ガンマ線分光計

ガンマ線分光計(GRS) は、ガンマ放射線の強度と各光子のエネルギーの分布 (またはスペクトル-図を参照) を測定するための機器です。科学的および技術的使用のためのガンマ線スペクトルの研究と分析はガンマ分光法と呼ばれ、ガンマ線分光計はそのようなデータを観測および収集する機器です。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っているため、通常は個々の光子を数えることによって観測されます。

著名なガンマ線分光計としては、Gammasphere、AGATA、GRETINAなどがあります。

原子核は、原子のエネルギーレベルに似たエネルギーレベル構造を持っているため、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）しますが、そのエネルギーは、光学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くなります。（原子分光法のエネルギー範囲（数eVから数百keV）の短波長高エネルギー端の光子は、一般にX 線と呼ばれ、原子核ガンマ線範囲（約 10 MeVから約 10 keV ）の低エネルギー端と多少重なり合うため、重なり合う領域では X 線とガンマ線を区別する用語が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レベルはそれぞれの種に特徴的であるため、放出されるガンマ線の光子エネルギーは原子核のエネルギー差に対応し、特定の元素や同位体を識別するために使用できます。わずかに異なるエネルギーを持つガンマ線を区別することは、複雑なスペクトルを分析する際に重要な考慮事項であり、GRS のその能力は、機器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特徴付けられます。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ちます。原子核のエネルギー レベル スペクトルは一般に約 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機器は一般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) 分光計) の中程度のスペクトル分解能で、このような用途には十分であることが多いです。

太陽や銀河系内外のその他の天体からのガンマ線スペクトルを観測する研究が数多く行われてきました。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測定実験 (BATSE) と 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) ガンマ線計測器、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と RHESSI 衛星のイメージング Ge 分光計は太陽観測に使用されています。

ガンマ線分光計は、太陽系の天体、特に月と火星の元素分析や同位体分析に広く使用されている。これらの表面は高エネルギー宇宙線の継続的な照射を受けており、その放射線が天体中の原子核を励起して特徴的なガンマ線を放出し、これを軌道から検出できる。したがって、軌道上の機器は原理的には惑星全体の表面元素分布をマッピングすることができる。例としては、火星、エロス、月の探査で観測された20元素のマッピングがある。^[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している。これらは、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の主要元素の存在量と分布を測定できる。表面または表面近くにある元素がわかれば、惑星が時間の経過とともにどのように変化したかについての詳細な情報が得られる。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した。

GRS 機器は、ルナ・プロスペクターミッションが月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します。この場合、化学元素トリウムがマッピングされ、左側の画像では高濃度が黄色/オレンジ色/赤色で示されています。

シンチレーションカウンタの一部の構造は、ガンマ線分光計として使用できます。ガンマ光子のエネルギーは、シンチレータのフラッシュの強度、つまり単一の高エネルギー光子によって生成される低エネルギー光子の数から識別されます。別のアプローチは、ゲルマニウム検出器を使用することです。これは、捕捉した光子エネルギーに比例したパルスを生成する超純粋ゲルマニウムの結晶です。感度は高くなりますが、低温に冷却する必要があり、かさばる極低温装置が必要になります。したがって、携帯型および多くの研究室用ガンマ分光計はシンチレータ型であり、ほとんどがタリウムをドープした ヨウ化ナトリウム、タリウムをドープしたヨウ化セシウム、または最近ではセリウムをドープした臭化ランタンを使用しています。宇宙ミッション用の分光計は、逆にゲルマニウム型になる傾向があります。

宇宙線（超新星や活動銀河核から発生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、土壌や岩石に含まれる化学元素は、ガンマ線の形で、一意に識別可能なエネルギー特性を放出します。ガンマ線分光計は、対象の土壌に存在する元素から発生するこれらの特性、つまりエネルギーを調べます。

対象天体から放射されるガンマ線を測定することで、さまざまな元素の存在量と、それらが惑星の表面にどのように分布しているかを計算することができます。原子核から放射されるガンマ線は、機器のスペクトル出力に鋭い輝線として現れます。これらの放射に表されるエネルギーによってどの元素が存在するかが決まり、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、火星などの惑星の起源と進化、そして現在および過去にそれらの惑星を形成したプロセスに関する理解の深まりに大きく貢献する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一部)は、土壌の原子核と衝突します。原子核がそのようなエネルギーを受けると、中性子が放出され、散乱して他の原子核と衝突します。原子核はその過程で「励起」され、ガンマ線を放出して余分なエネルギーを解放し、通常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あり、崩壊するとき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、ガンマ線を生成します。GRS の HEND と中性子分光計は散乱した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、水の存在を推測することができます。中性子検出器は、表面の上部1メートルの水素濃度に敏感です。宇宙線が火星の表面に当たると、中性子とガンマ線が土壌から出てきます。GRSはそれらのエネルギーを測定しました。^[2] 特定のエネルギーは水素によって生成されます。水素は水の氷の形で存在する可能性が高いため、分光計は永久地氷の量と季節による変化を直接測定できます。表面を「掘り起こす」仮想シャベルのように、科学者は分光計を使用して火星のこの浅い地下を覗き込み、水素の存在を測定できます。

GRS は、月面に水素、ひいては水がどの程度存在する可能性があるかを示した、成功した Lunar Prospector ミッションのデータと同様のデータを提供します。

オデッセイ宇宙船で使用されているガンマ線分光計は、ガンマセンサーヘッド、中性子分光計、高エネルギー中性子検出器、中央電子部品の 4 つの主要部品で構成されています。センサーヘッドは、6.2 メートル (20 フィート) のブームによって宇宙船の残りの部分から分離されています。このブームは、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ました。この操作は、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行われます。15 日から 40 日間続いた最初の分光計の動作では、ブームを展開する前に機器の較正を行いました。マッピングミッションの約 100 日後、ブームが展開され、ミッションの期間中この位置のままでした。2 つの中性子検出器 (中性子分光計と高エネルギー中性子検出器) は、宇宙船のメイン構造に取り付けられ、マッピングミッション中は継続的に動作します。

ガンマ線分光計の重量は 30.5 キログラム (67.2 ポンド)、消費電力は 32 ワットです。冷却装置を含めたサイズは 468 x 534 x 604 mm (18.4 x 21.0 x 23.8 インチ) です。検出器は 1.2 kg のゲルマニウム結晶ででき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、宇宙船自体が発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]}

中性子分光計のサイズは 173 x 144 x 314 mm (6.8 x 5.7 x 12.4 インチ) です。

高エネルギー中性子検出器の寸法は 303 x 248 x 242 mm (11.9 x 9.8 x 9.5 インチ) です。装置の中央電子ボックスの寸法は 281 x 243 x 234 mm (11.1 x 9.6 x 9.2 インチ) です。

• 全吸収分光法
• パンデモニウム効果

• NASAジェット推進研究所ガンマ線分光計ページ
• マーズ・オデッセイのGRS機器サイトアリゾナ大学のWayback Machineに2019年5月5日にアーカイブ
• アポロ16号ガンマ線分光計
• NEAR 科学機器 (GRS を含む)
• NASAエイムズ研究センターのルナ・プロスペクターの GRS
• 国立宇宙科学データセンター (NSSDC) の Lunar Prospector の GRS