ساخت دزیمتر محیطی بر پایه بلور برمید پتاسیم

سیستم آشکارساز پرتوهای هسته‌یی(دزیمتر) محیطی بر پایه بلور «برمید پتاسیم» برای نخستین بار در کشور به همت محققان سازمان انرژی اتمی ایران طراحی شد. 

دکتر فرهاد منوچهری، استادیار مرکز تحقیقات هسته‌یی سازمان انرژی اتمی ایران و مجری این طرح در گفت‌وگو با خبرنگار «پژوهشی» خبرگزاری دانشجویان ایران (ایسنا) افزود: یکی از ملزومات افراد پرتوکار در مراکز تحقیقاتی و صنعت استفاده از دزیمتر است که پرتوهای منتشر شده از تابش‌های هسته‌یی را آشکار سازی کند.

وی اضافه کرد: البته در حال حاضر معمولا از نوعی دزیمتر استفاده می‌شود که آشکار سازی تابش‌های هسته‌یی را با دقت بالایی انجام نمی‌دهد، از این رو مراکز تحقیقاتی، بیمارستان‌ها و صنعت به سمت استفاده از دزیمترهای با دقت بالا موسوم به TL (ترمولمینسنس) روی آورده‌اند.

دکتر منوچهری با بیان این که دزیمتر‌های مورد نیاز کشور با خروج مبالغ هنگفتی ارز از خارج وارد می‌شود تصریح کرد: در قالب طرحی که با همکاری یکی از واحدهای دانشگاه‌ آزاد اسلامی و سازمان انرژی اتمی ایران انجام شد، موفق به طراحی نوعی دزیمتر TL بر پایه بلور برمید پتاسیم شدیم.

وی در عین حال افزود: البته بلورهای زیادی توانایی خاصیت ترمولومینسنس را دارند ولی هر بلوری توانایی تبدیل به دزیمترهای منظور را با تغییراتی در شبکه کریستالی آن ندارد.

این استاد دانشگاه با اشاره به کاربرد ناخالص در این ترکیب، یاد آور شد: عناصری که به عنوان ناخالصی مطرح می‌شوند از قبیل تیتانیوم، منگنز و منیزیم هستند که بخش اساسی در به کارگیری ناخالصی‌ها غلظت و ترکیب درصد ناخالص به کار گرفته شده است.

وی در خصوص مکانیزم استفاده از ناخالصی در روند تشکیل دزیمتر گفت: پس از بررسی پاسخ ناخالصی‌های مختلف و تزریق آن به شبکه کریستالی، بلورها به یک دزیمتر TL تبدیل شد که البته شاهد جوابگویی مناسب دزیمتر به دزهای بالا بوده که این نشان از موفقیت بهره‌گیری این نوع دزیمتر در شناسایی میزان دزهای محیطی داشته است.

دکتر منوچهری در پایان خاطر نشان کرد: البته با اعمال تغییراتی در ساختار کریستالی در تلاش هستیم که در زمینه شناسایی دزهای پایین نیز دزیمتر فردی با حساسیت بالا و زمینه ‌آشکار سازی مناسب طراحی شود

 

آشکارسازها ۱

آشکارساز نیم رسانا

دید کلی

توزیع الکترونها در یک جامد را می‌توان برحسب یک سری از نوارهای انرژی که هر نوار آن افقی تعداد محدودی الکترونها را در خود جای می‌دهد تصویر کرد پایین‌ترین نوارهای انرژی حاوی الکترونهایی هستند که پیوند محکمی با هسته اتم‌هایی که جسم جامد را تشکیل می‌دهند دارند. الکترونهایی که در انرژی‌های بالاتر هستند آنهایی هستند که پیوند سستی به هسته‌ها دارند.

در یک نیم رسانا انرژی لازم برای بالا بردن یک الکترون در فاصله شکاف انرژی بین نوارهای ظرفیتی و رسانش اندک است دادن یک الکترون به نوار رسانش نتیجه‌اش بر جای ماندن یک جای خالی در نوار ظرفیتی است و از آنجا که این جای خالی هم میدان الکتریکی متحرک است مثل الکترونی با بار مثبت است که حفره نامیده می‌شود در یک نیم رسانا مثل سولفید کادمیوم یک فوتون جذب شده تولید یک زوج الکترون و حفره می‌کند یک فوتو رسانایی نظیر این می‌تواند در یک مدار الکتریکی برای آشکارسازی تابش مورد استفاده قرار گیرد.

