Spectromètre gamma - Gamma-ray spectrometer
Un spectromètre gamma (GRS) est un instrument permettant de mesurer la distribution (ou spectre —voir figure ) de l'intensité du rayonnement gamma en fonction de l'énergie de chaque photon . L'étude et l'analyse des spectres de rayons gamma à des fins scientifiques et techniques s'appellent la spectroscopie gamma , et les spectromètres de rayons gamma sont les instruments qui observent et collectent ces données. Parce que l'énergie de chaque photon du rayonnement EM est proportionnelle à sa fréquence, les rayons gamma ont une énergie suffisante pour qu'ils soient généralement observés en comptant les photons individuels.
Spectroscopie gamma
Les noyaux atomiques ont une structure de niveau d'énergie quelque peu analogue aux niveaux d'énergie des atomes, de sorte qu'ils peuvent émettre (ou absorber) des photons d'énergies particulières, tout comme le font les atomes, mais à des énergies qui sont des milliers à des millions de fois supérieures à celles généralement étudié en spectroscopie optique. (Notez que l'extrémité haute énergie à courte longueur d'onde, de la gamme d'énergie de la spectroscopie atomique (quelques eV à quelques centaines de keV ), généralement appelée rayons X , chevauche quelque peu l'extrémité inférieure de la gamme des rayons gamma nucléaires (~10 MeV à ~10 keV) de sorte que la terminologie utilisée pour distinguer les rayons X des rayons gamma peut être arbitraire ou ambiguë dans la région de chevauchement.) Comme pour les atomes, les niveaux d'énergie particuliers des noyaux sont caractéristiques de chaque espèce, de sorte que les énergies des photons du les rayons gamma émis, qui correspondent aux différences d'énergie des noyaux, peuvent être utilisés pour identifier des éléments et des isotopes particuliers. La distinction entre les rayons gamma d'énergie légèrement différente est une considération importante dans l'analyse de spectres complexes, et la capacité d'un GRS à le faire est caractérisée par la résolution spectrale de l'instrument , ou la précision avec laquelle l'énergie de chaque photon est mesurée. Les détecteurs à semi-conducteurs, basés sur des éléments de détection refroidis en germanium ou en silicium , se sont avérés inestimables pour de telles applications. Étant donné que le spectre de niveau d'énergie des noyaux s'éteint généralement au-dessus d'environ 10 MeV, les instruments à rayons gamma qui cherchent des énergies encore plus élevées n'observent généralement que des spectres continus, de sorte que la résolution spectrale modérée de la scintillation (souvent l'iodure de sodium (NaI) ou l'iodure de césium, spectromètres CsI), suffit souvent pour de telles applications.
Spectromètres astronomiques
Un certain nombre d'enquêtes ont été menées pour observer les spectres de rayons gamma du Soleil et d'autres sources astronomiques , à la fois galactiques et extra-galactiques. Le spectromètre d'imagerie à rayons gamma , l'expérience à rayons X durs/rayons gamma à basse énergie (A-4) sur HEAO 1 , l'expérience de spectrométrie en rafale et transitoire (BATSE) et l'expérience OSSI (Oriented Scintillation Spectrometer Experiment) sur CGRO , l' instrument à rayons gamma C1 germanium (Ge) sur HEAO 3 et le spectromètre gamma Ge (SPI) sur la mission ESA INTEGRAL sont des exemples de spectromètres cosmiques, tandis que le GRS sur le SMM et le spectromètre imageur Ge sur le satellite RHESSI ont été consacrés aux observations solaires.
