آشكارسازي ذرات

آشكارسازي ذرات عبارتست از فرآيندي كه در آن خصوصياتي مانند جرم ، انرژي ، بار الكتريكي ، مسير حركت و ... و در مجموع نوع يك ذره حامل انرژي كه در واكنش‌هاي هسته‌اي بوجود مي‌آيد، توسط دستگاهي (اغلب آشكارساز) تعيين مي‌شود.

ديد كلي

فرآيند آشكارسازي متشكل از يك دستگاه آشكارساز است كه بسته به نوع ذره تابشي و آشكارسازي خصيصه‌اي از ذره ، نوع دستگاه فرق مي‌كند. سهم عمده در آشكارسازي ذره توسط ماده‌اي متناسب با ذره تابشي در دستگاه آشكارساز انجام مي‌شود كه عبارت است از برهمكنش ذره باردار حامل انرژي با الكترونهاي مداري ماده آشكارسازي كه اين برهمكنش توسط مدارهاي الكترونيكي آشكارساز ، به يك پالس الكتريكي تبديل مي‌شود. عوامل موثر بر آشكارسازي ذرات در اين مقوله مورد بررسي قرار مي‌گيرد.

ذرات تابشي

واپاشي هسته‌اي يك فرآيند خودبخودي است، يعني سيستم بطور خودبه‌خودي ، از حالتي به حالتي ديگر تغيير مي‌كند. پايستگي انرژي ايجاب مي‌كند كه انرژي حالت نهايي پايين‌تر از حالت اوليه باشد. اين اختلاف انرژي به طريقي به خارج سيستم فرستاده مي‌شود. در تمام اين موارد ، اين امر با گسيل ذرات حامل انرژي بدست مي‌آيد كه اين ذرات يك يا تركيبي از گسيل الكترومغناطيسي ، گسيل بتا و گسيل نوكلئون است كه كلا مي‌توان ذرات تابشي را به دو بخش ، ذرات تابشي باردار حامل انرژي و ذرات بي‌بار حامل انرژي ، تقسيم‌بندي كرد.

ذرات تابشي باردار حامل انرژي

بار الكتريكي ذرات باردار حامل انرژي سهم مهمي در آشكارسازي ذره دارد. وقتي ذره تابشي از كنار اتمها عبور مي‌كند، به علت باردار بودن ، بر الكترونهاي مداري نيروي الكتريكي وارد مي‌كند. در اين برهم‌كنش انرژي مبادله مي‌شود كه باعث كند شدن حركت ذره تابشي و كنده شدن الكترونها از مدارشان مي‌شود. اين الكترونهاي جدا شده از مدار اساس بسياري از روشهاي آشكارسازي ذرات تابشي و اندازه گيري جرم ، بار ، انرژي و ... آنها است.

روش‌هاي كلي آشكار كردن ذرات باردار حامل انرژي

سه روش اساسي براي آشكار كردن ذرات باردار تابشي با استفاده از يونش وجود دارد :

يونش را مي‌توان قابل روئيت كرد، بطوري كه رد ذرات را بتوان ديد و يا عكسبرداري كرد.

وقتي كه زوج الكترون _ يون دوباره تركيب مي‌شوند، نور گسيل شده را با يك دستگاه حساس به نور مي‌توان آشكارسازي كرد.

با استفاده از يك ميدان الكتريكي مي‌توان الكترونها و يونها را جمع‌آوري كرد و از اين طريق يك علامت الكتريكي توليد كرد.

ذرات تابشي بي‌بار حامل انرژي

در آشكارسازي ذرات باردار حامل انرژي ، بار ذره عامل مهمي در آشكارسازي ذره بود ولي نوترونها و فوتونها (در ناحيه پرتوهاي ايكس و گاما) فاقد بار هستند، لذا روش‌هايي كه براي آشكارسازي آنها بكار رفته، كمتر از ذرات باردار است. احتمال برهمكنش نوترونها يا پرتوهاي ايكس و گاما با اتم يا هسته آن به‌صورت سطح مقطع كل بيان مي‌شود.

