Гамма-спектрометр: құрал гамма сәулеленуін өлшеуге, энергия бойынша спектрді талдауға арналған. Гамма-спектроскопия, ядролық физика, радиацияны зерттеу.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Гамма сәулесін өлшейтін құрал.
Instrument for measuring gamma radiation
Гамма сәулесі спектрометрі (ГСС) – гамма сәулесінің әрбір фотонының энергиясына қатысты интенсивтілігінің таралуын (немесе спектрін – суретті қараңыз) өлшейтін құрал. Гамма сәулесі спектрлерін ғылыми және техникалық мақсаттарда зерттеу және талдау гамма-спектроскопия деп аталады, ал гамма сәулесі спектрометрлері – осындай деректерді бақылап, жинауға арналған құралдар. Электромагниттік сәулеленудің әрбір фотонының энергиясы оның жиілігіне пропорционалды болғандықтан, гамма сәулелері көбінесе жеке фотондарды санау арқылы байқалады, себебі олар жеткілікті энергияға ие.
A gamma ray spectrometer (GRS) is an instrument for measuring the distribution (or spectrum—see figure) of the intensity of gamma radiation versus the energy of each photon. The study and analysis of gamma ray spectra for scientific and technical use is called gamma spectroscopy, and gamma ray spectrometers are the instruments which observe and collect such data. Because the energy of each photon of EM radiation is proportional to its frequency, gamma rays have sufficient energy that they are typically observed by counting individual photons.
Гамма сәулелерінің спектроскопиясы
Атом ядроларының энергия деңгейі құрылымы атомдардың энергия деңгейлеріне ұқсас, сондықтан олар атомдар сияқты белгілі бір энергиядағы фотондарды шығарады (немесе сіңіреді), бірақ энергиясы оптикалық спектроскопияда зерттелгеннен мыңдаған, тіпті миллиондаған есе жоғары. (Айта кету керек, атомдық спектроскопия энергия диапазонының жоғары энергиялы, қысқа толқынды бөлігі (бірнеше эВ-тан бірнеше жүздеген кэВ-қа дейін), әдетте рентген сәулелері деп аталады, ядролық гамма сәулелері диапазонының төменгі шегімен (~10 МэВ-тан ~10 кэВ-қа дейін) қамтиды, сондықтан рентген сәулелерін гамма сәулелерінен ажырату үшін қолданылатын терминология осы аралықта өте шартты немесе екіұшты болуы мүмкін.) Атомдардағыдай, ядролардың нақты энергия деңгейлері әр түрге тән, сондықтан шығарылған гамма сәулелерінің фотон энергиясы, ядролардың энергия айырмашылықтарына сәйкес келеді, осы арқылы нақты элементтер мен изотоптарды анықтауға болады. Күрделі спектрлерді талдау кезінде, сәл ғана ерекшеленетін гамма сәулелерін ажырату маңызды, ал ГРС-тің мұны істеу қабілеті аспаптың спектрлік ажыратымдылығымен немесе әр фотонның энергиясын өлшеудің дәлдігімен сипатталады. Мұндай қолданбаларда салқындатылған германий немесе кремний детекторларына негізделген жартылай өткізгіш детекторлар өте құнды болып табылады. Ядролардың энергия деңгейлерінің спектрі әдетте 10 МэВ-тан жоғары болмайды, сондықтан одан да жоғары энергияны зерттеуге арналған гамма-сәулелік аспаптар көбінесе тек үздік спектрлерді ғана байқайды, сондықтан сцинтилляциялық (көбінесе натрий йодиді (NaI) немесе цезий йодиді (CsI) спектрометрлері) спектрлік ажыратымдылығының орташа деңгейі мұндай қолданбалар үшін жеткілікті.
