مطياف أشعة جاما

مطياف أشعة غاما ( GRS) هو جهاز لقياس توزيع (أو طيف - انظر الشكل ) شدة إشعاع غاما مقابل طاقة كل فوتون . تُسمى دراسة وتحليل أطياف أشعة غاما للاستخدامات العلمية والتقنية بعلم مطيافية غاما ، ومطيافات أشعة غاما هي الأجهزة التي ترصد وتجمع هذه البيانات. ولأن طاقة كل فوتون من الإشعاع الكهرومغناطيسي تتناسب طرديًا مع تردده، فإن أشعة غاما تمتلك طاقة كافية لرصدها عادةً عن طريق عدّ الفوتونات الفردية.

من بين أجهزة قياس طيف أشعة جاما البارزة: جاماسفير ، وأجاتا ، وجريتينا .

مطيافية أشعة غاما

تمتلك النوى الذرية بنية مستويات طاقة مشابهة إلى حد ما لمستويات طاقة الذرات، بحيث يمكنها أن تصدر (أو تمتص) فوتونات ذات طاقات معينة، كما تفعل الذرات، ولكن بطاقات أعلى بآلاف إلى ملايين المرات من تلك التي يتم دراستها عادة في التحليل الطيفي البصري . (تجدر الإشارة إلى أن الفوتونات ذات الطاقة العالية والطول الموجي القصير في الطرف ذي الطاقة العالية من نطاق طاقة التحليل الطيفي الذري (من بضعة إلكترون فولت إلى بضع مئات من الكيلو إلكترون فولت )، والتي تُسمى عمومًا بالأشعة السينية ، تتداخل جزئيًا مع الطرف الأدنى من نطاق أشعة غاما النووية (من حوالي 10 ميغا إلكترون فولت إلى حوالي 10 كيلو إلكترون فولت)، ولذلك قد يكون المصطلح المستخدم للتمييز بين الأشعة السينية وأشعة غاما اعتباطيًا أو غامضًا في منطقة التداخل). وكما هو الحال مع الذرات، فإن مستويات الطاقة الخاصة بالنوى مميزة لكل نوع، وبالتالي يمكن استخدام طاقات فوتونات أشعة غاما المنبعثة، والتي تتوافق مع فروق الطاقة بين النوى، لتحديد عناصر ونظائر معينة. ويُعد التمييز بين أشعة غاما ذات الطاقات المختلفة قليلاً أمرًا بالغ الأهمية في تحليل الأطياف المعقدة، وتتحدد قدرة مطياف أشعة غاما على القيام بذلك من خلال الدقة الطيفية للجهاز ، أو دقة قياس طاقة كل فوتون. تُعدّ كواشف أشباه الموصلات، القائمة على عناصر كشف من الجرمانيوم أو السيليكون المبرد ، ذات قيمة بالغة في مثل هذه التطبيقات. ولأن طيف مستويات طاقة النوى يتلاشى عادةً فوق 10 ميغا إلكترون فولت تقريبًا، فإن أجهزة أشعة غاما التي تسعى إلى رصد طاقات أعلى لا ترصد عمومًا سوى أطياف متصلة، ولذلك فإن الدقة الطيفية المتوسطة للوميض (غالبًا مطيافات يوديد الصوديوم (NaI) أو يوديد السيزيوم (CsI)) تكفي في كثير من الأحيان لمثل هذه التطبيقات.

أجهزة قياس الطيف الفلكية

أُجريت العديد من الدراسات لرصد أطياف أشعة غاما الصادرة من الشمس ومصادر فلكية أخرى ، سواء داخل المجرة أو خارجها. ومن أمثلة أجهزة قياس الطيف الكونية: مطياف تصوير أشعة غاما ، وتجربة الأشعة السينية الصلبة/أشعة غاما منخفضة الطاقة (A-4) على متن مرصد HEAO 1 ، وتجربة قياس طيف الانفجارات والظواهر العابرة (BATSE)، وتجربة مطياف الوميض الموجه (OSSI) على متن مرصد CGRO ، وجهاز أشعة غاما من الجرمانيوم (Ge) C1 على متن مرصد HEAO 3 ، ومطياف أشعة غاما من الجرمانيوم (SPI) على متن مهمة INTEGRAL التابعة لوكالة الفضاء الأوروبية. في حين خُصص مطياف أشعة غاما (GRS) على متن مرصد SMM ومطياف تصوير الجرمانيوم على متن القمر الصناعي RHESSI لرصد الشمس.

