آشکارسازی ذرات

آشکارسازی ذرات عبارتست از فرآیندی که در آن خصوصیاتی مانند جرم ، انرژی ، بار الکتریکی ، مسیر حرکت و ... و در مجموع نوع یک ذره حامل انرژی که در واکنش‌های هسته‌ای بوجود می‌آید، توسط دستگاهی (اغلب آشکارساز) تعیین می‌شود.

 دید کلی

 فرآیند آشکارسازی متشکل از یک دستگاه آشکارساز است که بسته به نوع ذره تابشی و آشکارسازی خصیصه‌ای از ذره ، نوع دستگاه فرق می‌کند. سهم عمده در آشکارسازی ذره توسط ماده‌ای متناسب با ذره تابشی در دستگاه آشکارساز انجام می‌شود که عبارت است از برهمکنش ذره باردار حامل انرژی با الکترونهای مداری ماده آشکارسازی که این برهمکنش توسط مدارهای الکترونیکی آشکارساز ، به یک پالس الکتریکی تبدیل می‌شود. عوامل موثر بر آشکارسازی ذرات در این مقوله مورد بررسی قرار می‌گیرد.

 ذرات تابشی

 واپاشی هسته‌ای یک فرآیند خودبخودی است، یعنی سیستم بطور خودبه‌خودی ، از حالتی به حالتی دیگر تغییر می‌کند. پایستگی انرژی ایجاب می‌کند که انرژی حالت نهایی پایین‌تر از حالت اولیه باشد. این اختلاف انرژی به طریقی به خارج سیستم فرستاده می‌شود. در تمام این موارد ، این امر با گسیل ذرات حامل انرژی بدست می‌آید که این ذرات یک یا ترکیبی از گسیل الکترومغناطیسی ، گسیل بتا و گسیل نوکلئون است که کلا می‌توان ذرات تابشی را به دو بخش ، ذرات تابشی باردار حامل انرژی و ذرات بی‌بار حامل انرژی ، تقسیم‌بندی کرد.

 ذرات تابشی باردار حامل انرژی

 بار الکتریکی ذرات باردار حامل انرژی سهم مهمی در آشکارسازی ذره دارد. وقتی ذره تابشی از کنار اتمها عبور می‌کند، به علت باردار بودن ، بر الکترونهای مداری نیروی الکتریکی وارد می‌کند. در این برهم‌کنش انرژی مبادله می‌شود که باعث کند شدن حرکت ذره تابشی و کنده شدن الکترونها از مدارشان می‌شود. این الکترونهای جدا شده از مدار اساس بسیاری از روشهای آشکارسازی ذرات تابشی و اندازه گیری جرم ، بار ، انرژی و ... آنها است.

 روش‌های کلی آشکار کردن ذرات باردار حامل انرژی

 سه روش اساسی برای آشکار کردن ذرات باردار تابشی با استفاده از یونش وجود دارد :

 یونش را می‌توان قابل روئیت کرد، بطوری که رد ذرات را بتوان دید و یا عکسبرداری کرد. 

 وقتی که زوج الکترون _ یون دوباره ترکیب می‌شوند، نور گسیل شده را با یک دستگاه حساس به نور می‌توان آشکارسازی کرد. 

با استفاده از یک میدان الکتریکی می‌توان الکترونها و یونها را جمع‌آوری کرد و از این طریق یک علامت الکتریکی تولید کرد.

 ذرات تابشی بی‌بار حامل انرژی

 در آشکارسازی ذرات باردار حامل انرژی ، بار ذره عامل مهمی در آشکارسازی ذره بود ولی نوترونها و فوتونها (در ناحیه پرتوهای ایکس و گاما) فاقد بار هستند، لذا روش‌هایی که برای آشکارسازی آنها بکار رفته، کمتر از ذرات باردار است. احتمال برهمکنش نوترونها یا پرتوهای ایکس و گاما با اتم یا هسته آن به‌صورت سطح مقطع کل بیان می‌شود.

 فوتونها (در ناحیه پرتوهای ایکس و گاما)

 پرتوهای ایکس و گاما با الکترونهای مداری ماده از طریق سه برهمکنش شناخته شده ، یعنی اثر فوتوالکتریک ، پراکندگی کامپتون و تولید زوج الکترون _ پوزیترون برهمکنش می‌کنند. برای پرتوهای ایکس و گاما سطح مقطع کل با مجموع سطح مقطع‌های سه برهمکنش اساسی یاد شده در بالا برابر است.

 نوترونها

 نوترونها می‌توانند پراکنده شوند و یا واکنشهای هسته‌ای ایجاد کنند که بسیاری از این واکنشها منجر به گسیل ذرات باردار حامل انرژی می‌شود. تمام روشهای آشکارسازی نوترونها در نهایت به آشکارسازی ذرات باردار منجر می‌شود که بعد از تابش نوترون به یک ماده خاص ذره باردار تابش می‌شود. برای نوترون سطح مقطع کل با مجموع سطح مقطع‌های واکنش و پراکندگی برابر می‌باشد.

 اصول کار دستگاههای آشکارساز

 اصول کار اغلب دستگاههای آشکارساز مشابه است. تابش وارد آشکارساز می‌شود، با اتمهای ماده آشکارساز برهمکنش می‌کند (اثر تابش بر ماده) و ذره ورودی بخشی از انرژی خود را صرف جداسازی الکترونهای کم‌انرژی ماده آشکارساز از مدارهای اتمی خود می‌کند. این الکترونها و یونش ایجاد شده جمع‌آوری می‌شود و توسط یک مدار الکترونیکی برای تحلیل به صورت یک تپ ولتاژ یا جریان در می‌آید.