آشکارسازهای فوتو ولتایی

اگر ماده نوع n (حامل‌های اکثریت الکترونها) در کنار ماده نوع p (حاملهای اکثریت حفره‌ها) قرار گیرد، الکترونهای اضافی حفره‌ها در دور و بر پیوندگاه این دو نوع ماده ترکیب می‌یابند. این روند ترکیب ، انرژی‌های نسبی نوارهای رسانشی و ظرفیتی را تغییر می‌دهد. جریان حفره‌ها را الکترونها در پیوندگاه را متوقف می‌کند و باعث ایجاد یک میدان الکتریکی موضعی دائم در پیوندگاه می‌شوند اگر یک کوانتوم از تابش هر فردی بر منطقه پیوندگاه جذب و یک زوج الکترون و حفره تولید شده باشد. چنانچه میدان پیوندگان ، حاملان بار را پیش از اینکه بتواند دوباره ترکیب یابند، از همدیگر جدا کند آنگاه در یک مدار باز یک ولتاژ غیر صفر در دو قطبی پدیدار می‌شود و در یک مدار بسته جریان الکتریکی برقرار خواهد شد.

هرگاه یک وسیله اندازه گیری ولتاژ یا جریان به مدار افزوده شود، حاصلش یک آشکارساز نور است. آشکارسازی که ولتاژ یا جریان را بدون هر منبع اضافی ولتاژ تغذیه می‌کند گفته می‌شود که در مد فوتوولتایی کار می‌کند. یک آشکارساز نیم رسانا قادر است که تابش را به توان الکتریکی تبدیل کند. وسیله‌ای که این کار را به بهترین وجه انجام می‌دهد سلول خورشیدی است. این پیوندها از ماده نوع n و p که منطقه پیوندگاه بزرگ است می‌سازند. نور ورودی بر این سطح وسیع تولید زوج الکترون حفره می کند و الکتریسیته ایجاد می شود.

فوتو آشکارسازها

یکی از مزایای استفاده از نیم رساناها در مد فوتوولتایی این است که به منبع قدرت خارجی هیچ نیازی وجود ندارد ولی هرگاه که زمان پاسخ سریع و حساسیت بیشتر باشد، آنگاه یک ولتاژ تغذیه به دو قطبی اعمال می‌شود این کار میدان را در منطقه پیوندگاه افزایش می‌دهد و حجمی موسوم به لایه تهی تولید می‌کند که در آن هیچ حامل بار متحرکی وجود ندارد به سبب حضور میدان الکتریکی پاسخ زمانی چنین وسایلی را می‌توان تا 10 نانو ثانیه کاهش داد. برای افزایش دادن اندازه پیوندگاه و لذا لایه تهی بعضی اوقات دوقطبی‌هایی با یک لایه اضافی که دارای رسانندگی یکسان با مواد (خالص) هستند ساخته می‌شود. لایه‌ها در ترتیب p-i-n هستند که در آن i نماینده ذاتی است این وسیله را یک فوتو دوقطبی PIN می‌نامند.

فوتو دوقطبی‌های بهمنی

میان فوتو دوقطبی‌های نیم رسانای ارزان قیمت و فوتو تکثیرکنهای گران قیمت ، شکاف حساسیت بزرگی در حدود 1 آمپر بر وات تا 1000 آمپر بر وات وجود دارد این شکاف را فوتو دوقطبی‌های بهمنی که حساسیت آنها در دور 10 وبر تا 1000 آمپر بر وات است، پر می‌کنند. فوتو دوقطبی بهمنی شبیه لامپ فوتوتکثیرکن است‌، در معنای میکروسکوپی یک فوتون جذب شده تولید زوج الکترون – حفره می‌کند.

هر حامل بار که بوسیله میدان مذکور مقداری شتاب می‌گیرد با شبکه بلوری نیم رسانا برخورد می‌کند. در چنین حالتی انرژی جنبشی افزایش یافته تبدیل به ایجاد زوجهای حاصل بار اضافی می‌شود مثل الکترونها در تکثیرکننده فوتونی که تولید الکترونهای بیشتری در نتیجه برخورد با داینودها می کند . این روش تکثیر بار است که نام فوتو دوقطبی بهمنی را به آن داده است.

