare e isotopica dei corpi del Sistema Solare , in particolare della Luna e di Marte . Queste superfici sono soggette a un bombardamento continuo di raggi cosmici ad alta energia , che eccitano i nuclei al loro interno per emettere caratteristici raggi gamma che possono essere rilevati dall'orbita. Quindi uno strumento orbitante può in linea di principio mappare la distribuzione superficiale degli elementi per un intero pianeta. Gli esempi includono la mappatura di 20 elementi osservati nell'esplorazione di Marte, Eros e Luna . Di solito sono associati a rivelatori di neutroni che possono cercare acqua e ghiaccio nel terreno misurando i neutroni . Sono in grado di misurare l'abbondanza e la distribuzione di circa 20 elementi primari della tavola periodica, inclusi silicio , ossigeno , ferro , magnesio , potassio , alluminio , calcio , zolfo e carbonio . Sapere quali elementi si trovano in o vicino alla superficie fornirà informazioni dettagliate su come i corpi planetari sono cambiati nel tempo. Per determinare la composizione elementare della superficie marziana, il Mars Odyssey ha utilizzato uno spettrometro a raggi gamma e due rilevatori di neutroni.
Gli strumenti GRS forniscono dati sulla distribuzione e l'abbondanza di elementi chimici, proprio come ha fatto la missione Lunar Prospector sulla luna. In questo caso, è stato mappato l' elemento chimico torio , con concentrazioni più elevate mostrate in giallo/arancione/rosso nell'immagine a sinistra mostrata a destra.
Come funziona un GRS
Alcune costruzioni di contatori a scintillazione possono essere utilizzate come spettrometri a raggi gamma. L'energia del fotone gamma si discerne dall'intensità del lampo dello scintillatore , un numero di fotoni a bassa energia prodotti dal singolo ad alta energia. Un altro approccio si basa sull'utilizzo di rivelatori al germanio, un cristallo di germanio iperpuro che produce impulsi proporzionali all'energia del fotone catturato; mentre è più sensibile, deve essere raffreddato a bassa temperatura, richiedendo un apparato criogenico ingombrante . Palmare e molti spettrometri laboratorio gamma sono pertanto scintillatore tipo, principalmente con tallio - drogato ioduro di sodio , tallio-drogata di cesio ioduro , o, più recentemente, cerio drogati lantanio bromuro . Gli spettrometri per le missioni spaziali tendono invece ad essere del tipo al germanio.
Quando esposti ai raggi cosmici (particelle cariche provenienti dallo spazio che si pensa possano originare in supernova e nuclei galattici attivi ), gli elementi chimici nei terreni e nelle rocce emettono firme di energia identificabili in modo univoco sotto forma di raggi gamma. Lo spettrometro a raggi gamma esamina queste firme, o energie, provenienti dagli elementi presenti nel suolo bersaglio.
Misurando i raggi gamma provenienti dal corpo bersaglio, è possibile calcolare l'abbondanza dei vari elementi e la loro distribuzione sulla superficie del pianeta. I raggi gamma, emessi dai nuclei degli atomi , si presentano come linee di emissione nitide sull'uscita dello spettro dello strumento. Mentre l'energia rappresentata in queste emissioni determina quali elementi sono presenti, l'intensità dello spettro rivela le concentrazioni degli elementi. Ci si aspetta che gli spettrometri contribuiscano in modo significativo alla crescente comprensione dell'origine e dell'evoluzione di pianeti come Marte e dei processi che li modellano oggi e in passato.
Come vengono prodotti i raggi gamma e i neutroni dai raggi cosmici? I raggi cosmici in arrivo , alcune delle particelle a più alta energia, si scontrano con il nucleo degli atomi nel suolo. Quando i nuclei vengono colpiti da tale energia, vengono rilasciati neutroni, che si disperdono e si scontrano con altri nuclei. I nuclei si "eccitano" nel processo ed emettono raggi gamma per rilasciare l'energia extra in modo che possano tornare al loro normale stato di riposo. Alcuni elementi come il potassio, l' uranio e il torio sono naturalmente radioattivi ed emettono raggi gamma mentre decadono , ma tutti gli elementi possono essere eccitati dalle collisioni con i raggi cosmici per produrre raggi gamma. Gli spettrometri HEND e Neutron su GRS rilevano direttamente i neutroni sparsi e il sensore gamma rileva i raggi gamma.
