Введение

Прибор для измерения гамма-излучения

Гамма-спектрометр (ГС) – это прибор для измерения распределения (или спектра) интенсивности гамма-излучения в зависимости от энергии каждого фотона. Изучение и анализ спектров гамма-лучей для научных и технических целей называется гамма-спектроскопией, а гамма-спектрометры – это приборы, которые наблюдают и собирают такие данные. Поскольку энергия каждого фотона электромагнитного излучения пропорциональна его частоте, гамма-лучи обладают достаточной энергией, чтобы их обычно регистрировали, подсчитывая отдельные фотоны.

Гамма-спектроскопия

Атомные ядра обладают структурой энергетических уровней, в некоторой степени аналогичной энергетическим уровням атомов, поэтому они могут излучать (или поглощать) фотоны определенных энергий, подобно атомам, но при энергиях, которые в тысячи – миллионы раз превышают те, что обычно изучаются в оптической спектроскопии. (Следует отметить, что область коротких длин волн с высокой энергией в диапазоне энергий атомной спектроскопии (от нескольких эВ до нескольких сотен кэВ), обычно называемая рентгеновским излучением, частично перекрывается с нижним концом диапазона ядерного гамма-излучения (~10 МэВ до ~10 кэВ), в связи с чем терминология, используемая для разграничения рентгеновского и гамма-излучения, может быть произвольной или неоднозначной в области перекрытия.) Как и в случае с атомами, конкретные энергетические уровни ядер характерны для каждого вида, поэтому энергии фотонов испускаемых гамма-лучей, соответствующие разностям энергий ядер, могут быть использованы для идентификации определенных элементов и изотопов. Различение гамма-лучей с незначительно отличающейся энергией является важным фактором при анализе сложных спектров, а способность ГРС к этому характеризуется спектральным разрешением прибора, то есть точностью измерения энергии каждого фотона. Полупроводниковые детекторы, основанные на охлаждаемых германиевых или кремниевых детекторах, оказались незаменимыми для подобных задач. Поскольку спектр энергетических уровней ядер обычно затухает выше примерно 10 МэВ, гамма-инструменты, работающие с еще более высокими энергиями, обычно наблюдают только непрерывные спектры, поэтому умеренного спектрального разрешения сцинтилляционных (часто йодида натрия (NaI) или йодида цезия (CsI)) спектрометров часто бывает достаточно для таких применений.

Астрономические спектрометры

Было проведено ряд исследований для наблюдения спектров гамма-лучей Солнца и других астрономических источников, как галактических, так и внегалактических. Спектрометр гамма-лучевой визуализации, эксперимент по регистрации жестких рентгеновских лучей/гамма-лучей низкой энергии (A 4) на борту HEAO 1, эксперимент по спектрометрии вспышек и переходных процессов (BATSE) и OSSI (эксперимент с ориентированным сцинтилляционным спектрометром) на CGRO, гамма-лучевой прибор C1 на основе германия (Ge) на HEAO 3 и гамма-лучевой спектрометр Ge (SPI) в рамках миссии ESA INTEGRAL являются примерами космических спектрометров, в то время как GRS на SMM и визуализирующий спектрометр Ge на спутнике RHESSI были посвящены наблюдениям Солнца.

Планетарные гамма-спектрометры

Гамма-спектрометры широко используются для элементного и изотопного анализа тел в Солнечной системе, особенно Луны и Марса. Эти поверхности подвергаются непрерывной бомбардировке высокоэнергетическими космическими лучами, которые возбуждают ядра, заставляя их испускать характерные гамма-лучи, регистрируемые с орбиты. Таким образом, орбитальный прибор в принципе может составить карту распределения элементов по поверхности целой планеты. Примерами служат карты 20 элементов, полученные при исследовании Марса, Эроса и Луны. Как правило, они комплектуются нейтронными детекторами, которые позволяют искать воду и лёд в почве, измеряя нейтроны. Они способны измерять содержание и распределение около 20 основных элементов периодической таблицы, включая кремний, кислород, железо, магний, калий, алюминий, кальций, серу и углерод. Знание элементного состава поверхности или близлежащих слоёв даёт детальную информацию об изменениях, происходивших с планетарными телами с течением времени. Для определения элементного состава поверхности Марса аппарат "Марс Одиссей" использовал гамма-спектрометр и два нейтронных детектора. Приборы GRS предоставляют данные о распределении и содержании химических элементов, подобно тому, как это делала миссия Lunar Prospector на Луне. В данном случае была составлена карта распределения химического элемента тория, где более высокие концентрации отображены жёлтым, оранжевым и красным цветами на левом изображении.