فوتونها (در ناحيه پرتوهاي ايكس و گاما)

پرتوهاي ايكس و گاما با الكترونهاي مداري ماده از طريق سه برهمكنش شناخته شده ، يعني اثر فوتوالكتريك ، پراكندگي كامپتون و توليد زوج الكترون _ پوزيترون برهمكنش مي‌كنند. براي پرتوهاي ايكس و گاما سطح مقطع كل با مجموع سطح مقطع‌هاي سه برهمكنش اساسي ياد شده در بالا برابر است.

نوترونها

نوترونها مي‌توانند پراكنده شوند و يا واكنشهاي هسته‌اي ايجاد كنند كه بسياري از اين واكنشها منجر به گسيل ذرات باردار حامل انرژي مي‌شود. تمام روشهاي آشكارسازي نوترونها در نهايت به آشكارسازي ذرات باردار منجر مي‌شود كه بعد از تابش نوترون به يك ماده خاص ذره باردار تابش مي‌شود. براي نوترون سطح مقطع كل با مجموع سطح مقطع‌هاي واكنش و پراكندگي برابر مي‌باشد.

اصول كار دستگاههاي آشكارساز

اصول كار اغلب دستگاههاي آشكارساز مشابه است. تابش وارد آشكارساز مي‌شود، با اتمهاي ماده آشكارساز برهمكنش مي‌كند (اثر تابش بر ماده) و ذره ورودي بخشي از انرژي خود را صرف جداسازي الكترونهاي كم‌انرژي ماده آشكارساز از مدارهاي اتمي خود مي‌كند. اين الكترونها و يونش ايجاد شده جمع‌آوري مي‌شود و توسط يك مدار الكترونيكي براي تحليل به صورت يك تپ ولتاژ يا جريان در مي‌آيد.

خصوصيات مواد آشكارساز بكار رفته در آشكارسازها

ماده مناسب براي آشكارسازي هر ذره بستگي به نوع ذره تابشي دارد.

براي تعيين انرژي تابشي بايستي تعداد الكترونهاي آزاد شده از ماده زياد باشد.

براي تعيين زمان گسيل تابش بايد ماده‌اي را انتخاب كنيم كه در آن الكترونها به سرعت تبديل به تپ شوند.

براي تعيين نوع ذره بايد ماده‌اي انتخاب شود كه جرم و بار ذره اثر مشخصي بر روي ماده داشته باشد.

اگر بخواهيم مسير ذره تابشي را دنبال كنيم، بايد ماده آشكارساز نسبت به محل ورود ذره تابشي حساس باشد.

انواع آشكارسازها

اتاقك ابر

اتاقك ابر متشكل از محفظه‌اي از هوا و بخار آب به حالت اشباع است. در اطراف يونهاي تشكيل شده از تابش ذرات باردار حامل انرژي ، قطره‌هاي آب تشكيل مي‌شود كه با نوردهي مناسب مي‌توان مسير حركت ذره را ديد يا عكسبرداي كرد.

اتاقك حبابي

اتاقك حباب متشكل از محفظه‌اي از مايع فوق گرم است. در اتاقك حباب وقتي به طرز ناگهاني از فشار كاسته مي‌شود، مايع شروع به جوشيدن مي‌كند. حبابها بر روي يونهايي كه در مسير ذرات باردار تابشي پرانرژي قرار دارند، تشكيل مي‌شوند كه مي‌توان آنها را روئيت كرد يا از آنها عكسبرداري كرد.

اتاقك جرقه‌اي

اتاقك جرقه متشكل از دو صفحه يا دو سيم موازي است كه ولتاژ قوي ميان هر جفت از صفحه‌ها برقرار است. در مواقعي كه جرقه‌هاي قوي بين دو صفحه زده مي‌شود كه به احتمال قوي جرقه‌ها در همان مسير حركت ذره باردار حامل انرژي است كه در گاز مربوطه يونش ايجاد كرده است كه مي‌توان آن را ديد يا عكسبرداري كرد.

