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ガンマ線スペクトロメータ（GRS）は、ガンマ線強度の分布（またはスペクトル、図を参照）を各光子のエネルギーに対して測定する装置です。科学的および技術的な用途のためにガンマ線スペクトルを研究および分析することをガンマ線分光法と呼び、ガンマ線スペクトロメータはそのようなデータを観測および収集する装置です。電磁放射線の各光子のエネルギーはその周波数に比例するため、ガンマ線は十分なエネルギーを持ち、通常は個々の光子を数えることによって観測されます。
原子核は、原子のエネルギー準位とある程度類似したエネルギー準位構造を持つため、原子と同様に特定のエネルギーの光子を放出（または吸収）することができますが、そのエネルギーは、光分光法で通常研究されるエネルギーよりも数千倍から数百万倍も高いものです。（原子分光法のエネルギー範囲の短波長高エネルギー端（数eVから数百keV）の光子は、一般にX 線と呼ばれ、原子核のガンマ線範囲の低エネルギー端（約 10 MeVから約 10 keV）と多少重なるため、重なり合う領域では、X 線とガンマ線を区別するために使用される用語は恣意的または曖昧になる可能性があることに注意してください。）原子と同様に、原子核の特定のエネルギー準位は各種類に固有のものであるため、放出されるガンマ線の光子エネルギー（原子核のエネルギー差に対応）を使用して、特定の元素や同位体を識別することができます。エネルギーがわずかに異なるガンマ線を区別することは、複雑なスペクトルの解析において重要な考慮事項であり、ガンマ線スペクトル分光器（GRS）がそれを区別できるかどうかは、装置のスペクトル分解能、つまり各光子のエネルギーを測定する精度によって決まります。冷却されたゲルマニウムまたはシリコン検出素子に基づく半導体検出器は、このような用途に非常に役立ってきました。原子核のエネルギー準位スペクトルは通常約 10 MeV を超えると消滅するため、さらに高いエネルギーを観測するガンマ線装置は一般的に連続スペクトルのみを観測します。そのため、シンチレーション（多くの場合、ヨウ化ナトリウム（NaI）またはヨウ化セシウム（CsI）分光器）の適度なスペクトル分解能で、このような用途には十分な場合が多いのです。
太陽や銀河系および銀河系外のその他の天体のガンマ線スペクトルを観測するために、数多くの調査が行われてきました。ガンマ線イメージング分光計、 HEAO 1の硬 X 線/低エネルギー ガンマ線実験 (A-4) 、 CGROのバーストおよび過渡分光実験 (BATSE) および OSSI (指向性シンチレーション分光計実験) 、 HEAO 3のC1ゲルマニウム(Ge) ガンマ線装置、 ESA INTEGRALミッションの Ge ガンマ線分光計 (SPI) は宇宙分光計の例であり、一方、 SMMの GRSおよび RHESSI 衛星の撮像 Ge 分光計は太陽観測に特化しています。
ガンマ線スペクトロメータは、太陽系内の天体、特に月と火星の元素および同位体分析に広く使用されてきました。これらの表面は、高エネルギー宇宙線の絶え間ない照射を受けており、それによって原子核が励起され、軌道上から検出できる特徴的なガンマ線が放出されます。したがって、地球、金星、巨大惑星のように過度に厚い大気を持たない限り、軌道上の機器は原理的に惑星または他の天体全体の元素の表面分布をマッピングすることができます。例としては、火星、エロス、月の探査で観測された20の元素のマッピングが挙げられます。[ 1 ]これらは通常、中性子を測定することで土壌中の水や氷を探すことができる中性子検出器と関連付けられています。探査機は、ケイ素、酸素、鉄、マグネシウム、カリウム、アルミニウム、カルシウム、硫黄、炭素など、周期表の約20種類の主要元素の存在量と分布を測定することができます。惑星の表面またはその近傍にどのような元素が存在するかを知ることで、惑星が時間の経過とともにどのように変化してきたかについての詳細な情報が得られます。火星表面の元素組成を決定するために、マーズ・オデッセイはガンマ線分光計と2つの中性子検出器を使用します。
GRSの観測機器は、月探査機ルナ・プロスペクターが月面で行ったのと同様に、化学元素の分布と存在量に関するデータを提供する。この例では、化学元素トリウムの分布がマッピングされており、左の画像では高濃度部分が黄色、オレンジ色、赤色で示されている。