أجهزة قياس طيف أشعة غاما الكوكبية

خريطة مستكشف القمر لعنصر الثوريوم على سطح القمر

تُستخدم مطيافات أشعة غاما على نطاق واسع في التحليل العنصري والنظائري للأجرام السماوية في النظام الشمسي ، وخاصة القمر والمريخ . تتعرض هذه الأسطح لقصف مستمر من الأشعة الكونية عالية الطاقة ، التي تُثير نوى الذرات فيها لتُصدر أشعة غاما مميزة يُمكن رصدها من المدار. وبالتالي، يُمكن لجهاز يدور في مداره، من حيث المبدأ، رسم خريطة لتوزيع العناصر على سطح كوكب بأكمله أو أي جرم سماوي آخر، شريطة ألا يمتلك غلافًا جويًا كثيفًا للغاية كما هو الحال مع الأرض والزهرة والكواكب العملاقة . ومن الأمثلة على ذلك رسم خرائط لعشرين عنصرًا رُصدت خلال استكشاف المريخ وإيروس والقمر . ^[¹ ] وعادةً ما تُستخدم هذه المطيافات مع كاشفات النيوترونات التي تستطيع الكشف عن الماء والجليد في التربة عن طريق قياس النيوترونات ^. تستطيع هذه الأجهزة قياس وفرة وتوزيع حوالي 20 عنصرًا أساسيًا من الجدول الدوري ، بما في ذلك السيليكون والأكسجين والحديد والمغنيسيوم والبوتاسيوم والألومنيوم والكالسيوم والكبريت والكربون . إن معرفة العناصر الموجودة على سطح المريخ أو بالقرب منه ستوفر معلومات تفصيلية حول كيفية تغير الأجرام السماوية عبر الزمن. ولتحديد التركيب العنصري لسطح المريخ، يستخدم مسبار " مارس أوديسي" مطياف أشعة غاما وكاشفين للنيوترونات.

توفر أجهزة GRS بيانات عن توزيع ووفرة العناصر الكيميائية، تمامًا كما فعلت مهمة Lunar Prospector على سطح القمر. في هذه الحالة، تم رسم خريطة لعنصر الثوريوم ، حيث تظهر التركيزات الأعلى باللون الأصفر/البرتقالي/الأحمر في الصورة اليسرى.

كيف يعمل نظام GRS

يمكن استخدام بعض أنواع عدادات الوميض كأجهزة قياس طيف أشعة غاما. تُحدد طاقة فوتون غاما من شدة وميض الوميض ، وهو عدد من الفوتونات منخفضة الطاقة الناتجة عن فوتون واحد عالي الطاقة. يعتمد نهج آخر على استخدام كواشف الجرمانيوم - وهي بلورة من الجرمانيوم فائق النقاء تُنتج نبضات تتناسب مع طاقة الفوتون الملتقط؛ ورغم أنها أكثر حساسية، إلا أنها تتطلب تبريدًا إلى درجة حرارة منخفضة، مما يستلزم جهاز تبريد ضخم . لذلك، فإن العديد من أجهزة قياس طيف أشعة غاما المحمولة والعديد من أجهزة قياس الطيف المختبرية هي من نوع الوميض ، وغالبًا ما تكون مصنوعة من يوديد الصوديوم المُطعم بالثاليوم، أو يوديد السيزيوم المُطعم بالثاليوم ، أو، في الآونة الأخيرة، بروميد اللانثانوم المُطعم بالسيريوم . في المقابل، تميل أجهزة قياس الطيف المستخدمة في مهمات الفضاء إلى أن تكون من نوع الجرمانيوم.

عند تعرضها للأشعة الكونية (جسيمات مشحونة من الفضاء يُعتقد أنها قد تنشأ من المستعرات العظمى ونوى المجرات النشطة )، تُصدر العناصر الكيميائية في التربة والصخور بصمات طاقة مميزة على شكل أشعة غاما. ويقوم مطياف أشعة غاما بتحليل هذه البصمات، أو الطاقات، المنبعثة من العناصر الموجودة في التربة المستهدفة.

من خلال قياس أشعة غاما المنبعثة من الجسم المستهدف، يُمكن حساب وفرة العناصر المختلفة وكيفية توزيعها على سطح الكوكب. تظهر أشعة غاما ، المنبعثة من نوى الذرات ، على شكل خطوط انبعاث حادة في طيف الجهاز. وبينما تحدد الطاقة المُمثلة في هذه الانبعاثات العناصر الموجودة، تكشف شدة الطيف عن تركيزات هذه العناصر. من المتوقع أن تُسهم أجهزة قياس الطيف إسهامًا كبيرًا في فهمنا المتزايد لأصل وتطور كواكب مثل المريخ، والعمليات التي شكلتها في الماضي والحاضر.