Atomic nuclei have an energy level structure somewhat analogous to the energy levels of atoms, so that they may emit (or absorb) photons of particular energies, much as atoms do, but at energies that are thousands to millions of times higher than those typically studied in optical spectroscopy. (Note that the short wavelength high energy end, of the atomic spectroscopy energy range (few eV to few hundred keV), generally termed X rays, overlaps somewhat with the low end of the nuclear gamma ray range (~10 MeV to ~10 keV) so that the terminology used to distinguish X rays from gamma rays can be arbitrary or ambiguous in the overlap region.) As with atoms, the particular energy levels of nuclei are characteristic of each species, so that the photon energies of the gamma rays emitted, which correspond to the energy differences of the nuclei, can be used to identify particular elements and isotopes. Distinguishing between gamma rays of slightly different energy is an important consideration in the analysis of complex spectra, and the ability of a GRS to do so is characterized by the instrument's spectral resolution, or the accuracy with which the energy of each photon is measured. Semi conductor detectors, based on cooled germanium or silicon detecting elements, have been invaluable for such applications. Because the energy level spectrum of nuclei typically dies out above about 10 MeV, gamma ray instruments looking to still higher energies generally observe only continuum spectra, so that the moderate spectral resolution of scintillation (often sodium iodide (NaI) or caesium iodide, (CsI) spectrometers), often suffices for such applications.
Астрономиялық спектрометрлер
Күннің және басқа да галактикалық және галактикадан тыс астрономиялық көздердің гамма сәулелері спектрлерін бақылау мақсатында бірнеше зерттеулер жүргізілді. Гамма сәулелерін бейнелейтін спектрометр, HEAO 1-дегі Қатты рентген сәулелері/Төмен энергиялы гамма сәулелері эксперименті (A 4), Жарылыс және уақытша спектрометрия эксперименті (BATSE) және CGRO-дағы OSSI (Бағдарланған сцинтилляция спектрометриялық эксперименті), HEAO 3-дегі C1 германий (Ge) гамма сәулелері құралы және ESA INTEGRAL миссиясындағы гамма сәулелері спектрометрі (SPI) – ғарыш спектрометрлерінің мысалдары. Ал SMM-дегі GRS және RHESSI спутнигіндегі бейнелейтін германий спектрометрі Күнге бағытталған бақылауларға арналған.
A number of investigations have been performed to observe the gamma ray spectra of the Sun and other astronomical sources, both galactic and extra galactic. The Gamma Ray Imaging Spectrometer, the Hard X ray/Low Energy Gamma ray experiment (A 4) on HEAO 1, the Burst and Transient Spectrometry Experiment (BATSE) and the OSSI (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment) on CGRO, the C1 germanium (Ge) gamma ray instrument on HEAO 3, and the Ge gamma ray spectrometer (SPI) on the ESA INTEGRAL mission are examples of cosmic spectrometers, while the GRS on the SMM and the imaging Ge spectrometer on the RHESSI satellite have been devoted to solar observations.
Планеталық гамма-сәулелік спектрометрлер
Гамма-сәулелік спектрометрлер Күн жүйесіндегі денелердің, әсіресе Ай мен Марстың элементтік және изотоптық талдауында кеңінен қолданылады. Бұл беттер жоғары энергиялы ғарыштық сәулелердің үздіксіз бомбалауына ұшырайды, олар өздеріндегі ядроларды қоздырып, орбитадан анықталатын ерекше гамма сәулелерін шығарады. Осылайша, орбитадағы құрал тұтас планетаның элементтерінің беттік таралуын картаға түсіре алады. Мысал ретінде, Марс, Эрос және Айды зерттеу кезінде байқалған 20 элементтің картасын келтіруге болады. Олар көбінесе нейтрондық детекторлармен жұптастырылады, олар топырақтағы су мен мұзды нейтрондарды өлшеу арқылы анықтай алады. Олар периодтық кестедегі шамамен 20 негізгі элементтің мөлшерін және таралуын өлшеуге қабілетті, оның ішінде кремний, оттек, темір, магний, калий, алюминий, кальций, күкірт және көміртек. Бетте немесе бетке жақын қандай элементтер бар екенін білу планета денелерінің уақыт өте қалай өзгергені туралы толық ақпарат береді. Марс бетінің элементтік құрамын анықтау үшін "Марс Одиссеясы" гамма-сәулелік спектрометр және екі нейтрондық детекторды пайдаланды. GRS құралдары химиялық элементтердің таралуы мен мөлшері туралы деректерді ұсынады, дәл сияқты Айдағы "Lunar Prospector" миссиясы жасағандай. Бұл жағдайда, химиялық элемент торий картаға түсірілді, сол жақтағы суретте жоғары концентрациялар сары, сары және қызыл түстермен көрсетілген.
