آشکارساز تشعشع؛گامی مهم در حفاظت در برابر اشعه
- مجموعه: تجهیزات ایمنی و بهداشتی
آشکارساز تشعشع برای حفاظت از انسان در برابر خطرات تشعشعات
همه چیز درباره آشکارساز تشعشع
از آنجایی که ما نمی‌توانیم تشعشعات را ببینیم، بو کنیم یا بچشیم، برای تشخیص وجود تشعشعات یونیزان به ابزار وابسته هستیم. تشعشع، انرژی است که به صورت ذرات یا امواج در بسته‌هایی از انرژی به نام فوتون حرکت می‌کند. برخی از نمونه‌های روزمره عبارتند از مایکروویوهایی که برای پخت غذا استفاده می‌شوند، امواج رادیویی برای رادیو و تلویزیون، نور و اشعه ایکس که در پزشکی استفاده می‌شوند.
رادیواکتیویته فرآیندی طبیعی و خود به خود است که طی آن اتم‌های ناپایدار یک عنصر انرژی اضافی را به شکل ذرات یا امواج ساطع یا تابش می‌کنند. این انتشارات به طور کلی تشعشعات یونیزان نامیده می‌شوند. بسته به اینکه هسته چگونه این انرژی اضافی را از دست بدهد، یا یک اتم با انرژی پایین‌تر از همان شکل به دست می‌آید، یا یک هسته و اتم کاملاً متفاوت می‌توانند تشکیل شوند.
یونش، یک ویژگی خاص تشعشعات تولیدی در هنگام فروپاشی عناصر رادیواکتیو است. این تشعشعات دارای انرژی چنان بالایی هستند که هنگامی که با مواد برهم کنش می‌کنند، می‌توانند الکترون‌ها را از اتم‌های موجود در ماده جدا کنند. این اثر دلیل خطرناک بودن تشعشعات یونیزان برای سلامتی است و ابزاری را برای تشخیص تشعشع فراهم می‌کند.
یک آشکارساز تشعشع یا آشکارساز ذرات دستگاهی است که یونیزاسیون انواع مختلف تشعشعات مانند تابش بتا، تابش گاما و تابش آلفا را با ماده اندازه گیری می کند. بنابراین، الکترون ها و یون های با بار مثبت ایجاد می کند. در این مقاله، در مورد آشکارساز تشعشع به طور مفصل صحبت می کنیم.
آشکارساز تشعشع نقشی کلیدی در حفاظت از محیط زیست ایفا می‌کند
آشکارساز تشعشع چیست؟
آشکارساز تشعشع ابزاری است که برای تشخیص یا شناسایی ذرات پر انرژی مانند آن‌هایی که از واپاشی هسته‌ای، تشعشعات کیهانی یا واکنش‌ها در یک شتاب‌دهنده ذرات به وجود می‌آیند، استفاده می‌شود.
در گذشته، از صفحات عکاسی برای شناسایی مسیرهای به جا مانده از برهم‌کنش‌های هسته‌ای استفاده می‌شد. ذرات زیر هسته‌ای با استفاده از محفظه‌های ابری کشف شدند که به ضبط‌های عکاسی و اندازه‌گیری خسته‌کننده مسیرها از عکس‌ها نیاز داشتند.
با اختراع ترانزیستور، آشکارسازهای الکترونیکی توسعه یافتند. آشکارسازهای مدرن از کالریمترها برای اندازه‌گیری انرژی تشعشع آشکار شده استفاده می‌کنند. همچنین ممکن است برای اندازه‌گیری سایر ویژگی‌ها مانند اندازه حرکت، اسپین، بار و غیره ذرات به کار روند.
آشکارساز تشعشع ابزاری برای اکتشافات علمی در دنیای زیر اتمی
انواع آشکارساز تشعشع
1. آشکارساز سوسوزن (Scintillator)
هنگامی که یک ماده سوسوزن توسط تشعشع یونیزه کننده تحریک می‌شود، درخشندگی از خود نشان می‌دهد که همان خاصیت لومینسانس است. زمانی که یک ماده سوسوزن به یک حسگر نور الکترونیکی مانند تیوب تکثیر نور (PMT)، فتودیود یا تکثیرکننده نور سیلیکونی متصل شود، یک آشکارساز سوسوزن را تشکیل می‌دهد. آشکارسازهای نوع سوسوزن ابتدا نور را به پالس‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند. آنها برای انجام این کار از لامپ‌های خلأ استفاده می‌کنند.