Rilevamento dell'acqua
Misurando i neutroni è possibile calcolare l'abbondanza di idrogeno, deducendo così la presenza di acqua. I rivelatori di neutroni sono sensibili alle concentrazioni di idrogeno nel metro superiore della superficie. Quando i raggi cosmici colpiscono la superficie di Marte, neutroni e raggi gamma escono dal suolo. Il GRS ha misurato le loro energie. Alcune energie sono prodotte dall'idrogeno. Poiché l'idrogeno è molto probabilmente presente sotto forma di ghiaccio d'acqua, lo spettrometro sarà in grado di misurare direttamente la quantità di ghiaccio macinato permanente e come cambia con le stagioni. Come una pala virtuale che "scava" nella superficie, lo spettrometro consentirà agli scienziati di scrutare questo sottosuolo poco profondo di Marte e misurare l'esistenza dell'idrogeno.
GRS fornirà dati simili a quelli della riuscita missione Lunar Prospector, che ci ha detto quanto idrogeno, e quindi acqua, è probabile sulla Luna.
Lo spettrometro a raggi gamma utilizzato sulla navicella spaziale Odyssey è costituito da quattro componenti principali: la testa del sensore gamma, lo spettrometro di neutroni, il rivelatore di neutroni ad alta energia e il gruppo elettronico centrale. La testa del sensore è separata dal resto del veicolo spaziale da un braccio di 6,2 metri (20 piedi), che è stato esteso dopo che Odyssey è entrato nell'orbita di mappatura su Marte. Questa manovra viene eseguita per ridurre al minimo l'interferenza di eventuali raggi gamma provenienti dalla navicella stessa. L'attività iniziale dello spettrometro, della durata compresa tra 15 e 40 giorni, ha eseguito una calibrazione dello strumento prima dell'apertura del braccio. Dopo circa 100 giorni dalla missione di mappatura, il boom è stato dispiegato ed è rimasto in questa posizione per tutta la durata della missione. I due rivelatori di neutroni, lo spettrometro di neutroni e il rivelatore di neutroni ad alta energia, sono montati sulla struttura principale del veicolo spaziale e sono stati utilizzati continuamente durante la missione di mappatura.
Specifiche GRS per la missione Odyssey
Lo spettrometro a raggi gamma pesa 30,5 chilogrammi (67,2 libbre) e utilizza 32 watt di potenza. Insieme al suo dispositivo di raffreddamento, misura 468 per 534 per 604 mm (18,4 per 21,0 per 23,8 pollici). Il rivelatore è un fotodiodo costituito da un cristallo di germanio da 1,2 kg, polarizzato inversamente a circa 3 kilovolt, montato all'estremità di un braccio di sei metri per ridurre al minimo le interferenze della radiazione gamma prodotta dalla navicella stessa. La sua risoluzione spaziale è di circa 300 km.
Lo spettrometro di neutroni è 173 per 144 per 314 mm (6,8 per 5,7 per 12,4 pollici).
Il rivelatore di neutroni ad alta energia misura 303 x 248 x 242 mm (11,9 x 9,8 x 9,5 pollici). La scatola elettronica centrale dello strumento misura 281 x 243 x 234 mm (11,1 x 9,6 x 9,2 pollici).
Guarda anche
Riferimenti
link esterno
- Pagina dello spettrometro a raggi gamma del laboratorio di propulsione a getto della NASA
- Sito dello strumento Mars Odyssey GRS presso l' Università dell'Arizona
- Spettrometro a raggi gamma Apollo 16
- Strumenti NEAR Science (incluso GRS)
- GRS del Lunar Prospector al NASA Ames Research Center
- GRS di Lunar Prospector al National Space Science Data Center (NSSDC)