Spectromètres gamma planétaires
Les spectromètres à rayons gamma ont été largement utilisés pour l'analyse élémentaire et isotopique des corps du système solaire , en particulier de la Lune et de Mars . Ces surfaces sont soumises à un bombardement continu de rayons cosmiques de haute énergie , qui excitent les noyaux qu'elles contiennent pour émettre des rayons gamma caractéristiques qui peuvent être détectés depuis l'orbite. Ainsi, un instrument en orbite peut en principe cartographier la distribution de surface des éléments pour une planète entière. Les exemples incluent la cartographie de 20 éléments observés lors de l'exploration de Mars, d' Éros et de la Lune . Ils sont généralement associés à des détecteurs de neutrons qui peuvent rechercher de l'eau et de la glace dans le sol en mesurant les neutrons . Ils sont capables de mesurer l'abondance et la distribution d'environ 20 éléments primaires du tableau périodique, notamment le silicium , l' oxygène , le fer , le magnésium , le potassium , l' aluminium , le calcium , le soufre et le carbone . Connaître les éléments qui se trouvent à la surface ou à proximité fournira des informations détaillées sur la façon dont les corps planétaires ont changé au fil du temps. Pour déterminer la composition élémentaire de la surface martienne, Mars Odyssey a utilisé un spectromètre à rayons gamma et deux détecteurs de neutrons.
Les instruments GRS fournissent des données sur la distribution et l'abondance des éléments chimiques, tout comme la mission Lunar Prospector l' a fait sur la lune. Dans ce cas, l'élément chimique thorium a été cartographié, avec des concentrations plus élevées indiquées en jaune/orange/rouge dans l'image de gauche montrée à droite.
Comment fonctionne un GRS
Certaines constructions de compteurs à scintillation peuvent être utilisées comme spectromètres à rayons gamma. L'énergie du photon gamma est discernée à partir de l'intensité du flash du scintillateur , un certain nombre de photons de basse énergie produits par le seul de haute énergie. Une autre approche repose sur l'utilisation de détecteurs au germanium - un cristal de germanium hyperpur qui produit des impulsions proportionnelles à l'énergie des photons capturés ; bien que plus sensible, il doit être refroidi à basse température, nécessitant un appareil cryogénique encombrant . Ordinateur de poche et de nombreux spectromètres gamma de laboratoire sont donc le scintillateur type, la plupart du temps avec thallium - dopé l' iodure de sodium , thallium dopés iodure de césium , ou, plus récemment, le cérium dopé lanthane bromure . A l'inverse, les spectromètres destinés aux missions spatiales sont plutôt du type germanium.
Lorsqu'ils sont exposés à des rayons cosmiques (des particules chargées provenant de l'espace qui pourraient provenir de supernova et de noyaux galactiques actifs ), les éléments chimiques des sols et des roches émettent des signatures d'énergie identifiables de manière unique sous la forme de rayons gamma. Le spectromètre gamma examine ces signatures, ou énergies, provenant des éléments présents dans le sol cible.
En mesurant les rayons gamma provenant du corps cible, il est possible de calculer l'abondance de divers éléments et leur répartition à la surface de la planète. Les rayons gamma, émis par les noyaux des atomes , apparaissent sous forme de raies d'émission nettes sur le spectre de sortie de l'instrument. Alors que l'énergie représentée dans ces émissions détermine quels éléments sont présents, l'intensité du spectre révèle les concentrations d'éléments. Les spectromètres devraient contribuer de manière significative à la compréhension croissante de l'origine et de l'évolution de planètes comme Mars et des processus qui les façonnent aujourd'hui et dans le passé.
Comment les rayons gamma et les neutrons sont-ils produits par les rayons cosmiques ? Les rayons cosmiques entrants – certaines des particules les plus énergétiques – entrent en collision avec le noyau des atomes du sol. Lorsque les noyaux sont touchés par une telle énergie, des neutrons sont libérés, qui se dispersent et entrent en collision avec d'autres noyaux. Les noyaux sont "excités" au cours du processus et émettent des rayons gamma pour libérer l'énergie supplémentaire afin qu'ils puissent revenir à leur état de repos normal. Certains éléments comme le potassium, l' uranium et le thorium sont naturellement radioactifs et émettent des rayons gamma lors de leur désintégration , mais tous les éléments peuvent être excités par des collisions avec des rayons cosmiques pour produire des rayons gamma. Les spectromètres HEND et à neutrons sur GRS détectent directement les neutrons diffusés et le capteur gamma détecte les rayons gamma.