آرایه‌های فوتو دیودی

یک آرایه دوقطبی عبارت است از یک ردیف خطی یا یک ردیف دو بعدی از دو قطبی‌هایی که به همدیگر به گونه‌ای وصل می‌شوند که مدار الکترونیکی حاصل بتواند پاسخ فوتو دوقطبی‌ها را به روالی منظم ذخیره و قرائت کند. این وسیله ترکیبی است از یک لامپ تصویر ، یک صفحه عکاسی و یک فوتو دوقطبی. ساختمان این آرایه‌ها با ساختمان یک مدار یکپارچه در مقیاس بزرگ مشابهت زیاد دارد یک آرایه فوتو دوقطبی اساساً از یک رشته فوتو دوقطبی‌ها به صورت یک خط یا یک مربع نشانده می‌شوند، تشکیل می‌یابد. خود دوقطبی‌ها یا دارای ظرفیت کوچک هستند یا همراه یک خازن ساخته می‌شوند. یک آرایه فوتو دوقطبی ثبات ، تغییر مکان - دوقطبی‌ها و خازن را به خط تصویری وصل می‌کند تا خازن را پر کرده و یک لایه تهی در دوقطبی ایجاد کند. طی نوردهی فوتونهای ورودی جذب می‌شوند و تولید زوجهای الکترون – حفره می‌کنند.

کاربردهای ویژه

آرایه فوتو دوقطبی یک تزویج عالی بین اپتیک و تکنولوژی نیم رساناها می‌باشد. از این آرایه می‌توان در کاربردهای صنعتی به عنوان یک سنجنده غیر تماسی هم برای ذخیره و اندازه‌گیری و هم برای تشخیص نقوش استفاده کرد. در بینابینی علمی کاربرد آن بصورت یک صفحه عکاسی الکترونی که دارای مزیت خطی بودن و مرتبط به کامپیوتر است رواج دارد. در زمینه‌های گرافیکی و مخابراتی می‌تواند جای تلویزیون را بگیرد، قیمت اکثر فصایل آن نسبتاً گران است بالاخص در کاربردهایی که مستلزم ذخیره کامپیوتری و نرم افزارهای مرتبط با آن است این امر مصداق می‌یابد.

آشکارساز 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 آشکارساز 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 آشکارساز 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 ، فوتومولتی 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 آشکارسازی با روش سنتیلاسیون ، آشکارسازی ، ثبت و تجزیه و تحلیل پالس‌هایی که با هر یک از ذرات تابش بوجود می‌آیند را امکان‌پذیر ساخته است.

مکانیزم کار شمارنده سنتیلاتور

قتی 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

اشعه مادون قرمز

گسترده اشعه مادون قرمز

منطقه اشعه مادون قرمز بین طول موجهای 0.8 میکرومتر (که حد نور مرئی است) و 343 میکرومتر قرار دارد.
در اشعه مادون قرمز طول موجهای کوتاهتر از 1.5 میکرومتر از پوست می‌گذرند و بقیه جذب شده و تولید حرارت می‌کنند. اشعه مادون قرمز را به دو قسمت تقسیم می‌کنند:

• طول موجهای بین 0.8 میکرومتر تا 4 میکرومتر.
  
  
• طول موجهای بلندتر از 4 میکرومتر که اغلب بوسیله مواد جذب می‌شوند، بخصوص طول موجهای بلندتر از 10 میکرومتر بوسیله هوا کاملا جذب می‌شوند.

جذب اشعه مادون قرمز

• آب یکی از مواد خیلی جاذب اشعه مادون قرمز است. محلول نمک طعام در حدود 20 برابر آب خالص اشعه را جذب می‌کند.
  
  
• شیشه معمولی برای اشعه مادون قرمز بلند به کلی غیر قابل نفوذ است و مورد استفاده آن در ساختن گلخانه‌ها برای حفظ گلها از سرما به سبب همین خاصیت است.

منابع اشعه مادون قرمز

منبع طبیعی

بزرگترین منبع طبیعی اشعه مادون قرمز ، خورشید است. مقداری از نور آفتاب که به ما می‌رسد، دارای اشعه مادون قرمز کوتاه است، زیرا پرتوهای مادون قرمز بلند آن در طبقات هوا جذب شده‌اند.

منبع مصنوعی

• اجسام ملتهب
  
  بهترین منبع مصنوعی برای اشعه مادون قرمز ، اجسام ملتهب می‌باشند که طول موج آنها بر حسب درجه حرارت تغییر می‌کند. اگر بخواهیم اشعه مادون قرمز تنها داشته باشیم، باید نور این قبیل منابع مصنوعی را بوسیله شیشه‌هایی که در ترکیب آنها ید و یا اکسید منگنز دو (MnO) وجود دارد، صاف کنیم. این نوع صافیها طیف مرئی را جذب می‌کند و فقط اشعه مادون قرمز کوتاه را عبور می‌دهند.
  
  
• عبور حریان الکتریکی از مقاومتها
  
  روش دیگر که سهل و عملی است، عبور جریان الکتریکی از مقاوتهای فلزی است، بطوری که این مقاوتها سرخ می‌شوند. این مقاومتها غالبا از آلیاژهای آهن و نیکل ساخته شده‌اند.
  
