Un espectrómetro de rayos gamma (GRS) es un instrumento para medir la distribución (o espectro , ver figura ) de la intensidad de la radiación gamma versus 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 EM es proporcional a su frecuencia, los rayos gamma tienen suficiente energía como para observarlos normalmente contando fotones individuales.
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 típicamente. estudiado en espectroscopia óptica. (Tenga en cuenta que el extremo de alta energía de longitud de onda corta, del rango de energía de la espectroscopia atómica (de unos pocos eV a unos pocos cientos de keV ), generalmente denominado rayos X , se superpone un poco con el extremo inferior del rango de rayos gamma nuclear (~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 de los fotones Los rayos gamma emitidos, que corresponden a las diferencias de energía de los núcleos, pueden utilizarse para identificar elementos e isótopos concretos. 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 semiconductores, basados en elementos detectores de silicio o germanio enfriados , han resultado de gran valor para tales aplicaciones. Debido a que el espectro del nivel de energía de los núcleos generalmente desaparece 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 del centelleo (a menudo yoduro de sodio (NaI) o yoduro de cesio, ( CsI) espectrómetros), a menudo es suficiente para tales aplicaciones.
Se han realizado 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 transitoria y de ráfagas (BATSE) y el OSSI (Experimento de espectrómetro de centelleo orientado) en CGRO . el instrumento de rayos gamma C1 de germanio (Ge) en HEAO 3 y el espectrómetro de rayos gamma (SPI) Ge en la misión INTEGRAL de la ESA son ejemplos de espectrómetros cósmicos, mientras que el GRS en el SMM y el espectrómetro de imágenes Ge en el satélite RHESSI. se han dedicado a las observaciones solares.
Los espectrómetros de rayos gamma han sido ampliamente utilizados para el análisis elemental e isotópico de 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 que se encuentran en ellas y emiten rayos gamma característicos que pueden detectarse desde la órbita. Así, un instrumento en órbita puede, en principio, cartografiar la distribución superficial de los elementos de 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, están asociados con detectores de neutrones que pueden buscar agua y hielo en el suelo midiendo neutrones . Son capaces de medir la abundancia y distribución de unos 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 los cuerpos planetarios han cambiado con el tiempo. Para determinar la composición elemental de la superficie marciana, Mars Odyssey utilizó un espectrómetro de rayos gamma y dos detectores de neutrones.
Los instrumentos GRS proporcionan datos sobre la distribución y abundancia de elementos químicos, de forma muy parecida a como lo hizo la misión Lunar Prospector en la Luna. En este caso, se mapeó el elemento químico torio , y las concentraciones más altas se muestran en amarillo/naranja/rojo en la imagen de la izquierda.
Algunas construcciones de contadores de centelleo pueden utilizarse como espectrómetros de rayos gamma. La energía del fotón gamma se distingue a partir de la intensidad del destello del centelleador , una serie de fotones de baja energía producidos por uno 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; si bien 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 . Por el contrario, los espectrómetros utilizados en misiones espaciales suelen ser del tipo germanio.
Cuando se exponen a los rayos cósmicos (partículas cargadas del espacio que se cree que posiblemente se originan en supernovas y núcleos galácticos activos ), los elementos químicos en los suelos y las rocas emiten firmas de energía únicamente identificables en forma de rayos gamma. El espectrómetro de rayos gamma observa estas firmas, o energías, provenientes de los elementos presentes en el suelo objetivo.
Midiendo los rayos gamma procedentes del cuerpo objetivo, es posible calcular la abundancia de diversos elementos y cómo se distribuyen por 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. Mientras que la energía representada en estas emisiones determina qué elementos están presentes, la intensidad del espectro revela las concentraciones de los 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 les dan forma 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 del suelo. Cuando los núcleos reciben 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 y poder 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 excitarse mediante colisiones con rayos cósmicos para producir rayos gamma. Los espectrómetros de neutrones y HEND del GRS detectan directamente neutrones dispersos y el sensor gamma detecta los rayos gamma.
Midiendo 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 lo más probable es que el hidrógeno esté presente en forma de hielo de agua, el espectrómetro podrá medir directamente la cantidad de hielo terrestre permanente y cómo cambia con las estaciones. Como una pala virtual que "excava" la superficie, el espectrómetro permitirá a los científicos observar el 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 cuánto hidrógeno y, por tanto, 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 cartográfica de Marte. Esta maniobra se realiza para minimizar la interferencia de los rayos gamma provenientes de la propia nave espacial. La actividad inicial del espectrómetro, que duró entre 15 y 40 días, realizó una calibración del instrumento antes de que se desplegara el boom. Después de unos 100 días de la misión de mapeo, la barrera se desplegó y permaneció en esta posición durante la duración de 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 cartográfica.
El espectrómetro de rayos gamma pesa 30,5 kilogramos (67,2 libras) y utiliza 32 vatios de potencia. Junto con su refrigerador, 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, con polarización inversa de 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 por 144 por 314 mm (6,8 por 5,7 por 12,4 pulgadas).
El detector de neutrones de alta energía mide 303 por 248 por 242 mm (11,9 por 9,8 por 9,5 pulgadas). La caja electrónica central del instrumento mide 281 por 243 por 234 mm (11,1 por 9,6 por 9,2 pulgadas).
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