تُنتج الأشعة الكونية أشعة غاما والنيوترونات. تصطدم الأشعة الكونية الواردة - وهي من الجسيمات ذات الطاقة العالية - بنوى الذرات في التربة. عند اصطدام النوى بهذه الطاقة، تنطلق النيوترونات التي تتشتت وتصطدم بنوى أخرى. تُثار النوى خلال هذه العملية، وتُصدر أشعة غاما لتحرير الطاقة الزائدة والعودة إلى حالتها الطبيعية. بعض العناصر، مثل البوتاسيوم واليورانيوم والثوريوم، مشعة بطبيعتها وتُصدر أشعة غاما أثناء تحللها ، ولكن يمكن إثارة جميع العناصر عن طريق الاصطدام بالأشعة الكونية لإنتاج أشعة غاما. يكشف مطياف HEND ومطياف النيوترونات على متن جهاز GRS النيوترونات المتشتتة مباشرةً، بينما يكشف مستشعر غاما أشعة غاما.

كشف تسرب المياه

من خلال قياس النيوترونات، يُمكن حساب وفرة الهيدروجين، وبالتالي استنتاج وجود الماء. تتميز كواشف النيوترونات بحساسيتها لتركيزات الهيدروجين في المتر العلوي من السطح. عندما تصطدم الأشعة الكونية بسطح المريخ، تنبعث النيوترونات وأشعة غاما من التربة. وقد قاس مطياف أشعة غاما (GRS) طاقاتها. ^{[ 2 ]} يُنتج الهيدروجين طاقات معينة. وبما أن الهيدروجين موجود على الأرجح في صورة جليد مائي، فسيكون المطياف قادرًا على قياس كمية الجليد الأرضي الدائم مباشرةً، وكيفية تغيرها مع الفصول. وكأنه مجرفة افتراضية "تحفر" في السطح، سيُمكّن المطياف العلماء من استكشاف هذه الطبقة السطحية الضحلة من المريخ وقياس وجود الهيدروجين.

ستوفر GRS بيانات مماثلة لتلك التي قدمتها مهمة Lunar Prospector الناجحة، والتي أخبرتنا بكمية الهيدروجين، وبالتالي الماء، المحتملة على سطح القمر.

يتكون مطياف أشعة غاما المستخدم على متن المركبة الفضائية أوديسي من أربعة مكونات رئيسية: رأس مستشعر أشعة غاما، ومطياف النيوترونات، وكاشف النيوترونات عالي الطاقة، ووحدة الإلكترونيات المركزية. يفصل رأس المستشعر عن باقي أجزاء المركبة ذراع بطول 6.2 متر (20 قدمًا)، تم تمديده بعد دخول أوديسي مدار المسح حول المريخ. تهدف هذه المناورة إلى تقليل التداخل الناتج عن أشعة غاما الصادرة من المركبة نفسها. أجرى المطياف في المرحلة الأولى من عمله، والذي استمر ما بين 15 و40 يومًا، معايرة للجهاز قبل مدّ الذراع. بعد حوالي 100 يوم من مهمة المسح، تم مدّ الذراع وبقي في هذا الوضع طوال مدة المهمة. أما كاشفا النيوترونات - مطياف النيوترونات وكاشف النيوترونات عالي الطاقة - فهما مثبتان على الهيكل الرئيسي للمركبة ويعملان باستمرار طوال مهمة المسح.

مواصفات نظام GRS لمهمة Mars Odyssey

يزن مطياف أشعة غاما 30.5 كيلوغرامًا (67.2 رطلًا) ويستهلك 32 واطًا من الطاقة. ويبلغ حجمه، مع وحدة التبريد، 468 × 534 × 604 ملم (18.4 × 21.0 × 23.8 بوصة). الكاشف عبارة عن ثنائي ضوئي مصنوع من بلورة جرمانيوم وزنها 1.2 كيلوغرام، منحازة عكسيًا بجهد حوالي 3 كيلوفولت، ومثبتة في نهاية ذراع طوله ستة أمتار لتقليل التداخلات الناتجة عن إشعاع غاما الصادر من المركبة الفضائية نفسها. وتبلغ دقته المكانية حوالي 300 كيلومتر. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

يبلغ حجم مطياف النيوترونات 173 × 144 × 314 ملم (6.8 × 5.7 × 12.4 بوصة).

يبلغ حجم كاشف النيوترونات عالي الطاقة 303 × 248 × 242 ملم (11.9 × 9.8 × 9.5 بوصة). أما صندوق الإلكترونيات المركزي للجهاز فيبلغ حجمه 281 × 243 × 234 ملم (11.1 × 9.6 × 9.2 بوصة).