  
• چراغ با مفتول زغال چراغهایی که مفتول آنها از زغال چوب ساخته شده است، نیز به نسبت زیاد اشعه مادون قرمز دارند. در این چراغ نسبت اشعه کوتاه بین 1 میکرومتر و 7 میکرومتر خیلی کم ، ولی نسبت اشعه مادون قرمز بلند آن زیاد است.
  
  
• چراغ بخار جیوه چراغ بخار جیوه نیز ، اشعه مادون قرمز با طول موج کوتاه بین 0.92 میکرومتر و 1.3 میکرومتر تولید می‌کند، ولی نسبت اشعه حاصله نسبت به سایر منابع کمتر است.

اندازه گیری اشعه مادون قرمز

برای اندازه گیری اشعه مادون قرمز از جذب انرژی حرارتی آن استفاده می‌نمایند، یعنی این اشعه را به جسمی می‌تابانند که بتواند کلیه انرژی را جذب کند و سپس مقدار حرارتی را که در جسم مزبور تولید گشته ، اندازه می‌گیرند.

• پیل ترموالکتریکی : وسیله دقیق دیگر برای اندازه گیری اشعه مادون قرمز ، استفاده از پیل ترموالکتریک می‌باشد که در آن انرژی حرارتی تبدیل به انرژی الکتریکی می‌شود و به سهولت قابل اندازه گیری است.
  
  
• سوزن ترموالکتریک : برای اندازه گیری درجه حرارت در داخل نسوج زنده از دستگاهی به نام سوزن ترموالکتریک استفاده می‌کنند.

خواص فیزیولوژیکی اشعه مادون قرمز

• اشعه مادون قرمز سبب گرم شدن پوست و نسج سلولی زیر جلدی می‌شود.
  
• اشعه مادون قرمز ممکن است در پوست سوختگی‌های نسبتا شدیدی ایجاد نماید.
  
• اگر اشعه مادون قرمز را به مقدار مناسب بکار برند، در نتیجه اتساع رگهای زیر پوست ، سبب تسهیل اعمال فیزیولوژیک پوست می‌شود و حتی از راه عکس‌العمل پوستی در بهبودی حال عمومی ‌نیز می‌تواند موثر واقع شود.
  
• این اشعه خاصیت تسکین درد را نیز دارد که علت آن همان اتساع عروق و بهتر انجام گرفتن عمل رفع سموم و تغذیه بافتها است.

کاربرد اشعه مادون قرمز

• ترموگرافی
  
• طیف سنجی
  
• بالا بردن متابولیسم

اشعه فرابنفش

گستره اشعه فرابنفش

اشعه فرابنفش بین طول موجهای 0.0144 میکرومتر و 0.39 میکرومتر است. اشعه فرابنفش را به سه منطقه تقسیم می‌کنند:

• ماورا بنفش با طول موج بلند یا ماورا بنفش A : این اشعه بین طول موجهای 0.39 و 0.315 میکرومتر قرار دارد. نسبت این اشعه در نور آفتاب ، قوس الکتریکی زغال و چراغهای الکتریکی معمولی زیاد است.
  
  
• ماورا بنفش با طول موج متوسط یا ماورا بنفش B : این اشعه بین طول موجهای 0.315 و 0.28 میکرومتر است. این اشعه در نور چراغ بخار جیوه و قوسهای الکتریکی با الکترودهای فلزی وجود دارد، تاثیر آنها در پوست شدید است.
  
  
• ماورا بنفش با طول موج کوتاه یا ماورا بنفش C : این اشعه شامل طول موجهای کوتاهتر از 0.28 میکرومتر است و فقط در قوس الکتریکی جیوه وجود دارد.

جذب اشعه فرابنفش

• از شیشه معمولی فقط اشعه فرابنفش A عبور می‌کند. در صنعت شیشه‌هایی با ترکیبات مخصوص می‌سازند که طول موج 0.26 یعنی ماورا بنفش B و A و قسمتی از C را نیز عبور دهد.
  
  
• شفافیت کوارتز خیلی بیشتر از شیشه است و فقط طول موجهای کوتاهتر از 0.18 میکرومتر در آن جذب می‌شود. به همین سبب حبابهای چراغهای مولد اشعه فرابنفش را از کوارتز تهیه می‌کنند.
  
  
• آب خالص برای اشعه فرابنفش ، شفاف‌ترین مایعات است و طبقات نازک آن امواج بلندتر از 0.2 میکرومتر را از خود عبور می‌دهند.
  