Как работает ГРС

Некоторые конструкции счетчиков сцинтилляции могут использоваться в качестве гамма-спектрометров. Энергия гамма-фотона определяется интенсивностью вспышки сцинтиллятора – количеством фотонов низкой энергии, порожденных одним высокоэнергетическим фотоном. Другой подход основан на использовании германиевых детекторов – кристалла сверхчистого германия, который генерирует импульсы, пропорциональные захваченной энергии фотона; хотя он и более чувствителен, его необходимо охлаждать до низкой температуры, что требует громоздкого криогенного оборудования. Поэтому ручные и многие лабораторные гамма-спектрометры обычно являются сцинтилляционными, чаще всего с таллием, допированным йодидом натрия, таллием, допированным йодидом цезия, или, в последнее время, с бромидом лантана, допированным церием. Спектрометры для космических миссий, напротив, как правило, германиевые. При воздействии космических лучей (заряженных частиц из космоса, предположительно возникающих в сверхновых и активных галактических ядрах) химические элементы в почвах и горных породах излучают уникальные и идентифицируемые энергетические сигнатуры в виде гамма-лучей. Гамма-спектрометр анализирует эти сигнатуры, или энергии, исходящие от элементов, присутствующих в исследуемой почве. Измеряя гамма-лучи, испускаемые исследуемым объектом, можно рассчитать содержание различных элементов и их распределение по поверхности планеты. Гамма-лучи, испускаемые ядрами атомов, проявляются в виде четких эмиссионных линий на спектральной диаграмме прибора. Энергия этих излучений определяет, какие элементы присутствуют, а интенсивность спектра указывает на концентрацию элементов. Ожидается, что спектрометры внесут значительный вклад в углубление понимания происхождения и эволюции планет, подобных Марсу, а также процессов, формирующих их в настоящее и в прошлом. Гамма-лучи и нейтроны генерируются космическими лучами. Входящие космические лучи – одни из самых высокоэнергетических частиц – сталкиваются с ядрами атомов в почве. При столкновении ядер с такой энергией высвобождаются нейтроны, которые рассеиваются и сталкиваются с другими ядрами. Ядра в результате этого "возбуждаются" и излучают гамма-лучи, чтобы высвободить избыточную энергию и вернуться в нормальное состояние. Некоторые элементы, такие как калий, уран и торий, являются естественным образом радиоактивными и испускают гамма-лучи при распаде, но все элементы могут быть возбуждены столкновениями с космическими лучами для генерации гамма-лучей. Спектрометры HEND и Neutron на GRS непосредственно обнаруживают рассеянные нейтроны, а гамма-сенсор – гамма-лучи.

Обнаружение воды

Измеряя нейтроны, можно рассчитать содержание водорода, тем самым определяя наличие воды. Нейтронные детекторы чувствительны к концентрации водорода в верхнем метре поверхности. Когда космические лучи сталкиваются с поверхностью Марса, из грунта исходят нейтроны и гамма-лучи. ГРС измерял их энергии. Определенные энергии генерируются водородом. Поскольку водород, вероятнее всего, присутствует в форме водяного льда, спектрометр сможет напрямую измерить количество постоянного подземного льда и изменения его количества в течение сезонов. Подобно виртуальной лопате, "проникающей" в поверхность, спектрометр позволит ученым изучить этот неглубокий подповерхностный слой Марса и определить наличие водорода. ГРС предоставит данные, аналогичные данным успешной миссии Lunar Prospector, которая позволила оценить количество водорода, а следовательно, и воды на Луне. Гамма-спектрометр, установленный на космическом аппарате "Одиссея", состоит из четырех основных компонентов: головки гамма-датчика, нейтронного спектрометра, высокоэнергетического нейтронного детектора и центрального блока электроники. Головка датчика отделена от остальной части космического аппарата 6,2-метровым манипулятором (бумом), который был выдвинут после выхода "Одиссеи" на картографическую орбиту вокруг Марса. Этот маневр выполнен для минимизации помех от гамма-лучей, испускаемых самим космическим аппаратом. Первоначальная работа спектрометра, продолжавшаяся от 15 до 40 дней, была посвящена калибровке прибора до развертывания манипулятора. Примерно через 100 дней картографической миссии манипулятор был выдвинут и оставался в этом положении на протяжении всей миссии. Два нейтронных детектора – нейтронный спектрометр и высокоэнергетический нейтронный детектор – установлены на основной конструкции космического аппарата и работали непрерывно в течение всей миссии картирования.

Спецификации ГРС для миссии "Одиссея"

Гамма-спектрометр весит 30,5 килограммов и потребляет 32 ватта 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 из германиевого кристалла весом 1,2 кг, к которому приложено обратное смещение около 3 киловольт, и он установлен на конце шестиметровой штанги для минимизации помех от гамма-излучения, создаваемого самим космическим аппаратом. Его пространственное разрешение составляет около 300 км. Размеры нейтронного спектрометра – 173 x 144 x 314 мм (6,8 x 5,7 x 12,4 дюйма). Детектор нейтронов высоких энергий 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).