A gamma-spektrometria egy olyan nukleáris mérési technika, amelyet a radioaktív elemek azonosítására használnak a kibocsátott gamma-sugárzás energiájának mérésével , ellentétben a Geiger-számlálóval alkalmazott technikával, amely csak a gamma-sugárzás jelenlétét detektálja anélkül, hogy információt tudna adni az észlelt forrás jellege.
A gamma-spektrometriával végzett mérések lehetővé teszik a spektrumok felépítését: hisztogramok, amelyek a detektált fotonok populációját adják az energiájuk függvényében.
Az atommagok energiaszint- szerkezete hasonló az atomok energiaszintjéhez, így képesek kibocsátani (vagy elnyelni) egy adott energia fotonjait . Az atomokhoz hasonlóan az atomok egyes energiaszintjei is jellemzőek az egyes atomfajtákra, így a kibocsátott gammafotonok energiája , amely megfelel az atomok energia-különbségeinek, felhasználható bizonyos elemek és izotópok azonosítására . A különbséget gamma-sugarak a kissé eltérő energia nagyon fontos az elemzés során a spektrumok, amelyek bonyolult lehet, és a minőség egy spektrométer jellemzi különösen annak felbontást az energia (pontosság, amellyel az energiát minden egyes foton mérjük).
A részecskék, például a gammafotonok detektálását a gamma-kölcsönhatások energia-lerakódására érzékeny anyagok felhasználásával érik el. Három fizikai hatás áll az energiának az anyagban való gammafoton-lerakódásának eredeténél:
A spektrometrikus adatok előállítására szolgáló műszerek, detektorok és a kapcsolódó rendszerek a nukleáris műszercsalád részét képezik .
A gamma-spektrométerek három fő családja:
A spektrométer nagy felbontású gamma esetében a gammasugarak kölcsönhatásba lépnek a detektorral , és nagy tisztaságú germániumot (HPGe) eredményeznek, ami az elektronpárok termelését magasabb energiaszintre gerjeszti, és "lyukat" hagy a korábbi szintjén. Ezt a töltött párt egy alkalmazott elektromos tér gyűjti össze. Egy erősítő felerősíti a gamma-foton kölcsönhatásból származó elektromos töltés impulzusait. Analizátorokat vagy számítógépeket használnak az impulzusok elválasztására és tárolására a kristályban elnyelt energia szerint. A mintában lévő radionuklidok gamma-emisszióját a számlálási sebességben mérjük, az erre a radionuklidra jellemző energia-régió szerint. Korrekciókat lehet végezni más radionuklidok hozzájárulása szempontjából.
A spektroszkópia nagy előnye, hogy képes gamma-sugárzókat közvetlenül az eredeti mintában mérni anélkül, hogy előbb kémiai elválasztást kellene elvégezni. Ezenkívül lehetővé teszi a mintában lévő radionuklidok kvalitatív és kvantitatív elemzését is.
A teljes gamma-spektroszkópiai rendszer egy folyékony nitrogénhűtéssel ellátott germánium- detektorból , egy többcsatornás analizátorból áll, amelynek megfelelő nagy teljesítményű számítógép és szoftver van az adatok értelmezéséhez és elemzéséhez. A mintákkal megegyező geometriájú radionuklid-standardokat használjuk.
A detektor úgy van kialakítva, hogy a germánium blokk egyik oldalát párologtatással és diffúzióval vagy ion beültetéssel átalakítják az ellentétes típusú félvezetővé. A blokkon az egyik oldalon pozitív réteg jön létre, majd a fordított előfeszítést alkalmazzák a detektorra. Ez kimerítő réteget hoz létre az anyagon keresztül. Ez az alapja a germánium-detektorok gyártásának. A relatív hatékonyságot úgy lehet megbecsülni, hogy a detektor aktív térfogatát elosztjuk 4,33-mal. 2003-ban a legnagyobb gyártott nagy tisztaságú germánium detektor 4,4 kg germániumból készült, relatív hatékonysága 207,6%.
A hagyományos nagy volumenű HPGe detektorok általában tízezer szám / másodperc nagyságrendű számlálási sebességre korlátozódnak, hatékonyságuk azonban korlátozott a nagy adagolási sebességű alkalmazásoknál. Ennek a korlátnak a leküzdésére 2015-ben egy új prototípusú HPGe detektort terveztek, hogy képes legyen elérni a kívánt felbontást, és másodpercenként több mint egymillió számlálási sebességgel. Ennek az első prototípusnak a tesztje jó teljesítményt mutat a töltésgyűjtésben és az alacsony háttérzajt . A nagy tisztaságú germánium-detektorok továbbra is a nagy felbontású gammasugár-spektroszkópia szabványai. A HPGe detektorok által kínált kiváló energiafelbontás gyakran választott detektorokká olyan sokféle alkalmazásban, mint a nukleáris fizika kutatása vagy az orvosi képalkotás . Ha az izotópok azonosítására és mennyiségi meghatározására van szükség, a HPGe detektorok felbontása minimalizálja a szisztematikus bizonytalanságokat. Ez különösen fontos azokban az esetekben, amikor komplex gammasugárspektrumokkal kell találkozni. A HPGe alkalmasabb a nukleáris vállalatok működéséből származó termékek több radionuklid radioaktivitásának monitorozására, mint a szilárd szcintillációs detektor .
A módszer bármely 20 keV- nél nagyobb energiájú gamma-sugarat kibocsátó radionuklid mérésére alkalmazható . Ez a spektroszkópia alkalmas radionuklidok komplex keverékére. Ezenkívül a minta lehet folyékony vagy gáz alakú. A módszert sokféle élelmiszerre alkalmazzák, a zöldségektől az állati termékekig.
A marsi meteoritok radionuklidjainak elemzése nagy radioanalitikai kihívást jelent e meteoritok magas tudományos értéke és a roncsolásmentes elemzési módszerek alkalmazásának szükségessége miatt. A marsi meteoritokat kisbolygók vagy üstökösök hatására kidobták a Marsról , majd a Nap körül forognak, mielőtt végül a Földre szállhatnak. Így egy bizonyos mélységig információt hordoznak a Mars talajának jellemzőiről és összetételéről. Ezek különösen érdekes minták, mert jelenleg nincs más lehetőség a Mars bolygó altalajrétegeinek vizsgálatára. A Földön talált 61 000 meteoritból csak 132-t azonosítottak marslakóként. A marsi eredetet elemi és izotópos összetételeik, valamint a Mars légkörével megegyező csapdába ejtett légköri gázok ismerik fel. Ezeket a gázokat valóban összehasonlítják az űrhajókból elemzett gázokkal.