  
• گازها معمولا برای اشعه فرابنفش ، شفاف هستند و طول موجهای بلندتر از 0.18 میکرومتر از لایه‌های نازک هوا بخوبی عبور می‌کنند.

منابع اشعه فرابنفش

منابع اشعه فرابنفش خیلی زیاد است. تعدادی از آنها عبارتند از:

قوس الکتریکی زغال

نسبت اشعه فرابنفش در قوس الکتریکی زغال نسبتا کم است، ولی اگر اکسیدهای فلزی به الکترودهای زغالی اضافه کنند، مقدار این اشعه افزایش می‌یابد. برای این کار الکترودهایی می‌سازند که در آنها یک غلاف زغالی دور اکسید فلزی را گرفته است. قوسهایی که الکترود آنها از فلز خالص ساخته شده باشند، نیز به نسبت زیاد اشعه فرابنفش دارند.

چراغهای بخار جیوه

مهمترین و متداولترین منابع اشعه فرابنفش چراغهای بخار جیوه هستند که با مصرف کم نیروی الکتریکی ، مقدار زیادی اشعه فرابنفش تولید می‌کنند. قسمت اساسی لامپ از لوله‌ای از جنس کوارتز ساخته شده است که در دو طرف آن دارای دو مخزن جیوه است.

اندازه گیری اشعه فرابنفش

اساس اندازه گیری اشعه فرابنفش متکی به خواص فیزیکی و شیمیایی آن است. وسایلی که برای اندازه گیری اشعه فرابنفش وجود دارد، اکتی نومتر (Actinometer) نامیده می‌شود و به سه دسته تقسیم می‌شود:

• پیل ترموالکتریک : جسمی را که کلیه اشعه را جذب می‌کند، در معرض تابش اشعه قرار داده و حرارت حاصله را اندازه گیری می‌کنند.
  
  
• اکتی نومتر فیزیکی : مهمترن این نوع اکتی نومترها سلول فوتوالکتریک (Photoelectric) است که از یک حباب از جنس کوارتز که به خوبی تخلیه شده است، تشکیل شده و نیز شامل دو الکترود است.
  
  
• اکتی نومتر شیمیایی : املاح نقره در اثر تابش اشعه فرابنفش احیا شده و چون نقره آن آزاد می‌گردد، املاح سیاه رنگ می‌شود. اکتی نومتری که متکی به خاصیت فوق است، اکتی نومتر بوردیه (Bordier) است.
  
  
  خواص فیزیکی و شیمیایی اشعه فرابنفش
  
  
  

خواص فیزیکی اشعه فرابنفش

خاصیت فوتوالکتریک

اگر اشعه فرابنفش به فلزات بتابد، از آنها الکترون جدا می‌کند، ولی جدا شدن الکترون در کلیه فلزات به یک اندازه نیست و حساسیت کادمیوم بیش از همه می‌باشد. مقدار الکترونی که از فلز جدا می‌شود، متناسب با مقدار انرژی اشعه‌ای است که به آن می‌تابد.

خواص شیمیایی اشعه فرابنفش

خاصیت فلوئورسانس

یکی از خواص مهم و جالب اشعه فرابنفش خاصیت فلوئورسانس آن می‌باشد. اگر در مقابل اشعه فرابنفش و یا یک چراغ بخار جیوه ، اجسامی از قبیل گچ و کولوفان (Colophan) و محلول سالسیلات دو سود یا آنتی پیرین و یا بعضی از سنگهای معدنی را قرار دهند، ملاحظه می‌شود که هر یک به نسبت جذب اشعه به رنگهای مختلف درخشندگی پیدا می‌کند. این خاصیت نیز بستگی به طول موج و شدت جذب اشعه دارد. بعضی اجسام در مقابل اشعه فرابنفش با موج بلند این خاصیت را ندارند و به عکس در مقابل اشعه فرابنفش با موج کوتاه خاصیت فلوئورسانس پیدا می‌کند.

خاصیت فوتو شیمیایی

اشعه فرابنفش باعث تعداد زیادی فعل و انفعالات شیمیایی می‌شود و این خاصیت در اشعه با موج کوتاه 0.3 میکرومتر شدیدتر است. از جمله مانند نور مرئی که املاح نقره را تجزیه و فلز آنها را آزاد می‌سازد و این خاصیت در اشعه با موج کوتاه بیشتر است. مدتها برای اندازه گیری مقدار اشعه فرابنفش از این خاصیت استفاده می‌کردند.

کاربرد اشعه فرابنفش

1. برای ضد عفونی کردن آبها
2. تحریک پذیری شدید روی اعضای حسی سطحی
3. تخریب نسوج
4. تخریب باکتریها

آشکار سازی 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.