गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर

एक गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर (जीआरएस) प्रत्येक फोटॉन की ऊर्जा बनाम गामा विकिरण की तीव्रता के वितरण (या स्पेक्ट्रम-देखें गामा स्पेक्ट्रोस्कोपी # सिंटिलेशन डिटेक्टर) को मापने के लिए एक उपकरण है। वैज्ञानिक और तकनीकी उपयोग के लिए गामा-रे स्पेक्ट्रा के अध्ययन और विश्लेषण को गामा स्पेक्ट्रोस्कोपी कहा जाता है, और गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर ऐसे उपकरण हैं जो ऐसे डेटा का निरीक्षण और संग्रह करते हैं। क्योंकि EM विकिरण के प्रत्येक फोटॉन की ऊर्जा इसकी आवृत्ति के समानुपाती होती है, गामा किरणों में पर्याप्त ऊर्जा होती है, जिसे सामान्यतः अलग-अलग फोटोन की गिनती करके देखा जाता है।

गामा-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी
परमाणु परमाणु नाभिक में ऊर्जा-स्तर की संरचना कुछ हद तक परमाणुओं के ऊर्जा स्तर के अनुरूप होती है, जिससे वे विशेष ऊर्जा के फोटॉन उत्सर्जित (या अवशोषित) कर सकें, जितना कि परमाणु करते हैं, किन्तु उन ऊर्जाओं पर जो उनसे हजारों से लाखों गुना अधिक हैं सामान्यतः ऑप्टिकल स्पेक्ट्रोस्कोपी में अध्ययन किया जाता है। (ध्यान दें कि परमाणु स्पेक्ट्रोस्कोपी ऊर्जा रेंज (कुछ इलेक्ट्रॉनवोल्ट से कुछ सौ कीवी तक) की लघु-तरंग दैर्ध्य उच्च-ऊर्जा अंत, जिसे सामान्यतः एक्स-रे कहा जाता है, परमाणु गामा-रे रेंज (~ 10 MeV) के कम अंत के साथ कुछ हद तक ओवरलैप करता है। ~ 10 keV) जिससे गामा किरणों से एक्स-रे को अलग करने के लिए उपयोग की जाने वाली शब्दावली ओवरलैप क्षेत्र में मनमाना या अस्पष्ट हो।) परमाणुओं के साथ, नाभिक के विशेष ऊर्जा स्तर प्रत्येक प्रजाति की विशेषता हैं, जिससे उत्सर्जित गामा किरणों की फोटॉन ऊर्जा, जो नाभिक के ऊर्जा अंतर के अनुरूप हो, का उपयोग विशेष तत्वों और समस्थानिकों की पहचान के लिए किया जा सकता है। थोड़ा अलग ऊर्जा की गामा-किरणों के बीच अंतर जटिल स्पेक्ट्रा के विश्लेषण में एक महत्वपूर्ण विचार है, और ऐसा करने के लिए जीआरएस की क्षमता को उपकरण के वर्णक्रमीय संकल्प, या त्रुटिहीनता के साथ प्रत्येक फोटॉन की ऊर्जा को मापा जाता है। कूल्ड जर्मेनियम या सिलिकॉन डिटेक्टिंग तत्वों पर आधारित सेमी-कंडक्टर डिटेक्टर ऐसे अनुप्रयोगों के लिए अमूल्य हैं। क्योंकि नाभिक का ऊर्जा स्तर स्पेक्ट्रम सामान्यतः लगभग 10 MeV से ऊपर मर जाता है, गामा-किरण उपकरण अभी भी उच्च ऊर्जा की तलाश में सामान्यतः केवल सातत्य स्पेक्ट्रा का निरीक्षण करते हैं, जिससे जगमगाहट (भौतिकी) (अधिकांशतः सोडियम आयोडाइड (NaI) या सीज़ियम का मध्यम वर्णक्रमीय संकल्प आयोडाइड, (सीएसआई) स्पेक्ट्रोमीटर), अधिकांशतः ऐसे अनुप्रयोगों के लिए पर्याप्त होते हैं।