 خصوصیات مواد آشکارساز بکار رفته در آشکارسازها

 ماده مناسب برای آشکارسازی هر ذره بستگی به نوع ذره تابشی دارد.

 برای تعیین انرژی تابشی بایستی تعداد الکترونهای آزاد شده از ماده زیاد باشد. 

 برای تعیین زمان گسیل تابش باید ماده‌ای را انتخاب کنیم که در آن الکترونها به سرعت تبدیل به تپ شوند. 

 برای تعیین نوع ذره باید ماده‌ای انتخاب شود که جرم و بار ذره اثر مشخصی بر روی ماده داشته باشد. 

 اگر بخواهیم مسیر ذره تابشی را دنبال کنیم، باید ماده آشکارساز نسبت به محل ورود ذره تابشی حساس باشد.

 انواع آشکارسازها

 اتاقک ابر

 اتاقک ابر متشکل از محفظه‌ای از هوا و بخار آب به حالت اشباع است. در اطراف یونهای تشکیل شده از تابش ذرات باردار حامل انرژی ، قطره‌های آب تشکیل می‌شود که با نوردهی مناسب می‌توان مسیر حرکت ذره را دید یا عکسبردای کرد.

 اتاقک حبابی

 اتاقک حباب متشکل از محفظه‌ای از مایع فوق گرم است. در اتاقک حباب وقتی به طرز ناگهانی از فشار کاسته می‌شود، مایع شروع به جوشیدن می‌کند. حبابها بر روی یونهایی که در مسیر ذرات باردار تابشی پرانرژی قرار دارند، تشکیل می‌شوند که می‌توان آنها را روئیت کرد یا از آنها عکسبرداری کرد.

 اتاقک جرقه‌ای

 اتاقک جرقه متشکل از دو صفحه یا دو سیم موازی است که ولتاژ قوی میان هر جفت از صفحه‌ها برقرار است. در مواقعی که جرقه‌های قوی بین دو صفحه زده می‌شود که به احتمال قوی جرقه‌ها در همان مسیر حرکت ذره باردار حامل انرژی است که در گاز مربوطه یونش ایجاد کرده است که می‌توان آن را دید یا عکسبرداری کرد.

  امولسیون عکاسی

 در مسیر ذرات تابشی باردار حامل انرژی دانه‌های هالوژنه نقره تشکیل می‌شود که می‌توان آن را پس از ظهور فیلم عکاسی روئیت کرد.

  آشکارساز سوسوزن (سینتیلاسیون)

 در یک بلور جسم جامد ، برهمکنش ذره باردار پرانرژی با الکترونهای مداری باعث کنده شدن آنها می‌شود. الکترون کنده شده وقتی در تهیجا (مدار الکترونی فاقد الکترون) می‌افتد، نور گسیل می‌کند. اگر بلور به این نور شفاف باشد، عبور ذره باردار حامل انرژی با سینتیلاسیون یا سوسوزنی نور گسیل شده از بلور علامت داده می‌شود که این علامت نوری توسط اثر فتوالکتریک به یک تپ الکتریکی تبدیل می‌شود.

 آشکارساز گازی

 در آشکارساز گازی ذره باردار حامل انرژی در گاز پر شده میان دو الکترود فلزی تولید زوج الکترون _ یون می‌کند. میدان الکتریکی از برقراری ولتاژ حاصل می‌شود که این میدان باعث شتاب الکترونها و یون‌ها به ترتیب به طرف الکترود مثبت و منفی می‌شود. چون در مسیر حرکت با اتمهای دیگر برخورد می‌کنند، حرکت آنها حرکت سوقی است.

 آشکارسازهای حالت جامد یا نیم رسانا

 این نوع آشکارسازها از یک اتصال p - n میان سیلیسیم یا ژرمانیم نوع P و نوع n تشکیل یافته است. وقتی ولتاژی در خلاف جهت رسانش دیود اعمال می‌شود، ناحیه‌ای تهی از حاملهای بار در پیوندگاه بوجود می‌آید. هنگامی که ذره باردار حامل انرژی در طول ناحیه تهی حرکت می‌کند، در نتیجه برهمکنش آن با الکترونهای داخل بلور مسیر با زوجهای الکترون _ حفره معین می‌شود. الکترونها و حفره‌ها جمع می‌شوند و تپی الکتریکی در شمارشگر بوجود می‌آید.

 طیف‌سنج‌های مغناطیسی

 در طیف‌سنج‌های مغناطیسی از میدان مغناطیسی یکنواخت استفاده می‌کنند. اگر از یک منبع چند تابش مختلف داشته باشیم، وقتی ذرات باردار حامل انرژی تابشی وارد میدان مغناطیسی یکنواخت می‌شوند، مسیرهای دایره‌ای متفاوت می‌گیرند. از برخورد این مسیرهای دایره‌ای متفاوت با وسیله ثابتی مثلا فیلم عکاسی به تعداد ذرات باردار تابشی ، تصویر تشکیل می‌شود.

 آشکارساز تلسکوپی

 آشکارسازی تلسکوپی متشکل از دو یا چند شمازشگر است که در آن تابش به ترتیب از شمارشگرها عبور می‌کند. شمارشگرهای اولیه نازک هستند، بطوری که ذره نسبتی از انرژی خود را به آنها می‌دهد، ولی در آخرین شمارشگر بطور کامل انرژی ذره جذب می‌شود. این شمارشگر بیشتر برای زمان‌سنجی استفاده می‌شوند.

 شمارشگر تناسبی چندسیمی

 این شمارشگر به عنوان آشکارسازی که نسبت به محل برهمکنش ذره حساس است، استفاده می‌شود.

  قطب‌سنج‌ها

 اغلب برای اندازه گیری قطبیدگی تابش استفاده می‌شود.