Un espectrómetro de rayos gamma (GRS) es un instrumento para medir la distribución (o espectro —ver figura ) de la intensidad de la radiación gamma en función de la energía de cada fotón . El estudio y análisis de los espectros de rayos gamma para uso científico y técnico se denomina espectroscopia gamma , y los espectrómetros de rayos gamma son los instrumentos que observan y recopilan dichos datos. Debido a que la energía de cada fotón de radiación electromagnética es proporcional a su frecuencia, los rayos gamma tienen suficiente energía como para que se los observe normalmente contando los fotones individuales.
Algunos espectrómetros de rayos gamma notables son Gammasphere , AGATA y GRETINA .
Los núcleos atómicos tienen una estructura de niveles de energía algo análoga a los niveles de energía de los átomos, de modo que pueden emitir (o absorber) fotones de energías particulares, de manera muy similar a como lo hacen los átomos, pero a energías que son miles a millones de veces más altas que las que se estudian típicamente en espectroscopia óptica. (Tenga en cuenta que los fotones en el extremo de alta energía de longitud de onda corta del rango de energía de la espectroscopia atómica (unos pocos eV a unos pocos cientos de keV ), generalmente denominados rayos X , se superponen un poco con el extremo inferior del rango de rayos gamma nucleares (~10 MeV a ~10 keV) de modo que la terminología utilizada para distinguir los rayos X de los rayos gamma puede ser arbitraria o ambigua en la región de superposición). Al igual que con los átomos, los niveles de energía particulares de los núcleos son característicos de cada especie, de modo que las energías fotónicas de los rayos gamma emitidos, que corresponden a las diferencias de energía de los núcleos, se pueden utilizar para identificar elementos e isótopos particulares. Distinguir entre rayos gamma de energía ligeramente diferente es una consideración importante en el análisis de espectros complejos, y la capacidad de un GRS para hacerlo se caracteriza por la resolución espectral del instrumento , o la precisión con la que se mide la energía de cada fotón. Los detectores de semiconductores, basados en elementos de detección de silicio o germanio enfriados , han sido invaluables para tales aplicaciones. Debido a que el espectro de nivel de energía de los núcleos generalmente se extingue por encima de aproximadamente 10 MeV, los instrumentos de rayos gamma que buscan energías aún más altas generalmente observan solo espectros continuos, de modo que la resolución espectral moderada de centelleo (a menudo espectrómetros de yoduro de sodio (NaI) o yoduro de cesio (CsI)), a menudo es suficiente para tales aplicaciones.
Se han llevado a cabo numerosas investigaciones para observar los espectros de rayos gamma del Sol y otras fuentes astronómicas, tanto galácticas como extragalácticas. El espectrómetro de imágenes de rayos gamma , el experimento de rayos X duros/rayos gamma de baja energía (A-4) en HEAO 1 , el experimento de espectrometría de ráfagas y transitorias (BATSE) y el experimento de espectrómetro de centelleo orientado (OSSI) en CGRO , el instrumento de rayos gamma de germanio (Ge) C1 en HEAO 3 y el espectrómetro de rayos gamma de Ge (SPI) en la misión INTEGRAL de la ESA son ejemplos de espectrómetros cósmicos, mientras que el GRS en el SMM y el espectrómetro de imágenes de Ge en el satélite RHESSI se han dedicado a observaciones solares.
Los espectrómetros de rayos gamma se han utilizado ampliamente para el análisis elemental e isotópico de los cuerpos del Sistema Solar , especialmente la Luna y Marte . Estas superficies están sometidas a un bombardeo continuo de rayos cósmicos de alta energía , que excitan los núcleos en ellas para emitir rayos gamma característicos que pueden detectarse desde la órbita. Por lo tanto, un instrumento en órbita puede, en principio, mapear la distribución superficial de los elementos para un planeta entero. Los ejemplos incluyen el mapeo de 20 elementos observados en la exploración de Marte, Eros y la Luna . [1] Por lo general, se asocian con detectores de neutrones que pueden buscar agua y hielo en el suelo midiendo neutrones . Pueden medir la abundancia y distribución de alrededor de 20 elementos primarios de la tabla periódica, incluidos silicio , oxígeno , hierro , magnesio , potasio , aluminio , calcio , azufre y carbono . Saber qué elementos están en la superficie o cerca de ella brindará información detallada sobre cómo han cambiado los cuerpos planetarios con el tiempo. Para determinar la composición elemental de la superficie marciana, la Mars Odyssey utilizó un espectrómetro de rayos gamma y dos detectores de neutrones.
Los instrumentos del GRS proporcionan datos sobre la distribución y abundancia de elementos químicos, de forma muy similar a como lo hizo la misión Lunar Prospector en la Luna. En este caso, se cartografió el elemento químico torio , y las concentraciones más altas se muestran en amarillo, naranja y rojo en la imagen de la izquierda.