Détection d'eau
En mesurant les neutrons, il est possible de calculer l'abondance d'hydrogène, inférant ainsi la présence d'eau. Les détecteurs de neutrons sont sensibles aux concentrations d'hydrogène dans le mètre supérieur de la surface. Lorsque les rayons cosmiques frappent la surface de Mars, des neutrons et des rayons gamma sortent du sol. Le GRS mesurait leurs énergies. Certaines énergies sont produites par l'hydrogène. L'hydrogène étant très probablement présent sous forme de glace d'eau, le spectromètre pourra mesurer directement la quantité de glace au sol permanente et son évolution au fil des saisons. Telle une pelle virtuelle "creusant" la surface, le spectromètre permettra aux scientifiques de scruter cette sous-surface peu profonde de Mars et de mesurer l'existence d'hydrogène.
GRS fournira des données similaires à celles de la mission réussie Lunar Prospector, qui nous a indiqué la quantité d'hydrogène, et donc d'eau, susceptible de se trouver sur la Lune.
Le spectromètre à rayons gamma utilisé sur le vaisseau spatial Odyssey se compose de quatre composants principaux : la tête du capteur gamma, le spectromètre à neutrons, le détecteur de neutrons à haute énergie et l'ensemble électronique central. La tête du capteur est séparée du reste du vaisseau spatial par une flèche de 6,2 mètres (20 pieds), qui a été prolongée après l'entrée d'Odyssey dans l'orbite cartographique de Mars. Cette manœuvre est effectuée pour minimiser les interférences de tous les rayons gamma provenant du vaisseau spatial lui-même. L'activité initiale du spectromètre, d'une durée comprise entre 15 et 40 jours, a effectué un étalonnage de l'instrument avant le déploiement de la rampe. Après environ 100 jours de mission de cartographie, la perche a été déployée et est restée dans cette position pendant toute la durée de la mission. Les deux détecteurs de neutrons - le spectromètre à neutrons et le détecteur de neutrons à haute énergie - sont montés sur la structure principale de l'engin spatial et fonctionnent en continu tout au long de la mission de cartographie.
Spécifications GRS pour la mission Odyssey
Le spectromètre gamma pèse 30,5 kilogrammes (67,2 lb) et utilise 32 watts de puissance. Avec son refroidisseur, il mesure 468 x 534 x 604 mm (18,4 x 21,0 x 23,8 pouces). Le détecteur est une photodiode constituée d'un cristal de germanium de 1,2 kg, polarisé en inverse à environ 3 kilovolts, monté à l'extrémité d'une perche de six mètres pour minimiser les interférences du rayonnement gamma produit par le vaisseau spatial lui-même. Sa résolution spatiale est d'environ 300 km.
Le spectromètre à neutrons mesure 173 x 144 x 314 mm (6,8 x 5,7 x 12,4 pouces).
Le détecteur de neutrons à haute énergie mesure 303 x 248 x 242 mm (11,9 x 9,8 x 9,5 pouces). Le boîtier électronique central de l'instrument mesure 281 x 243 x 234 mm (11,1 x 9,6 x 9,2 pouces).
Voir également
Les références
Liens externes
- Page Spectromètre à rayons gamma du Jet Propulsion Laboratory de la NASA
- Site de l'instrument Mars Odyssey GRS à l' Université de l'Arizona
- Spectromètre à rayons gamma Apollo 16
- Instruments NEAR Science (y compris GRS)
- GRS du prospecteur lunaire au centre de recherche Ames de la NASA
- GRS du prospecteur lunaire au National Space Science Data Center (NSSDC)