امولسيون عكاسي

در مسير ذرات تابشي باردار حامل انرژي دانه‌هاي هالوژنه نقره تشكيل مي‌شود كه مي‌توان آن را پس از ظهور فيلم عكاسي روئيت كرد.

آشكارساز سوسوزن (سينتيلاسيون)

در يك بلور جسم جامد ، برهمكنش ذره باردار پرانرژي با الكترونهاي مداري باعث كنده شدن آنها مي‌شود. الكترون كنده شده وقتي در تهيجا (مدار الكتروني فاقد الكترون) مي‌افتد، نور گسيل مي‌كند. اگر بلور به اين نور شفاف باشد، عبور ذره باردار حامل انرژي با سينتيلاسيون يا سوسوزني نور گسيل شده از بلور علامت داده مي‌شود كه اين علامت نوري توسط اثر فتوالكتريك به يك تپ الكتريكي تبديل مي‌شود.

آشكارساز گازي

در آشكارساز گازي ذره باردار حامل انرژي در گاز پر شده ميان دو الكترود فلزي توليد زوج الكترون _ يون مي‌كند. ميدان الكتريكي از برقراري ولتاژ حاصل مي‌شود كه اين ميدان باعث شتاب الكترونها و يون‌ها به ترتيب به طرف الكترود مثبت و منفي مي‌شود. چون در مسير حركت با اتمهاي ديگر برخورد مي‌كنند، حركت آنها حركت سوقي است.

آشكارسازهاي حالت جامد يا نيم رسانا

اين نوع آشكارسازها از يك اتصال p - n ميان سيليسيم يا ژرمانيم نوع P و نوع n تشكيل يافته است. وقتي ولتاژي در خلاف جهت رسانش ديود اعمال مي‌شود، ناحيه‌اي تهي از حاملهاي بار در پيوندگاه بوجود مي‌آيد. هنگامي كه ذره باردار حامل انرژي در طول ناحيه تهي حركت مي‌كند، در نتيجه برهمكنش آن با الكترونهاي داخل بلور مسير با زوجهاي الكترون _ حفره معين مي‌شود. الكترونها و حفره‌ها جمع مي‌شوند و تپي الكتريكي در شمارشگر بوجود مي‌آيد.

طيف‌سنج‌هاي مغناطيسي

در طيف‌سنج‌هاي مغناطيسي از ميدان مغناطيسي يكنواخت استفاده مي‌كنند. اگر از يك منبع چند تابش مختلف داشته باشيم، وقتي ذرات باردار حامل انرژي تابشي وارد ميدان مغناطيسي يكنواخت مي‌شوند، مسيرهاي دايره‌اي متفاوت مي‌گيرند. از برخورد اين مسيرهاي دايره‌اي متفاوت با وسيله ثابتي مثلا فيلم عكاسي به تعداد ذرات باردار تابشي ، تصوير تشكيل مي‌شود.

آشكارساز تلسكوپي

آشكارسازي تلسكوپي متشكل از دو يا چند شمازشگر است كه در آن تابش به ترتيب از شمارشگرها عبور مي‌كند. شمارشگرهاي اوليه نازك هستند، بطوري كه ذره نسبتي از انرژي خود را به آنها مي‌دهد، ولي در آخرين شمارشگر بطور كامل انرژي ذره جذب مي‌شود. اين شمارشگر بيشتر براي زمان‌سنجي استفاده مي‌شوند.

شمارشگر تناسبي چندسيمي

اين شمارشگر به عنوان آشكارسازي كه نسبت به محل برهمكنش ذره حساس است، استفاده مي‌شود.

قطب سنج ها

اغلب براي اندازه گيري قطبيدگي تابش استفاده مي‌شود.