Algunas construcciones de contadores de centelleo pueden utilizarse como espectrómetros de rayos gamma. La energía de los fotones gamma se discierne a partir de la intensidad del destello del centelleador , una cantidad de fotones de baja energía producidos por el único de alta energía. Otro enfoque se basa en el uso de detectores de germanio , un cristal de germanio hiperpuro que produce pulsos proporcionales a la energía del fotón capturado; aunque es más sensible, debe enfriarse a una temperatura baja, lo que requiere un aparato criogénico voluminoso. Por lo tanto, los espectrómetros gamma portátiles y muchos de laboratorio son del tipo centelleador, principalmente con yoduro de sodio dopado con talio , yoduro de cesio dopado con talio o, más recientemente, bromuro de lantano dopado con cerio . Los espectrómetros para misiones espaciales, por el contrario, tienden a ser del tipo de germanio.
Cuando se exponen a los rayos cósmicos (partículas cargadas del espacio que se cree que posiblemente se originaron en supernovas y núcleos galácticos activos ), los elementos químicos de los suelos y las rocas emiten señales de energía identificables de forma única en forma de rayos gamma. El espectrómetro de rayos gamma analiza estas señales, o energías, que provienen de los elementos presentes en el suelo de destino.
Al medir los rayos gamma que provienen del cuerpo objetivo, es posible calcular la abundancia de varios elementos y cómo se distribuyen alrededor de la superficie del planeta. Los rayos gamma, emitidos desde los núcleos de los átomos , aparecen como líneas de emisión nítidas en la salida del espectro del instrumento. Si bien la energía representada en estas emisiones determina qué elementos están presentes, la intensidad del espectro revela las concentraciones de elementos. Se espera que los espectrómetros contribuyan significativamente a la creciente comprensión del origen y la evolución de planetas como Marte y los procesos que los moldearon hoy y en el pasado.
Los rayos gamma y los neutrones son producidos por los rayos cósmicos. Los rayos cósmicos entrantes —algunas de las partículas de mayor energía— chocan con el núcleo de los átomos en el suelo. Cuando los núcleos son golpeados con tal energía, se liberan neutrones, que se dispersan y chocan con otros núcleos. Los núcleos se "excitan" en el proceso y emiten rayos gamma para liberar la energía extra para que puedan volver a su estado de reposo normal. Algunos elementos como el potasio, el uranio y el torio son naturalmente radiactivos y emiten rayos gamma a medida que se desintegran , pero todos los elementos pueden ser excitados por colisiones con rayos cósmicos para producir rayos gamma. Los espectrómetros HEND y de neutrones en GRS detectan directamente los neutrones dispersos, y el sensor gamma detecta los rayos gamma.
Midiendo los neutrones, es posible calcular la abundancia de hidrógeno, infiriendo así la presencia de agua. Los detectores de neutrones son sensibles a las concentraciones de hidrógeno en el metro superior de la superficie. Cuando los rayos cósmicos golpean la superficie de Marte, los neutrones y los rayos gamma salen del suelo. El GRS midió sus energías. [2] Ciertas energías son producidas por el hidrógeno. Dado que el hidrógeno está presente muy probablemente en forma de hielo de agua, el espectrómetro podrá medir directamente la cantidad de hielo permanente en el suelo y cómo cambia con las estaciones. Como una pala virtual que "excava" en la superficie, el espectrómetro permitirá a los científicos mirar dentro de este subsuelo poco profundo de Marte y medir la existencia de hidrógeno.
GRS proporcionará datos similares a los de la exitosa misión Lunar Prospector, que nos dijo cuánta cantidad de hidrógeno (y, por tanto, de agua) es probable que haya en la Luna.
El espectrómetro de rayos gamma utilizado en la nave espacial Odyssey consta de cuatro componentes principales: el cabezal del sensor gamma, el espectrómetro de neutrones, el detector de neutrones de alta energía y el conjunto electrónico central. El cabezal del sensor está separado del resto de la nave espacial por un brazo de 6,2 metros (20 pies), que se extendió después de que Odyssey entrara en la órbita de mapeo en Marte. Esta maniobra se realiza para minimizar la interferencia de los rayos gamma que provengan de la propia nave espacial. La actividad inicial del espectrómetro, que duró entre 15 y 40 días, realizó una calibración del instrumento antes de desplegar el brazo. Después de unos 100 días de la misión de mapeo, se desplegó el brazo y permaneció en esta posición durante toda la misión. Los dos detectores de neutrones (el espectrómetro de neutrones y el detector de neutrones de alta energía) están montados en la estructura principal de la nave espacial y funcionan de forma continua durante toda la misión de mapeo.
El espectrómetro de rayos gamma pesa 30,5 kilogramos (67,2 libras) y consume 32 vatios de potencia. Junto con su enfriador, mide 468 por 534 por 604 mm (18,4 por 21,0 por 23,8 pulgadas). El detector es un fotodiodo hecho de un cristal de germanio de 1,2 kg, polarizado inversamente a unos 3 kilovoltios, montado en el extremo de un brazo de seis metros para minimizar las interferencias de la radiación gamma producida por la propia nave espacial. Su resolución espacial es de unos 300 km. [3] [4]
El espectrómetro de neutrones mide 173 x 144 x 314 mm (6,8 x 5,7 x 12,4 pulgadas).
El detector de neutrones de alta energía mide 303 x 248 x 242 mm (11,9 x 9,8 x 9,5 pulgadas). La caja electrónica central del instrumento mide 281 x 243 x 234 mm (11,1 x 9,6 x 9,2 pulgadas).