Gamma ray spectrometers have been widely used for the elemental and isotopic analysis of bodies in the Solar System, especially the Moon and Mars. These surfaces are subjected to a continual bombardment of high energy cosmic rays, which excite nuclei in them to emit characteristic gamma rays which can be detected from orbit. Thus an orbiting instrument can in principle map the surface distribution of the elements for an entire planet. Examples include the mapping of 20 elements observed in the exploration of Mars, Eros and the Moon. They are usually associated with neutron detectors that can look for water and ice in the soil by measuring neutrons. They are able to measure the abundance and distribution of about 20 primary elements of the periodic table, including silicon, oxygen, iron, magnesium, potassium, aluminum, calcium, sulfur, and carbon. Knowing what elements are at or near the surface will give detailed information about how planetary bodies have changed over time. To determine the elemental makeup of the Martian surface, the Mars Odyssey used a gamma ray spectrometer and two neutron detectors. GRS instruments supply data on the distribution and abundance of chemical elements, much as the Lunar Prospector mission did on the Moon. In this case, the chemical element thorium was mapped, with higher concentrations shown as yellow/orange/red in the left image.
ГРС қалай жұмыс істейді
Кейбір сцинтилляциялық есептегіштердің құрылымдарын гамма-сәулелік спектрометрлер ретінде қолдануға болады. Гамма-фотон энергиясы сцинтиллятордың жарқырауының қарқындылығы бойынша анықталады, ол бір жоғары энергиялы фотоннан туындайтын төмен энергиялы фотондардың санына байланысты. Тағы бір тәсіл – германий детекторларын пайдалану, яғни жоғары таза германийдің кристалын қолдану, ол ұсталған фотон энергиясына пропорционалды импульстарды шығарады. Бұл детекторлар жоғары сезімтал болғанымен, оларды төмен температураға дейін салқындату қажет, бұл үлкен криогендік құралды талап етеді. Сондықтан, қолда ұсталатын және көптеген зертханалық гамма-спектрометрлер сцинтилляторлық типте болады, көбінесе таллий қосылған натрий йодиді, таллий қосылған цезий йодиді немесе, соңғы кезде, церий қосылған лантан бромиді қолданылады. Ғарыш миссияларына арналған спектрометрлер керісінше германийлік типте болады. Космикалық сәулелерге (суперновалар мен белсенді галактикалық ядролардан шыққан деп саналатын ғарыштан келген зарядталған бөлшектер) ұшырағанда, топырақ пен тау жыныстарындағы химиялық элементтер гамма-сәулелері түрінде бірегей анықталатын энергиялық сипаттамаларды шығарады. Гамма-сәулелік спектрометр осы сипаттамаларды немесе нысана топырақтағы элементтерден келетін энергияларды зерттейді. Нысана денесінен келетін гамма-сәулелерін өлшеу арқылы әртүрлі элементтердің мөлшерін және олардың планета бетінде қалай таралып орналасқанын есептеуге болады. Гамма-сәулелері атом ядроларынан шығып, құралдың спектрінде анық шығыс сызықтары түрінде көрінеді. Бұл шығыстардағы энергия элементтердің қандай түрлері бар екенін анықтаса, спектрдің қарқындылығы элементтердің концентрациясын көрсетеді. Спектрометрлер Марс сияқты планеталардың пайда болуы мен эволюциясын түсінуге маңызды үлес қосады деп күтілуде, сондай-ақ оларды қалыптастырған процестерді зерттеуге көмектеседі. Гамма-сәулелері мен нейтрондар ғарыштық сәулелердің әсерінен пайда болады. Келіп түсетін ғарыштық сәулелер – ең жоғары энергиялы бөлшектер – топырақтағы атом ядроларымен соқтығысады. Ядроға мұндай энергия тигенде нейтрондар бөлінеді, олар таралып, басқа ядролармен соқтығысады. Соқтығысу нәтижесінде ядролар "қозуға" ұшырайды және артық энергияны босату үшін гамма-сәулелерін шығарып, бастапқы тыныш күйіне оралады. Калий, уран және торий сияқты кейбір элементтер табиғи түрде радиоактивті және ыдырағанда гамма-сәулелерін шығарады, бірақ барлық элементтер ғарыштық сәулелермен соқтығысу арқылы гамма-сәулелерін шығаруға ие. GRS-дегі HEND және нейтрондық спектрометрлер шашыраған нейтрондарды тікелей анықтайды, ал гамма-сенсор гамма-сәулелерін анықтайды.