खगोलीय स्पेक्ट्रोमीटर
सूर्य के गामा-रे स्पेक्ट्रा और अन्य खगोलीय स्रोतों, गांगेय और अतिरिक्त-गैलेक्टिक दोनों का निरीक्षण करने के लिए कई जांच की गई हैं। गामा-रे इमेजिंग स्पेक्ट्रोमीटर, हार्ड एक्स-रे/लो-एनर्जी गामा-रे प्रयोग (A-4) HEAO 1 पर, बर्स्ट एंड ट्रांसिएंट स्पेक्ट्रोमेट्री एक्सपेरिमेंट (BATSE) और CGRO पर OSSI (ओरिएंटेड सिंटिलेशन स्पेक्ट्रोमीटर प्रयोग), HEAO 3 पर C1 जर्मेनियम (Ge) गामा-रे उपकरण, और ESA अभिन्न मिशन पर Ge गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर (SPI) ब्रह्मांडीय स्पेक्ट्रोमीटर के उदाहरण हैं, जबकि सौर अधिकतम मिशन पर GRS और इमेजिंग Ge स्पेक्ट्रोमीटर RHESSI उपग्रह सौर प्रेक्षणों के लिए समर्पित है।

ग्रह गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर
गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर का व्यापक रूप से सौर मंडल में निकायों, विशेष रूप से चंद्रमा और मंगल के मौलिक और समस्थानिक विश्लेषण के लिए उपयोग किया जाता है। इन सतहों पर उच्च-ऊर्जा ब्रह्मांडीय किरणों की लगातार बमबारी होती है, जो उनमें नाभिक को विशिष्ट गामा-किरणों का उत्सर्जन करने के लिए उत्तेजित करती हैं जिन्हें कक्षा से पता लगाया जा सकता है। इस प्रकार एक परिक्रमा करने वाला उपकरण सैद्धांतिक रूप से पूरे ग्रह के लिए तत्वों के सतही वितरण का मानचित्रण कर सकता है। उदाहरणों में मंगल, 433 इरोस और चंद्रमा के अन्वेषण में देखे गए 20 रासायनिक तत्वों की मैपिंग सम्मलित है। वे सामान्यतः न्यूट्रॉन डिटेक्टरों से जुड़े होते हैं जो न्यूट्रॉन को मापकर मिट्टी में पानी और बर्फ की तलाश कर सकते हैं। वे सिलिकॉन, ऑक्सीजन, लोहा, मैगनीशियम, पोटैशियम, अल्युमीनियम, कैल्शियम, गंधक और कार्बन सहित आवर्त सारणी के लगभग 20 प्राथमिक तत्वों की प्रचुरता और वितरण को मापने में सक्षम हैं। सतह पर या उसके पास कौन से तत्व हैं, यह जानने से विस्तृत जानकारी मिलेगी कि समय के साथ ग्रहों के पिंड कैसे बदल गए हैं। मंगल ग्रह की सतह के तात्विक श्रृंगार को निर्धारित करने के लिए, मंगल ओडिसी ने एक गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर और दो न्यूट्रॉन डिटेक्टरों का उपयोग किया।

जीआरएस उपकरण रासायनिक तत्वों के वितरण और प्रचुरता पर डेटा की आपूर्ति करते हैं, ठीक वैसे ही जैसे लूनर प्रॉस्पेक्टर मिशन ने चंद्रमा पर किया था। इस स्थिति में, रासायनिक तत्व थोरियम को मैप किया गया था, जिसमें दाईं ओर दिखाई गई बाईं ओर की छवि में पीले/नारंगी/लाल रंग में उच्च सांद्रता दिखाई गई थी।

जीआरएस कैसे काम करता है
जगमगाहट काउंटरों के कुछ निर्माण गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर के रूप में उपयोग किए जा सकते हैं। गामा फोटॉन ऊर्जा को सिंटिलेटर के फ्लैश की तीव्रता से पहचाना जाता है, एकल उच्च-ऊर्जा वाले कई कम-ऊर्जा वाले फोटॉन। एक अन्य दृष्टिकोण जर्मेनियम डिटेक्टरों का उपयोग करने पर निर्भर करता है - हाइपरप्योर जर्मेनियम का एक क्रिस्टल जो कैप्चर की गई फोटॉन ऊर्जा के अनुपात में दालों का उत्पादन करता है; अधिक संवेदनशील होते हुए, इसे कम तापमान पर ठंडा करना पड़ता है, जिसके लिए भारी क्रायोजेनिक उपकरण की आवश्यकता होती है। हैंडहेल्ड और कई प्रयोगशाला गामा स्पेक्ट्रोमीटर इसलिए स्किंटिलेटर प्रकार के होते हैं, ज्यादातर थालियम-डोपिंग (अर्धचालक) सोडियम आयोडाइड, थैलियम-डोप्ड सीज़ियम आयोडाइड, या हाल ही में, मोम डोप्ड लेण्टेनियुम ब्रोमाइड के साथ। अंतरिक्ष मिशन के लिए स्पेक्ट्रोमीटर इसके विपरीत जर्मेनियम प्रकार के होते हैं।