シンチレーションカウンターの構造によっては、ガンマ線スペクトロメータとして使用できるものもあります。ガンマ光子のエネルギーは、シンチレータの閃光の強度から判別されます。閃光とは、単一の高エネルギー光子によって生成される多数の低エネルギー光子のことです。別の方法としては、ゲルマニウム検出器を使用する方法があります。ゲルマニウム検出器は、捕捉された光子のエネルギーに比例したパルスを生成する超高純度ゲルマニウム結晶です。感度は高いものの、低温に冷却する必要があり、大型の極低温装置が必要となります。そのため、携帯型および多くの実験室用ガンマ線スペクトロメータはシンチレータ型であり、主にタリウム添加ヨウ化ナトリウム、 タリウム添加ヨウ化セシウム、あるいは近年ではセリウム添加臭化ランタンが用いられています。一方、宇宙ミッション用のスペクトロメータは、ゲルマニウム型が主流です。
宇宙線（超新星や活動銀河核に由来すると考えられている宇宙からの荷電粒子）にさらされると、土壌や岩石中の化学元素は、ガンマ線という形で固有のエネルギー特性を放出します。ガンマ線スペクトロメーターは、対象となる土壌中に存在する元素から放出されるこれらの特性、すなわちエネルギーを測定します。
対象天体から放出されるガンマ線を測定することで、様々な元素の存在量や惑星表面における分布状況を算出することが可能です。原子核から放出されるガンマ線は、測定装置のスペクトル出力において鋭い輝線として現れます。これらの輝線に含まれるエネルギーによって存在する元素の種類が分かり、スペクトルの強度によって元素の濃度が明らかになります。分光計は、火星のような惑星の起源と進化、そして現在および過去における惑星形成過程に関する理解を深める上で、非常に重要な役割を果たすと期待されています。
ガンマ線と中性子は宇宙線によって生成されます。入射する宇宙線（最もエネルギーの高い粒子の1つ）は、土壌中の原子核と衝突します。原子核がこのようなエネルギーに衝突すると、中性子が放出され、散乱して他の原子核と衝突します。この過程で原子核は「励起」され、余分なエネルギーを放出するためにガンマ線を放出し、元の静止状態に戻ります。カリウム、ウラン、トリウムなどの一部の元素は自然に放射性で、崩壊時にガンマ線を放出しますが、すべての元素は宇宙線との衝突によって励起され、ガンマ線を生成する可能性があります。GRSに搭載されているHENDと中性子スペクトロメータは散乱中性子を直接検出し、ガンマセンサーはガンマ線を検出します。
中性子を測定することで、水素の存在量を計算し、それによって水の存在を推測することができます。中性子検出器は、地表から 1 メートル以内の水素濃度に感度があります。宇宙線が火星の地表に当たると、土壌から中性子とガンマ線が放出されます。GRS はそれらのエネルギーを測定しました。[ 2 ] 水素によって特定のエネルギーが生成されます。水素は水氷の形で存在する可能性が最も高いため、分光計は永久地氷の量と季節による変化を直接測定することができます。仮想のシャベルが地表を「掘り進む」ように、分光計は科学者が火星の浅い地表下を覗き込み、水素の存在を測定することを可能にします。
GRSは、成功を収めた月探査機ルナ・プロスペクターのミッションと同様のデータを提供する予定であり、ルナ・プロスペクターのミッションによって、月面にどれくらいの水素、ひいては水が存在する可能性が高いかが明らかになった。
オデッセイ探査機に搭載されているガンマ線分光計は、ガンマ線センサーヘッド、中性子分光計、高エネルギー中性子検出器、中央電子機器アセンブリの4つの主要コンポーネントで構成されています。センサーヘッドは、 オデッセイが火星のマッピング軌道に入った後に展開された6.2メートル（20フィート）のブームによって探査機本体から分離されています。この操作は、探査機自体から発せられるガンマ線による干渉を最小限に抑えるために行われます。15日から40日間続く初期の分光計の動作では、ブーム展開前に機器の校正が行われました。マッピングミッション開始から約100日後、ブームが展開され、ミッション期間中この位置に留まりました。中性子分光計と高エネルギー中性子検出器の2つの中性子検出器は、探査機本体に取り付けられ、マッピングミッション中は継続的に動作しました。
ガンマ線スペクトロメータの重量は30.5キログラム（67.2 ポンド）で、32ワットの電力を使用します。冷却器を含めた寸法は468×534×604 mm（18.4×21.0×23.8インチ）です。検出器は1.2 kgのゲルマニウム結晶で作られたフォトダイオード で、約3キロボルトに逆バイアスされており、宇宙船自体から発生するガンマ線による干渉を最小限に抑えるために6メートルのブームの先端に取り付けられています。空間分解能は約300 kmです。[ 3 ] [ 4 ]
中性子分光計の寸法は173×144×314mm （6.8×5.7×12.4インチ）です。
高エネルギー中性子検出器の寸法は303×248×242mm （11.9×9.8×9.5インチ）です。装置の中央電子機器ボックスの寸法は281×243×234mm （11.1×9.6×9.2インチ）です。