Some constructions of scintillation counters can be used as gamma ray spectrometers. The gamma photon energy is discerned from the intensity of the flash of the scintillator, a number of low energy photons produced by the single high energy one. Another approach relies on using Germanium detectors a crystal of hyperpure germanium that produces pulses proportional to the captured photon energy; while more sensitive, it has to be cooled to a low temperature, requiring a bulky cryogenic apparatus. Handheld and many laboratory gamma spectrometers are therefore the scintillator kind, mostly with thallium doped sodium iodide, thallium doped caesium iodide, or, more recently, cerium doped lanthanum bromide. Spectrometers for space missions conversely tend to be of the germanium kind. When exposed to cosmic rays (charged particles from space thought to possibly originate in supernova and active galactic nuclei), chemical elements in soils and rocks emit uniquely identifiable signatures of energy in the form of gamma rays. The gamma ray spectrometer looks at these signatures, or energies, coming from the elements present in the target soil. By measuring gamma rays coming from the target body, it is possible to calculate the abundance of various elements and how they are distributed around the planet's surface. Gamma rays, emitted from the nuclei of atoms, show up as sharp emission lines on the instrument's spectrum output. While the energy represented in these emissions determines which elements are present, the intensity of the spectrum reveals the elements concentrations. Spectrometers are expected to add significantly to the growing understanding of the origin and evolution of planets like Mars and the processes shaping them today and in the past. Gamma rays and neutrons are produced by cosmic rays. Incoming cosmic rays—some of the highest energy particles—collide with the nucleus of atoms in the soil. When nuclei are hit with such energy, neutrons are released, which scatter and collide with other nuclei. The nuclei get "excited" in the process, and emit gamma rays to release the extra energy so they can return to their normal rest state. Some elements like potassium, uranium, and thorium are naturally radioactive and give off gamma rays as they decay, but all elements can be excited by collisions with cosmic rays to produce gamma rays. The HEND and Neutron Spectrometers on GRS directly detect scattered neutrons, and the gamma sensor detects the gamma rays.
Суды анықтау
Нейтрондарды өлшеу арқылы сутегінің мөлшерін есептеуге болады, осылайша судың болуын анықтауға мүмкіндік туады. Нейтрон детекторлары жер бетінің жоғарғы метріндегі сутегінің концентрациясына сезімтал. Космикалық сәулелер Марс бетіне түскенде, топырақтан нейтрондар мен гамма-сәулелері шығады. GRS олардың энергиясын өлшейді. Белгілі бір энергиялар сутек арқылы пайда болады. Сутек көбінесе су мұзы түрінде кездесетіндіктен, спектрометр тұрақты мұздың қанша екенін және оның маусымдарға қарай қалай өзгеретінін тікелей өлшеуге мүмкіндік береді. Марс бетіне "сіңіп кіретін" виртуалды қашау сияқты, спектрометр ғалымдарға Марстың беткі қабатын зерттеуге және сутегінің болуын анықтауға көмектеседі. GRS, сәтті аяқталған "Лунный проспектор" миссиясы сияқты деректер ұсынады, ол бізге Айдың бетінде қанша сутек және, демек, су бар екенін көрсетті. "Одиссей" ғарыш кемесінде қолданылатын гамма-сәулелік спектрометр төрт негізгі компоненттен тұрады: гамма-сенсордың бас бөлігі, нейтрондық спектрометр, жоғары энергиялы нейтрон детекторы және орталық электроника жиынтығы. Сенсордың бас бөлігі қалған ғарыш кемесінен 6,2 метрлік (20 фут) иіліммен бөлінеді, ол "Одиссей" Марстың карталау орбитасына енгеннен кейін ұзартылды. Бұл маневр ғарыш кемесінен келетін гамма-сәулелерінің бөгетін азайту мақсатында жасалды. Бастапқы спектрометрлік жұмыс, 15-40 күнге созылып, иілімді іске қосу алдында құралдарды калибрлеуді жүргізеді. Карталау миссиясының шамамен 100 күнінен кейін иілім ұзартылды және миссияның соңына дейін осы күйде қалды. Нейтрондық спектрометр және жоғары энергиялы нейтрон детекторы ғарыш кемесінің негізгі құрылымына орнатылған және карталау миссиясы бойында үздіксіз жұмыс істеді.