ब्रह्मांडीय किरणों (अंतरिक्ष से आवेशित कण संभवतः सुपरनोवा और सक्रिय गैलेक्टिक नाभिक में उत्पन्न होते हैं) के संपर्क में आने पर, मिट्टी और चट्टानों में रासायनिक तत्व गामा किरणों के रूप में ऊर्जा के विशिष्ट पहचान योग्य संकेतों का उत्सर्जन करते हैं। गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर लक्ष्य मिट्टी में उपस्थित तत्वों से आने वाले इन हस्ताक्षरों या ऊर्जाओं को देखता है।

लक्ष्य पिंड से आने वाली गामा किरणों को मापकर, विभिन्न तत्वों की प्रचुरता और उन्हें ग्रह की सतह के चारों ओर कैसे वितरित किया जाता है, इसकी गणना करना संभव है। गामा किरणें, परमाणुओं के परमाणु नाभिक से उत्सर्जित होती हैं, जो उपकरण के स्पेक्ट्रम आउटपुट पर तीव्र उत्सर्जन रेखाओं के रूप में दिखाई देती हैं। जबकि इन उत्सर्जनों में प्रदर्शित ऊर्जा यह निर्धारित करती है कि कौन से तत्व उपस्थित हैं, स्पेक्ट्रम की तीव्रता से तत्वों की सांद्रता का पता चलता है। स्पेक्ट्रोमीटर से मंगल ग्रह जैसे ग्रहों की उत्पत्ति और विकास की बढ़ती समझ और उन्हें आज और अतीत में आकार देने वाली प्रक्रियाओं में महत्वपूर्ण रूप से जोड़ने की उम्मीद है।

ब्रह्मांडीय किरणों द्वारा गामा किरणें और न्यूट्रॉन कैसे उत्पन्न होते हैं? आने वाली ब्रह्मांडीय किरणें—कुछ उच्चतम-ऊर्जा कण—मिट्टी में परमाणुओं के नाभिक (परमाणु संरचना) से टकराती हैं। जब नाभिकों पर ऐसी ऊर्जा से प्रहार किया जाता है, तो न्यूट्रॉन निकलते हैं, जो बिखर जाते हैं और अन्य नाभिकों से टकराते हैं। इस प्रक्रिया में नाभिक उत्तेजित हो जाते हैं, और अतिरिक्त ऊर्जा को मुक्त करने के लिए गामा किरणों का उत्सर्जन करते हैं जिससे वे अपनी सामान्य आराम अवस्था में वापस आ सकें। पोटेशियम, यूरेनियम और थोरियम जैसे कुछ तत्व स्वाभाविक रूप से रेडियोधर्मी होते हैं और रेडियोधर्मी क्षय के रूप में गामा किरणें देते हैं, किन्तु गामा किरणें उत्पन्न करने के लिए सभी तत्व कॉस्मिक किरणों के साथ टकराव से उत्तेजित हो सकते हैं। GRS पर HEND और न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रोमीटर सीधे बिखरे हुए न्यूट्रॉन का पता लगाते हैं, और गामा सेंसर गामा किरणों का पता लगाता है।

पानी का पता लगाना
न्यूट्रॉन को मापकर, हाइड्रोजन की प्रचुरता की गणना करना संभव है, इस प्रकार पानी की उपस्थिति का अनुमान लगाया जा सकता है। न्यूट्रॉन डिटेक्टर सतह के ऊपरी मीटर में हाइड्रोजन की सांद्रता के प्रति संवेदनशील होते हैं। जब कॉस्मिक किरणें मंगल की सतह से टकराती हैं तो मिट्टी से न्यूट्रॉन और गामा-किरणें निकलती हैं। जीआरएस ने उनकी ऊर्जा को मापा। हाइड्रोजन द्वारा कुछ ऊर्जाएँ उत्पन्न होती हैं। चूंकि हाइड्रोजन पानी की बर्फ के रूप में सबसे अधिक उपस्थित है, स्पेक्ट्रोमीटर सीधे स्थायी जमीनी बर्फ की मात्रा को मापने में सक्षम होगा और मौसम के साथ यह कैसे बदलता है। सतह में खुदाई करने वाले एक आभासी फावड़े की तरह, स्पेक्ट्रोमीटर वैज्ञानिकों को मंगल की इस उथली उपसतह में झाँकने और हाइड्रोजन के अस्तित्व को मापने की अनुमति देगा।

