Гама спектрометрия на метеорити

Метеоритите съдържат множество космогенни радионуклиди, образувани под въздействието на космическите лъчи. На практика от гама-излъчващите космогенни радионуклиди само ⁴⁴Ti (с период на полуразпад 60.4 години) и ²⁶Al (с период на полуразпад 710000 години) са достатъчно дългоживеещи, за да се запазят в отдавна паднали метеорити. В метеоритите ⁴⁴Ti има много малка активност (~ 1 dpm/kg) и е труден за откриване.

Освен естествените радионуклиди  от семейството на урана и тория и ⁴⁰K, метеоритите съдържат следните космогенни гама-излъчващи радионуклиди:

^44mSc (2.44 дни)  
⁴⁷Sc (3.35 дни)
⁵²Mn (5.59 дни)
⁵⁶Ni (6.08 дни)
⁴⁸V (16.8 дни)
⁵¹Cr (27.8 дни)
⁷Be (53.3 дни)
⁵⁸Co (70.8 дни)
⁵⁶Co (77.3 дни)
⁴⁶Sc (83.8 дни)
⁵⁷Co (272 дни)
⁵⁴Mn (312 дни)
²²Na (2.60 години)
⁶⁰Co (5.26 години)
⁴⁴Ti (60.4 години)
²⁶Al (710000 години)

Гама-излъчващите радионуклиди могат да бъдат открити чрез гама-спектрометър. Такова изследване е особено интересно за наскоро паднали метеорити, в които има богат коктейл от краткоживеещи радиоизотопи.
В резултат от измерването с гама-спектрометър се получава гама-спектъра на измервания образец. Гама-спектърът представлява графика, на която е изобразен броя кванти с различни енергии, който са регистрирани по време на измерването. Различните радиоизотопи имат характерни енергии на излъчваните гама-кванти, по които могат да се разпознаят.

Метеорит Chelyabinsk

Паднал през 2013 година (регистриран  официално). Клас Ordinary chondrite, LL5 (S4) - обикновен хондрит от група LL, петрологичен тип 5.

Снимка на измервания образец на метеорита Chelyabinsk:

Гама-спектър на образеца с маса 387.13 g от метеорита Chelyabinsk (HPGe + NaI детектор). Времето за измерване е 3052 минути (приблизително 2 денонощия и 3 часа). Измерването е започнало 158 дни след падането на метеорита:

Показва 25.2 dpm/kg активност на ²⁶Al и 24.2 dpm/kg активност на ⁴⁰K

Източник: Research Gate

Метеорит Košice

Паднал през 2010 година (регистриран официално). Клас Ordinary chondrite, H5 (S3) - обикновен хондрит от група H, петрологичен тип 5.

Снимка на фрагмент 27.25 g от метеорита Košice:

Гама-спектър на фрагмент 2370.2 g от метеорита Košice с плътност 3.50 g/cm³. Измерван 780 дни след падането с HPGe спектрометър. Време на измерването 3968 минути (2 денонощия и 18 часа):

Показва 71 dpm/kg активност на ²⁶Al.

Източник: Wiley Online Library

Метеорит Almahata Sitta

Паднал през 2008 година (регистриран официално). Клас Ureilite-an (Achondrite, ureilite, polymict, anomalous - ахондрит от групата на уреилитите с аномални свойства).

Снимка на фрагмент от метеорита Almahata Sitta:

Източник: Encyclopedia of Meteorites

Гама-спектър на фрагмент от метеорита Almahata Sitta (HPGe детектор). Общото време за броене е 65197 минути (приблизително 45 денонощия и 7 часа). Пиковете на космогенните радионуклиди са надписани. Означен е и анихилационния пик 511 keV. Другите пикове са от естествения фон, който се дължи предимно на калия, урана и тория, които се срещат навсякъде в природата. Пиковете ²¹⁴Bi и ²⁰⁸Tl идват от ²³⁸U и ²³²Th съответно:

Показва 62.1 dpm/kg активност на ²⁶Al.

Източник: ResearchGate

Метеорит Kobe

Паднал през 1999 година (регистриран официално). Клас CK4 (въглероден хондрит от група CK, петрологичен тип 4).

Снимка на фрагмент ~65 g от метеорита Kobe:

Източник: Encyclopedia of Meteorites

Гама-спектър на фрагмент от метеорита Kobe. Измерван в течение на 5500 минути (приблизително 3 денонощия и 20 часа). Измерването е започнало 21 часа след падането на метеорита. Спектрометър с детектор от свръхчист Ge:

Показва 38 dpm/kg активност на ²⁶Al.

Измерена е и концентрацията на уран, торий и калий:
U 29 ppb
Th 51 ppb
K 0.029%

Източник: Geochemical journal GJ 36(4) · January 2002

Метеорит Neagari

Паднал през 1995 година (регистриран официално). Клас Ordinary chondrite (L6) - обикновен хондрит от група L, петрологичен тип 6.

Снимка на фрагмент от метеорита Neagari:

Източник: Encyclopedia of Meteorites

Гама-спектър на метеорита Neagari. Фрагмент с маса 325 g е сложен на 1 cm от детектора (Ortec HPGe, XLB-GEM-10020). Измерването е започнало около 2.7 дни след времето на падане на метеорита и продължава 223621 секунди (около 2 денонощия и 14 часа):

Източник: Akira ISHIWATARI's Home Page

Метеорит Oslo

Фрагмент с маса 32.5 g от метеорита Oslo, сниман на терен:

Енергийният спектър на фрагмента 32.5 g от метеорита Oslo, измерен с детектор HPGeGX2018. Означени са космогенните радиоизотопи. Измерването е продължило към 200 часа ( 8 денонощия и 8 часа). Образецът е бил разположен на 1 cm от детектора:

Източници: Research Gate , Conference: European Planetary Science Congress 2015, At Nantes, France, Volume: Vol. 10, EPSC2015 (584)

Устройство на гама спектрометъра

В гама-спектрометрите обикновено се използва детектор от свръхчист германий (HPGe). HPGe детекторът представлява германиев диод с коаксиална геометрия на p-n прехода. Размерите на кристала на един типичен HPGe детектор са 6 cm диаметър и 7 cm дължина. При работа се подава високо обратно напрежение (> 1000 V).

При работа детекторът трябва да бъде охладен с течен азот до температура -195.65 °C. На неохладения детектор не бива да се подава напрежение.

Най-общо казано, работата на гама-спектрометъра се основава на това, че когато в детектора попадне гама квант се отделя някаква енергия, която предизвиква появата на носители на електрически заряд. Големината на този заряд се измерва от схемите на спектрометъра и се определя енергията
на уловения гама квант.

Гама фон

Гама-фонът, който винаги се регистрира от гама-спектрометъра заедно с излъчването на измервания образец, обикновено съдържа излъчванията на естествените радиоактивни изотопи ⁴⁰K, дъщерните изотопи от реда на урана и тория и анихилационното излъчване с енергия 511 keV.

Типичен гама-спектър на фона:

Този спектър е начертан с програма, която съм написал на Python за собствена употреба. Програмата чете файлове със спектри във формат ORTEC CHN, и очертава в червено някои области, които представляват интерес, като местата на спектъра, където се появяват пиковете на техногенните радиоизотопи ¹³¹I и ¹³⁷Cs, които могат да пристигнат неочаквано като продукти от човешка дейност.

При измерването на гама-излъчването на образеца фонът се изважда от резултатите.