انظر أيضاً

مراجع

↑ لورانس، دي جيه؛ فيلدمان، دبليو سي؛ باراكلو، بي إل؛ بيندر، إيه بي؛ إلفيك، آر سي؛ موريس، إس؛ تومسن، دي آر (1998). "خرائط العناصر العالمية للقمر: مطياف أشعة غاما لمركبة لونار بروسبكتور" . مجلة ساينس . 281 (5382): 1484-1489 . رمز Bibcode : 1998Sci...281.1484L . doi : 10.1126/science.281.5382.1484 . PMID 9727970 .
↑ NASA.gov
↑ بوينتون، دبليو في؛ فيلدمان، دبليو سي؛ ميتروفانوف، آي جي؛ إيفانز، إل جي؛ ريدي، آر سي؛ سكوايرز، إس دبليو؛ ستار، آر؛ ترومبكا، جي آي؛ دي أوستون، سي؛ أرنولد، جي آر؛ إنجليرت، بي إيه جيه؛ ميتزجر، إيه إي؛ وانكي، إتش؛ بروكينر، جيه؛ دريك، دي إم؛ شينوهارا، سي؛ فيلوز، سي؛ هامارا، دي كيه؛ هارشمَن، كيه؛ كيري، كيه؛ تيرنر، سي؛ وارد، إم؛ بارث، إتش؛ فولر، كيه آر؛ ستورمز، إس إيه؛ ثورنتون، جي دبليو؛ لونغمير، جي إل؛ ليتفاك، إم إل؛ تون تشيف، إيه كيه (2004). "مجموعة أجهزة مطياف أشعة غاما لمركبة مارس أوديسي". مراجعات علوم الفضاء . 110 (1/2): 37– 83. Bibcode : 2004SSRv..110...37B . doi : 10.1023/B:SPAC.0000021007.76126.15 . ISSN 0038-6308 . S2CID 121206223 .
↑ أرشيف بيانات علوم الفضاء المنسق التابع لناسا

روابط خارجية

صفحة مطياف أشعة غاما التابع لمختبر الدفع النفاث التابع لناسا
موقع جهاز GRS التابع لمسبار مارس أوديسي، مؤرشف بتاريخ 5 مايو 2019 في أرشيف الإنترنت بجامعة أريزونا.
مطياف أشعة غاما أبولو 16
أجهزة NEAR العلمية (بما في ذلك GRS)
جهاز GRS التابع لمركبة Lunar Prospector في مركز أبحاث ناسا أميس
جهاز قياس الطيف النجمي (GRS) التابع لمركبة Lunar Prospector في المركز الوطني لبيانات علوم الفضاء (NSSDC)

[1] لورانس، دي جيه؛ فيلدمان، دبليو سي؛ باراكلو، بي إل؛ بيندر، إيه بي؛ إلفيك، آر سي؛ موريس، إس؛ تومسن، دي آر (1998). "خرائط العناصر العالمية للقمر: مطياف أشعة غاما لمركبة لونار بروسبكتور" . مجلة ساينس . 281 (5382): 1484-1489 . رمز Bibcode : 1998Sci...281.1484L . doi : 10.1126/science.281.5382.1484 . PMID 9727970 .

[2] NASA.gov

[3] بوينتون، دبليو في؛ فيلدمان، دبليو سي؛ ميتروفانوف، آي جي؛ إيفانز، إل جي؛ ريدي، آر سي؛ سكوايرز، إس دبليو؛ ستار، آر؛ ترومبكا، جي آي؛ دي أوستون، سي؛ أرنولد، جي آر؛ إنجليرت، بي إيه جيه؛ ميتزجر، إيه إي؛ وانكي، إتش؛ بروكينر، جيه؛ دريك، دي إم؛ شينوهارا، سي؛ فيلوز، سي؛ هامارا، دي كيه؛ هارشمَن، كيه؛ كيري، كيه؛ تيرنر، سي؛ وارد، إم؛ بارث، إتش؛ فولر، كيه آر؛ ستورمز، إس إيه؛ ثورنتون، جي دبليو؛ لونغمير، جي إل؛ ليتفاك، إم إل؛ تون تشيف، إيه كيه (2004). "مجموعة أجهزة مطياف أشعة غاما لمركبة مارس أوديسي". مراجعات علوم الفضاء . 110 (1/2): 37– 83. Bibcode : 2004SSRv..110...37B . doi : 10.1023/B:SPAC.0000021007.76126.15 . ISSN 0038-6308 . S2CID 121206223 .

[4] أرشيف بيانات علوم الفضاء المنسق التابع لناسا

[

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

اللغة	العربية (RTL)
روابط موسوعية	30 رابطاً
المصدر الأصلي	ويكيبيديا ↗