Espectrômetro de raios gama - Gamma-ray spectrometer
Um espectrômetro de raios gama (GRS) é um instrumento para medir a distribuição (ou espectro - veja a figura ) da intensidade da radiação gama versus a energia de cada fóton . O estudo e a análise dos espectros de raios gama para uso científico e técnico são chamados de espectroscopia gama , e os espectrômetros de raios gama são os instrumentos que observam e coletam esses dados. Como a energia de cada fóton da radiação EM é proporcional à sua frequência, os raios gama têm energia suficiente para serem normalmente observados pela contagem de fótons individuais.
Espectroscopia de raios gama
Os núcleos atômicos têm uma estrutura de nível de energia um tanto análoga aos níveis de energia dos átomos, de modo que eles podem emitir (ou absorver) fótons de determinadas energias, da mesma forma que os átomos, mas em energias que são milhares a milhões de vezes mais altas do que aquelas tipicamente estudado em espectroscopia óptica. (Observe que a extremidade de alta energia de comprimento de onda curto, da faixa de energia da espectroscopia atômica (alguns eV a algumas centenas de keV ), geralmente denominada raios X , se sobrepõe um pouco com a extremidade inferior da faixa de raios gama nuclear (~ 10 MeV a ~ 10 keV) de modo que a terminologia usada para distinguir os raios X dos raios gama pode ser arbitrária ou ambígua na região de sobreposição.) Tal como acontece com os átomos, os níveis de energia particulares dos núcleos são característicos de cada espécie, de modo que as energias dos fótons do os raios gama emitidos, que correspondem às diferenças de energia dos núcleos, podem ser usados para identificar elementos e isótopos particulares. Distinguir entre raios gama de energia ligeiramente diferente é uma consideração importante na análise de espectros complexos, e a capacidade de um GRS para fazer isso é caracterizada pela resolução espectral do instrumento , ou a precisão com a qual a energia de cada fóton é medida. Detectores de semicondutores, baseados em elementos de detecção de germânio ou silício resfriados , têm sido inestimáveis para tais aplicações. Como o espectro do nível de energia dos núcleos normalmente morre acima de cerca de 10 MeV, os instrumentos de raios gama que procuram energias ainda mais altas geralmente observam apenas espectros contínuos, de modo que a resolução espectral moderada de cintilação (frequentemente iodeto de sódio (NaI) ou iodeto de césio, ( Espectrômetros CsI), muitas vezes é suficiente para tais aplicações.
Espectrômetros astronômicos
Uma série de investigações foram realizadas para observar os espectros de raios gama do Sol e de outras fontes astronômicas , tanto galáticas quanto extra-galácticas. O Gamma-Ray Imaging Spectrometer , o Hard X-ray / Low-Energy Gamma-ray experiment (A-4) no HEAO 1 , o Burst and Transient Spectrometry Experiment (BATSE) e o OSSI (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment) no CGRO , o instrumento de raios gama C1 germânio (Ge) no HEAO 3 e o espectrômetro de raios gama Ge (SPI) na missão ESA INTEGRAL são exemplos de espectrômetros cósmicos, enquanto o GRS no SMM e o espectrômetro Ge de imagem no satélite RHESSI foram dedicados a observações solares.
Espectrômetros de raios gama planetários
Os espectrômetros de raios gama têm sido amplamente usados para a análise elementar e isotópica de corpos no Sistema Solar , especialmente a Lua e Marte . Essas superfícies são submetidas a um bombardeio contínuo de raios cósmicos de alta energia , que excitam seus núcleos para emitir raios gama característicos que podem ser detectados em órbita. Assim, um instrumento orbital pode, em princípio, mapear a distribuição superficial dos elementos para um planeta inteiro. Os exemplos incluem o mapeamento de 20 elementos observados na exploração de Marte, Eros e da Lua . Eles geralmente estão associados a detectores de nêutrons que podem procurar água e gelo no solo medindo nêutrons . Eles são capazes de medir a abundância e distribuição de cerca de 20 elementos primários da tabela periódica, incluindo silício , oxigênio , ferro , magnésio , potássio , alumínio , cálcio , enxofre e carbono . Saber quais elementos estão na superfície ou próximos a ela fornecerá informações detalhadas sobre como os corpos planetários mudaram ao longo do tempo. Para determinar a composição elementar da superfície marciana, a Mars Odyssey usou um de raios gama espectrômetro e dois detectores de nêutrons.
Os instrumentos GRS fornecem dados sobre a distribuição e abundância de elementos químicos, assim como a missão Lunar Prospector fez na lua. Nesse caso, o elemento químico tório foi mapeado, com as maiores concentrações mostradas em amarelo / laranja / vermelho na imagem do lado esquerdo mostrada à direita.
Como funciona um GRS
Algumas construções de contadores de cintilação podem ser usadas como espectrômetros de raios gama. A energia do fóton gama é discernida da intensidade do flash do cintilador , uma série de fótons de baixa energia produzidos por um único fóton de alta energia. Outra abordagem se baseia no uso de detectores de germânio - um cristal de germânio hiperpuro que produz pulsos proporcionais à energia do fóton capturado; embora mais sensível, tem que ser resfriado a uma temperatura baixa, exigindo um aparato criogênico volumoso . Os espectrômetros gama manuais e de laboratório são, portanto, do tipo cintilador, principalmente com tálio - iodeto de sódio dopado , iodeto de césio dopado com tálio ou, mais recentemente, brometo de lantânio dopado com cério . Os espectrômetros para missões espaciais, por outro lado, tendem a ser do tipo germânio.