2. آشکارسازهای یونیزاسیون گازی
ابزاری برای تشخیص تشعشع که در فیزیک ذرات برای آشکارسازی وجود ذرات یونیزه کننده و در کاربردهای حفاظت در برابر تشعشع برای اندازه‌گیری تشعشع یونیزه کننده استفاده می‌شود، آشکارساز یونیزاسیون گازی نامیده می‌شود.
3. شمارنده گایگر
رایج‌ترین آشکارساز مورد استفاده، شمارنده گایگر-مولر است که به طور معمول شمارنده گایگر نامیده می‌شود. یک سیم مرکزی که بین یک لوله پر از گاز با ولتاژ بالا قرار دارد برای جمع‌آوری یونیزاسیون ناشی از تشعشعات برخوردی استفاده می‌شود. اگرچه نمی‌تواند بین آنها تمایز قائل شود، اما می‌تواند تشعشعات آلفا، بتا و گاما را تشخیص دهد.
آشکارساز تشعشع قادر به شناسایی سه نوع تشعشع اصلی هستند
انواع تشعشعات
آشکارسازهای تشعشع قادر به شناسایی سه نوع تشعشع اصلی هستند: آلفا، بتا و گاما.
1. تشعشع آلفا
ذرات آلفا یا هسته‌های هلیوم با دو بار مثبت، در واقع اتم‌های هلیوم با سرعت بالا هستند.
انرژی آنها زیاد است و در محدوده مگا الکترون ولت (MeV) قرار دارد.
به دلیل جرم زیاد، قدرت نفوذ کمی دارند و معمولا می‌توانند چند سانتی‌متر در هوا یا پوست نفوذ کنند.
2. تشعشع بتا
این تشعشع، جریانی از الکترون‌های پر سرعت است. انرژی آنها از صدها کیلو الکترون ولت (KeV) تا چند مگا الکترون ولت (MeV) متغیر است. به دلیل جرم نسبتا کمتر نسبت به تشعشع آلفا، قدرت نفوذ بیشتری دارند. آنها معمولا می‌توانند چند متر در هوا یا چند میلی‌متر در مواد سبک‌تر نفوذ کنند.
3. تشعشع گاما
این تشعشع جریانی از فوتون‌ها است. انرژی آنها به طور معمول از چند کیلو الکترون ولت تا چند مگا الکترون ولت متغیر است. جرم آنها بسیار کم است و در نتیجه قدرت نفوذ بالایی دارند. آنها معمولا می‌توانند چند سانتی‌متر در سرب نفوذ کنند. امیدواریم در مورد آشکارساز تشعشع، انواع آنها، عملکردشان و همچنین انواع تشعشعات و خواص آنها به خوبی درک کرده باشید.
آشکارساز تشعشع ذرات پرانرژی را رصد می‌کند
چگونه یک آشکارساز تشعشع کار می‌کند؟
دو نوع اصلی آشکارساز تشعشع وجود دارد: آشکارسازهای سوسوزن و آشکارسازهای یونیزاسیون گاز. در ادامه نحوه عملکرد هر کدام را توضیح می‌دهیم:
1. آشکارساز سوسوزن:
اصل کار: در این نوع آشکارساز از ماده خاصی استفاده می‌شود که هنگام برهم‌کنش تشعشع با آن، درخشش یا «سوسوزن» می‌کند. رایج‌ترین نوع این ماده، نوعی نمک به نام ید سدیم است.
تولید نور: نور ناشی از فرایند سوسوزن‌زدن از طریق یک پنجره شفاف منعکس می‌شود و با دستگاهی به نام «تیوب تکثیر نور» (Photomultiplier Tube) برهم‌کنش می‌کند.
تیوب تکثیر نور: بخش اول این تیوب از ماده ویژه‌ای به نام «فتوکاتد» (Photocathode) ساخته شده است. هنگامی که نور به سطح فتوکاتد برخورد می‌کند، باعث آزاد شدن الکترون می‌شود.
تکثیر الکترون: سپس این الکترون‌ها با اعمال ولتاژ مثبت بالا به سمت مجموعه‌ای از صفحاتی به نام «دینود» (Dynode) کشیده می‌شوند. وقتی الکترون‌های ساطع‌شده از فتوکاتد به دینود اول برخورد می‌کنند، به ازای هر الکترون اولیه که به سطح آن برخورد می‌کند، چندین الکترون جدید تولید می‌شود. این «دسته» از الکترون‌ها سپس به سمت دینود بعدی کشیده می‌شوند، جایی که تکثیر بیشتر الکترون‌ها رخ می‌دهد. این توالی تا رسیدن به آخرین دینود ادامه می‌یابد، جایی که پالس الکترون اکنون میلیون‌ها برابر بزرگ‌تر از ابتدای تیوب است.