जीआरएस सफल लूनर प्रॉस्पेक्टर मिशन के समान डेटा की आपूर्ति करेगा, जिसने हमें बताया कि चंद्रमा पर कितना हाइड्रोजन और इस प्रकार पानी होने की संभावना है।

ओडिसी अंतरिक्ष यान पर उपयोग किए जाने वाले गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर में चार मुख्य घटक होते हैं: गामा सेंसर हेड, न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रोमीटर, उच्च ऊर्जा न्यूट्रॉन डिटेक्टर और केंद्रीय इलेक्ट्रॉनिक्स असेंबली। संवेदक शीर्ष को शेष अंतरिक्ष यान से 6.2 मीटर (20 फीट) बूम द्वारा अलग किया जाता है, जिसे ओडिसी द्वारा मंगल ग्रह पर मानचित्रण कक्षा में प्रवेश करने के बाद बढ़ाया गया था। यह युद्धाभ्यास अंतरिक्ष यान से ही आने वाली किसी भी गामा किरणों के हस्तक्षेप को कम करने के लिए किया जाता है। प्रारंभिक स्पेक्ट्रोमीटर गतिविधि, जो 15 से 40 दिनों के बीच चलती है, ने बूम को प्रणाली करने से पहले एक उपकरण अंशांकन किया। मैपिंग मिशन के लगभग 100 दिनों के बाद, बूम प्रणाली किया गया और मिशन की अवधि के लिए इस स्थिति में बना रहा। दो न्यूट्रॉन डिटेक्टर-न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रोमीटर और उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन डिटेक्टर-मुख्य अंतरिक्ष यान संरचना पर लगाए जाते हैं और मैपिंग मिशन के समय लगातार संचालित होते हैं।

ओडिसी मिशन के लिए जीआरएस विनिर्देश
गामा-रे स्पेक्ट्रोमीटर का वजन 30.5 किलोग्राम (67.2 पाउंड) होता है और यह 32 वाट बिजली का उपयोग करता है। अपने कूलर के साथ, इसका माप 468 गुणा 534 गुणा 604 मिमी (18.4 गुणा 21.0 गुणा 23.8 इंच) है। डिटेक्टर 1.2 किलोग्राम के जर्मेनियम क्रिस्टल से बना एक फोटोडायोड है, जो लगभग 3 किलोवोल्ट के रिवर्स बायस्ड है, जो अंतरिक्ष यान द्वारा उत्पादित गामा विकिरण से हस्तक्षेप को कम करने के लिए छह मीटर बूम के अंत में लगाया जाता है। इसका स्थानिक विभेदन लगभग 300 किमी है। न्यूट्रॉन स्पेक्ट्रोमीटर 173 गुणा 144 गुणा 314 मिमी (6.8 गुणा 5.7 गुणा 12.4 इंच) है।

उच्च-ऊर्जा न्यूट्रॉन डिटेक्टर 303 गुणा 248 गुणा 242 मिमी (11.9 गुणा 9.8 गुणा 9.5 इंच) मापता है। उपकरण का केंद्रीय इलेक्ट्रॉनिक्स बॉक्स 281 गुणा 243 गुणा 234 मिमी (11.1 गुणा 9.6 गुणा 9.2 इंच) है।

यह भी देखें

 * कुल अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी
 * कोलाहल प्रभाव

बाहरी संबंध

 * NASA Jet Propulsion Laboratory Gamma Ray Spectrometer page
 * Mars Odyssey GRS instrument site at the University of Arizona
 * Apollo 16 Gamma Ray Spectrometer
 * NEAR Science instruments (including GRS)
 * Lunar Prospector's GRS at NASA Ames Research Center
 * Lunar Prospector's GRS at National Space Science Data Center (NSSDC)