آشکار ساز سوسوزن (شمارنده سنتیلاتور) Scintillation Detector
| وقتی ذره باردار حامل انرژی به یک بلور برخورد می‌کند، الکترونهای بلور را از شبکه آن جدا می‌کند. با کنده شدن الکترون از بلور تابشی گسیل می‌شود که بعضی از بلورها نسبت به آن شفاف هستند. بنابراین عبور ذره باردار حامل انرژی در بلور به صورت سوسوزنی نور علامت داده می‌شود که این نور در یک آشکار ساز سوسوزن به یک تپ الکتریکی تبدیل می‌شود. |
|
دید کلی
در یک بلور جسم جامد ، برهمکنش میان ذره باردار حامل انرژی و الکترونها باعث کنده شدن
الکترون از محل خود در
شبکه بلور می‌شود. هنگامی که الکترونی در این تهی جا (جای خالی) می‌افتد، نور گسیل می‌شود که بعضی از بلورها نسبت به این نور شفاف هستند. بنابراین عبور ذره باردار حامل انرژی در بلور با
سنتیلاسیون یا
سوسوزنی نور گسیل شده از بلور علامت داده می‌شود. این نور در یک آشکار ساز سوسوزن به یک تپ الکتریکی تبدیل می‌شود.
تاریخچه
رادرفورد از این روش با استفاده از ZnS به عنوان
سنتیلاتور برای شمارش ذرات آلفای پراکنده در تجربه تاریخی خود به نام
پراکندگی آلفا استفاده نمود. این روش خسته کننده و ابتدایی بود و خیلی زود روش استفاده از
شمارنده‌های گازی که در آن شمارش بطور الکترونیکی انجام شده و در صورت لزوم بدست آوردن اطلاعات درباره انرژی اشعه نیز ممکن بود، جانشین آن گردید. در سال 1944 ،
لوکان و
بیکر ،
فوتو مولتی پلایر را جانشین روش استفاده با چشم غیرمسلح نمودند و کمی بعد
کالمن ،
نفتالین را جانشین کریستال کوچک و نازک ZnS نمود. این دو تغییر انقلابی در آشکار سازی با روش سنتیلاسیون ،
آشکار سازی ، ثبت و تجزیه و تحلیل پالسهایی که با هر یک از ذرات تابش بوجود می‌آیند را امکان پذیر ساخته است.
مکانیزم کار شمارنده سنتیلاتور
وقتی که تابش یونیزه کننده از داخل سنتیلاتور عبور می‌کند،
فوتونهایی را بوجود می‌آورد. فوتومولتی پلایر دارای لایه‌ای با
خاصیت فوتوالکتریک می‌باشد. وقتی نور با این لایه برخورد می‌کند، الکترون از آن خارج می‌شود. تعداد الکترونهای خارج شده تابع شمار فوتونهایی است که با فوتوکاتد برخورد می‌کنند. الکترونهای گسیل شده توسط سطح فوتوکاتد در
میدان الکتریکی شتاب می‌گیرند و به طرف
داینود رانده می‌شوند.
داینود صفحه‌ای است با رویه خاص که الکترونها به آسانی از آن کنده می‌شوند. هر الکترونی که به داینود می‌رسد، بسته به انرژیی که در میدان الکتریکی دریافت می‌کند، حدود سه یا چهار الکترون از داینود می‌کند. سپس الکترونهایی که از داینود گسیل می‌شوند، به طرف دومین داینود شتاب می‌گیرند و هر یک از الکترونها چندین الکترون دیگر را از این داینود جدا می‌سازند و این فرایند چندین بار با تعداد الکترونهایی که در هر دینود سه یا چهار برابر شده‌اند، تکرار می‌شود.
تکثیرکننده‌های فوتونی موجود 6 تا 14 مرحله‌ای هستند. الکترونهای آخرین دینود (بار کل Q) توسط یک صفحه (که آند نامیده می‌شود) جمع می‌شوند و از آنجا الکترونها به طرف
خازن 
جریان پیدا می‌کنند. در نتیجه در خازن C باری برابر به بار خازن
القا می‌شود که در خروجی ایجاد
ولتاژ 
می‌کند که این
به کمک مدار RC به صورت یک پالس می‌باشد.
مواد سنتیلاتور
بعضی از مواد می‌توانند انرژی جذب نموده و مقداری از آن را به‌صورت نور مجددا تابش نمایند، این عمل
لومینسانس نام دارد. موادی که تابش مجدد را در طول زمانی حدود چند میکرو ثانیه یا کمتر انجام می‌دهند، به
مواد فلوئورسان موسوم هستند. موادی که فاصله زمانی جذب انرژی و پس دادن آن به‌صورت نور برایشان طولانی‌تر است،
فسفرسان نام دارند. در آشکار سازی تابشها فقط مواد فلوئورسان بکار می‌روند. وقتی برای چنین منظوری مورد استفاده قرار می‌گیرند،
سنتیلاتور نامیده می‌شوند.
یکی از خواص لازم برای سنتیلاتور این است که باید به مقدار زیاد نسبت به فوتونهایی که تابش می‌کند، شفاف باشد. قسمتی از فوتونها که بوسیله سنتیلاتور جذب می‌گردد، بستگی به نوع ماده دارد. سنتیلاتورهای غیر آلی تقریبا 100% شفاف هستند. سنتیلاتورهای آلی بطور کلی شفافیت کم دارند. انواع مختلف سنتیلاتور مورد استفاده قرار می‌گیرند. مواد غیر آلی جامد بیشتر
یدور فلزات قلیایی و مواد جامد آلی ، به مقدار زیاد
هیدروکربورهای معطر جانشین شده و جانشین نشده ، محلولهای آلی در حلالهای مایع و یا
پلاستیک از مواد سنتیلاتور هستند.