Quando expostos a raios cósmicos (partículas carregadas do espaço que se pensa possivelmente se originam em supernovas e núcleos galácticos ativos ), os elementos químicos nos solos e nas rochas emitem assinaturas de energia exclusivamente identificáveis na forma de raios gama. O espectrômetro de raios gama analisa essas assinaturas, ou energias, provenientes dos elementos presentes no solo-alvo.
Medindo os raios gama vindos do corpo-alvo, é possível calcular a abundância de vários elementos e como eles estão distribuídos pela superfície do planeta. Os raios gama, emitidos dos núcleos dos átomos , aparecem como linhas de emissão nítidas na saída do espectro do instrumento. Enquanto a energia representada nessas emissões determina quais elementos estão presentes, a intensidade do espectro revela as concentrações dos elementos. Espera-se que os espectrômetros contribuam significativamente para o crescente entendimento da origem e evolução de planetas como Marte e os processos que os moldam hoje e no passado.
Como os raios gama e nêutrons são produzidos pelos raios cósmicos? Os raios cósmicos que chegam - algumas das partículas de mais alta energia - colidem com o núcleo dos átomos do solo. Quando os núcleos são atingidos com essa energia, os nêutrons são liberados, que se espalham e colidem com outros núcleos. Os núcleos ficam "excitados" no processo e emitem raios gama para liberar a energia extra para que possam retornar ao seu estado normal de repouso. Alguns elementos como potássio, urânio e tório são naturalmente radioativos e emitem raios gama à medida que se decompõem , mas todos os elementos podem ser excitados por colisões com raios cósmicos para produzir raios gama. Os espectrômetros HEND e de nêutrons no GRS detectam diretamente nêutrons dispersos e o sensor gama detecta os raios gama.
Detecção de água
Medindo nêutrons, é possível calcular a abundância de hidrogênio, inferindo assim a presença de água. Os detectores de nêutrons são sensíveis às concentrações de hidrogênio no metro superior da superfície. Quando os raios cósmicos atingem a superfície de Marte, nêutrons e raios gama saem do solo. O GRS mediu suas energias. Certas energias são produzidas pelo hidrogênio. Como o hidrogênio provavelmente está presente na forma de gelo de água, o espectrômetro será capaz de medir diretamente a quantidade de gelo permanente no solo e como ele muda com as estações. Como uma pá virtual "cavando" a superfície, o espectrômetro permitirá que os cientistas examinem essa superfície rasa de Marte e meçam a existência de hidrogênio.
O GRS fornecerá dados semelhantes aos da bem-sucedida missão Lunar Prospector, que nos disse quanto hidrogênio e, portanto, água, existe na lua.
O espectrômetro de raios gama usado na espaçonave Odyssey consiste em quatro componentes principais: a cabeça do sensor gama, o espectrômetro de nêutrons, o detector de nêutrons de alta energia e o conjunto eletrônico central. A cabeça do sensor é separada do resto da espaçonave por uma lança de 6,2 metros (20 pés), que foi estendida depois que o Odyssey entrou na órbita de mapeamento em Marte. Esta manobra é feita para minimizar a interferência de quaisquer raios gama vindos da própria espaçonave. A atividade inicial do espectrômetro, com duração de 15 a 40 dias, realizou uma calibração do instrumento antes do lançamento da barra. Após cerca de 100 dias da missão de mapeamento, a barreira foi implantada e permaneceu nesta posição durante a missão. Os dois detectores de nêutrons - o espectrômetro de nêutrons e o detector de nêutrons de alta energia - são montados na estrutura da espaçonave principal e operados continuamente durante a missão de mapeamento.
Especificações GRS para a missão Odyssey
O espectrômetro de raios gama pesa 30,5 kg (67,2 lb) e usa 32 watts de potência. Junto com seu refrigerador, ele mede 468 por 534 por 604 mm (18,4 por 21,0 por 23,8 pol.). O detector é um fotodiodo feito de um cristal de germânio de 1,2 kg, polarizado reversamente para cerca de 3 quilovolts, montado na extremidade de uma barreira de seis metros para minimizar as interferências da radiação gama produzida pela própria espaçonave. Sua resolução espacial é de cerca de 300 km.
O espectrômetro de nêutrons mede 173 por 144 por 314 mm (6,8 por 5,7 por 12,4 pol.).
O detector de nêutrons de alta energia mede 303 por 248 por 242 mm (11,9 por 9,8 por 9,5 pol.). A caixa eletrônica central do instrumento é 281 por 243 por 234 mm (11,1 por 9,6 por 9,2 pol.).
Veja também
Referências
links externos
- Página do espectrômetro de raios gama do laboratório de propulsão a jato da NASA
- Local do instrumento Mars Odyssey GRS na Universidade do Arizona
- Espectrômetro de raios gama Apollo 16
- Instrumentos NEAR Science (incluindo GRS)
- GRS do Lunar Prospector no NASA Ames Research Center
- GRS do Lunar Prospector no National Space Science Data Center (NSSDC)