By measuring neutrons, it is possible to calculate the abundance of hydrogen, thus inferring the presence of water. The neutron detectors are sensitive to concentrations of hydrogen in the upper meter of the surface. When cosmic rays hit the surface of Mars, neutrons and gamma rays come out of the soil. The GRS measured their energies. Certain energies are produced by hydrogen. Since hydrogen is most likely present in the form of water ice, the spectrometer will be able to measure directly the amount of permanent ground ice and how it changes with the seasons. Like a virtual shovel "digging into" the surface, the spectrometer will allow scientists to peer into this shallow subsurface of Mars and measure the existence of hydrogen. GRS will supply data similar to that of the successful Lunar Prospector mission, which told us how much hydrogen, and thus water, is likely on the Moon. The gamma ray spectrometer used on the Odyssey spacecraft consists of four main components: the gamma sensor head, the neutron spectrometer, the high energy neutron detector, and the central electronics assembly. The sensor head is separated from the rest of the spacecraft by a 6.2 meter (20 ft) boom, which was extended after Odyssey entered the mapping orbit at Mars. This maneuver is done to minimize interference from any gamma rays coming from the spacecraft itself. The initial spectrometer activity, lasting between 15 and 40 days, performed an instrument calibration before the boom was deployed. After about 100 days of the mapping mission, the boom was deployed and remained in this position for the duration of the mission. The two neutron detectors the neutron spectrometer and the high energy neutron detector are mounted on the main spacecraft structure and operated continuously throughout the mapping mission.
"Одиссей" миссиясының GRS спецификациялары
Гамма сәулелер спектрометрі 30,5 килограмм (67,2 фунт) салмақта және 32 ватт қуатты тұтынады. Салқынымен бірге оның өлшемдері 468х534х604 мм (18,4х21,0х23,8 дюйм). Детектор – 1,2 килограмм германий кристалдан жасалған фотодиод, шамамен 3 киловольт кернеуге кері бұрылып, ғарыш аппаратының өзі тудырған гамма-сәулеленудің бөгеттерін азайту үшін алты метрлік иілімнің соңына орнатылған. Оның кеңістіктік ажыратымдылығы шамамен 300 километрді құрайды. Нейтрондық спектрометрдің өлшемдері 173х144х314 мм (6,8х5,7х12,4 дюйм). Жоғары энергиялы нейтрон детекторының өлшемдері 303х248х242 мм (11,9х9,8х9,5 дюйм). Аспаптың орталық электроникалық блогы 281х243х234 мм (11,1х9,6х9,2 дюйм) өлшемдес.
The Gamma Ray Spectrometer weighs 30.5 kilograms (67.2 lb) and uses 32 watts of power. Along with its cooler, it measures 468 by 534 by 604 mm (18.4 by 21.0 by 23.8 in). The detector is a photodiode made of a 1.2 kg germanium crystal, reverse biased to about 3 kilovolts, mounted at the end of a six meter boom to minimize interferences from the gamma radiation produced by the spacecraft itself. Its spatial resolution is about 300 km. The neutron spectrometer is 173 by 144 by 314 mm (6.8 by 5.7 by 12.4 in). The high energy neutron detector measures 303 by 248 by 242 mm (11.9 by 9.8 by 9.5 in). The instrument's central electronics box is 281 by 243 by 234 mm (11.1 by 9.6 by 9.2 in).