لامپهای فوتومولتی پلایر
لامپ فوتو مولتی پلایر یکی از اساسی‌ترین قسمتهای یک
سیستم آشکار سازی سنتیلاسیون است. کار اصلی آن تبدیل علامت نوری از سنتیلاتور به یک علامت الکتریکی با انجام یک تقویت خطی با ضریب تقویت بزرگتر از
می‌باشد. این لامپ نباید بخش زمانی یا انرژی قابل توجه داشته باشند. اولین و مهمترین قسمت
فوتوکاتد می‌باشد که قسمتی از انرژی فوتون تابشی را به الکترونها می‌دهد. در اغلب لامپهای جدید طراحی شده برای شمارش سنتیلاسیون قشر نیمه شفافی از CsSb در سطح داخلی
شیشه یا
کوارتز (ابتدای لامپ) قرار داده شده است. این نوع فوتوکاتدها دارای راندمان عددی (نسبت
فوتوالکترونها به فوتونهای تابشی) حدود 10% می‌باشند.
رابطه بین ارتفاع پالس و انرژی
رابطه معلومی بین
انرژی اشعه تابشی و ارتفاع پالسهای ایجاد شده بوسیله اشعه وجود دارد. برای
شمارنده‌های گازی ، به استثنای آنهایی که در ناحیه گایگر کار می‌کنند و برای
شمارنده‌های نیمه‌هادی این رابطه خطی است. در شمارنده‌های سنتیلاسیون ، رفتار سنتیلاتورهای مختلف در این مورد متفاوت می‌باشد. برای سنتیلاتورهای غیر آلی در گام پهنی از انرژی ، ارتفاع پالس بطور خطی برای
الکترونها ،
پروتونها و
دوترونهای تابشی بر سنتیلاتور متناسب با انرژی است.
در مورد
پرتو بتا به دلیل پراکندگی به عقب رابطه خطی نیست. در مورد
اشعه گاما ، سنتیلاتورها انرژی را از الکترونهای ایجاد شده بوسیله اشعه گاما دریافت می‌نمایند. بنابراین رابطه خطی مشابهی بین انرژی اشعه گاما و ارتفاع پالس برقرار می‌باشد. مقدار کمی رابطه غیرخطی بین الکترونهای ایجاد شده و اشعه گامایی که انرژی آن پایین‌تر از چند صد kev می‌باشد، مشاهده شده است.
برای ذرات سنگین‌تر رابطه غیر خطی در گام انرژی خیلی پهن اتفاق می‌افتد. در مورد سنتیلاتورهای آلی رابطه غیرخطی برای اشعه بتا و گاما در انرژی‌های خیلی پایین ، تقریبا چند kev ، اتفاق می‌افتد، در صورتی که رابطه غیرخطی برای ذرات سنگین‌تر در گام پهن‌تری از انرژی ادامه پیدا می‌کند.
رابطه بین ارتفاع پالس و جنس ذره
ارتفاع پالسهای ایجاد شده بوسیله ذرات سنگین یونیزه کننده نظیر
ذرات آلفا ممکن است به مقدار قابل ملاحظه‌ای با پالسهای بوجود آمده از الکترونهای با همان انرژی متفاوت باشد. این تفاوت تابع نوع شمارنده می‌باشد که بطور کلی در مورد شمارنده‌های گازی و شمارنده‌های نیم هادی کوچک است.
آشکار سازی اشعه گاما بوسیله شمارنده‌های سنتیلاسیون
اشعه گاما در نتیجه یکی از مراحل زیر در سنتیلاتور متوقف می‌گردد:
- پدیده فوتوالکتریک
- پدیده کامپتون
- پدیده تولید زوج
در مرحله اول الکترونها بوجود می‌آیند و در مرحله سوم الکترونها و پوزیترونها ایجاد می‌شوند. این ذرات باردار سنتیلاتور را تحریک کرده و فوتونها را بوجود می‌آورند. بنابراین ارتفاع پالس ایجاد شده بوسیله اشعه گاما متناسب با انرژی الکترون (و پوزیترون) می‌باشد. می‌توان نتیجه گرفت که توزیع ارتفاع پالس (یعنی تعداد پالسها برحسب ارتفاع پالس) تابع سطح مقطع‌های نسبی در این مراحل است.
آشکار سازی ذرات باردار بوسیله شمارنده‌های سنتیلاسیون
هر نوع سنتیلاتور را می‌توان برای
آشکار سازی ذرات باردار بکار برد. به عنوان مثال برای
ذرات آلفا چون برد آنها خیلی کوچک است، کریستال‌های نازک بکار می‌برند. در شمارش بتا با سنتیلاتورها باید توجه خاصی به این دو فاکتور شود:
- پراکندگی به عقب
- توزیع انرژی اتصالی برای ذرات بتا از منابع رادیواکتیو.
پراکندگی به عقب در مورد سنتیلاتورهای پلاستیک آلی خیلی کوچک است، لذا این کریستالها برای اسپکتروسکوپی الکترون مورد استفاده قرار می‌گیرند.
آشکار سازی نوترونها
آشکار سازی نوترونها تابع واکنش‌هایی است که در آن یک ذره باردار بوجود می‌آید. برای
نوترونهای سریع آشکار سازی تابع پراکندگی الاستیک n – p بوده و برای نوترونهای آهسته این آشکار سازی تابع واکنش‌های هسته‌ای می‌باشد. هر دو
واکنش هسته‌ای دارای این مزیت هستند که در آنها اشعه گاما بوجود نمی‌آید و محصولات واکنش دارای
انرژی جنبشی خیلی زیادی هستند.
مباحث مرتبط با عنوان