تشکیل پالس الکتریکی: در این مرحله، الکترون‌ها توسط آتدی (Anode) در انتهای تیوب جمع‌آوری می‌شوند و یک پالس الکتریکی تشکیل می‌دهند. سپس این پالس توسط دستگاه شناسایی و نمایش داده می‌شود.
2. آشکارساز یونیزاسیون گاز:
اصل کار: این نوع آشکارساز بر این اصل کار می‌کند که با عبور تشعشع از هوا یا یک گاز خاص، یونش مولکول‌های موجود در آن رخ می‌دهد.
ایجاد جریان الکتریکی: هنگامی که ولتاژ بالایی بین دو ناحیه از فضای پر از گاز اعمال شود، یون‌های مثبت به سمت طرف منفی آشکارساز (کاتد) و الکترون‌های آزاد به سمت طرف مثبت (آند) حرکت می‌کنند. این بارها توسط آند و کاتد جمع‌آوری می‌شوند که سپس جریانی بسیار کوچک در سیم‌هایی که به آشکارساز می‌روند، ایجاد می‌کنند.
اندازه‌گیری جریان: با قرار دادن یک دستگاه اندازه‌گیری جریان بسیار حساس بین سیم‌های کاتد و آند، جریان کم اندازه‌گیری و به عنوان سیگنال نمایش داده می‌شود. هرچه تشعشع بیشتری وارد محفظه شود، جریان بیشتری توسط دستگاه نمایش داده می‌شود.
انواع مختلفی از آشکارسازهای یونیزاسیون گاز وجود دارد، اما دو نوع رایج آن «اتاقک یونیزاسیون» (Ion Chamber) که برای اندازه‌گیری مقادیر زیاد تشعشع استفاده می‌شود و «شمارنده گایگر-مولر» (Geiger-Muller detector) که برای اندازه‌گیری مقادیر بسیار کم تشعشع به کار می‌رود، هستند.
آشکارساز تشعشع ابزاری حیاتی برای شناسایی و مقابله با منابع تشعشع زا
سوالات متداول درباره آشکارساز تشعشع
1. آشکارساز تشعشع چیست؟
آشکارساز تشعشع ابزاری است که برای تشخیص ذرات پرانرژی مانند آن‌هایی که از شکافت هسته‌ای، تشعشعات کیهانی یا واکنش‌ها در یک شتاب‌دهنده ذرات ایجاد می‌شوند، به کار می‌رود.
2. عملکرد لامپ‌های خلأ در آشکارسازهای سوسوزن چیست؟
لامپ‌های خلأ در آشکارسازهای سوسوزن، نور را به پالس‌های الکتریکی تبدیل می‌کنند.
3. مخفف PMT چیست؟
PMT مخفف تیوب تکثیر نور (Photomultiplier tube) است.
4. در شمارنده گایگر-مولر از چه چیزی برای جمع‌آوری تشعشعات یونیزه شده استفاده می‌شود؟
از یک سیم مرکزی که بین یک لوله پر از گاز با ولتاژ بالا قرار دارد، برای جمع‌آوری یونیزاسیون ناشی از تشعشعات برخوردی استفاده می‌شود.
5. تشعشع آلفا چیست؟
تشعشع آلفا جریانی از هسته‌های هلیوم با دو بار مثبت است.
6. تشعشع بتا چیست؟
تشعشع بتا جریانی از الکترون‌ها است.
7. تشعشع گاما چیست؟
تشعشع گاما جریانی از فوتون‌ها است.
سخن آخر
در این مطلب به بررسی آشکارسازهای تشعشع، انواع و نحوه عملکرد آنها پرداختیم. تشعشعات یونیزه کننده به دلیل خطرات سلامتی که دارند، نیازمند ابزارهای دقیقی برای تشخیص و اندازه‌گیری هستند. آشکارسازهای تشعشع با استفاده از روش‌های مختلفی مانند سوسوزنی و یونیزاسیون گاز، این امکان را فراهم می‌کنند. درک نحوه عملکرد این ابزارها، گامی مهم در جهت استفاده ایمن و کارآمد از آنها در زمینه‌های مختلفی مانند پزشکی، صنعت و تحقیقات علمی است. امیدواریم این مطلب برای شما مفید بوده باشد.
گردآوری:بخش دانش کسب و کار بیتوته
