آشكار سازهاي سنتيلاسيون (سوسوزن)

آشكار سازهاي سنتيلاسيون (سوسوزن)

دو نوع آشكار ساز سوسوزن وجود دارد (1) بلورهای معدني جامد و (2) پلاستيك و مايعات آلي. در اين سوسوزنها نوع برانگيختگي متفاوت بوده ولي نتيجه نهائي يكسان است. با عبور ذرات باردار از ميان ماده انرژي از دست رفته بوسيله آنها به انرژي برانگيختگي بلورهای معدني يا برانگيختگي مولكولي مولكولهاي آلي تبديل مي گردد. انرژي برانگيختگي بصورت فلورسانس يا سوسوزني رها مي شود. تعداد فوتونهاي نوري گسيل شده در هر واقعه متناسب با انرژي از دست رفته بوسيله ذره باردار اوليه در واقعه است. وابستگي زماني گسيل فلورسانس، و لذا شكل پالس خروجي وابسته به نوع خاص ماده است.

اگر چه ماده سوسوزن از يكصد سال پيش براي آشكارسازي تابش يونساز مورد استفاده قرار گرفته، كاربرد گسترده آنها به زمان توسعه لامپ تكثير كننده نوري (فوتومولتي پلاير PMT) يعني به حدود 50 سال پيش بر مي گردد. اين لامپ خلاء اندازه گيري مقدار بسيار كم نور را امكان پذير مي سازد. در يك PMT فوتونهاي فرودي به يك فوتوكاتد برخورد مي كنند كه در اين صورت فوتوالكترون آزاد مي گردد. سپس فوتو الكترونها بطرف الكترود ديگري در پتانسيل بيشتر شتاب داده مي شوند كه در آنجا الكترونهاي برخورد كننده پرانرژي موجب گسيل الكترونهاي بيشتري مي گردند. اين فرايند تكثير الكترون در طي يك سري الكترودها، ادامه پيدا مي كند. تعداد الكترونها كه در نهايت در الكترود نهائي جمع آوري شده ممكن است. ميليونها برابر بيشتر از تعداد الكترونها باشد كه آبشار را شروع كرده اند. در اصل يك تقويت كننده فوتون به الكترون است.

يك مجموعه ويژه آشكار ساز سنتيلاتور داراي يك ماده سنتيلاسيون بسته است كه از نظر اپتيكي روي يك فوتوكاتد PMT سوار شده است. يك رشته تقسيم کننده ولتاژ (VDS) در (PMT) و يك پيش تقويت كننده جهت توليد يك پالس ولتاژ از الكترونهاي جمع آوري شده در الكترونهائي PMT بكار رفته است. اين اجزاء تشكيل دهنده معمولاً بصورت يك مجموعه به هم وصل شده اند. با بكاربردن اين آرايه معمولي، مجموعه آشكارساز يك دستگاه كاملي است كه تنها نياز به يك ولتاژ خارجي براي PMT و يك منبع تغذيه خارجي براي پيش تقويت كننده دارد. چنين مجموعه اي غالباً آشكارساز سوسوزني ناميده مي شود.

اندازه پالسهاي ولتاژ خروجي متناسب با انرژي انتقال يافته بوسيله ذرات باردار توليد شده در ماده سوسوزني است. يك پرتو گاماي نفوذي به ماده سوسوزني ممكن است انرژي خود را از طريق برهم كنش هاي فوتوالكتريك، پراكندگي كامپتون و توليد جفت انرژي خود را به سوسوزن بدهد. چنانچه همه(تمام) انرژي پرتو- گاماي فرودي به ماده سوسوزن انتقال يابد، تعداد فوتونهاي سنتيلاسيون توليد شده متناسب با انرژي پرتوگاماي فرودي مي باشد. لذا، با اندازه گيري توزيع اندازه هاي پالس يا توزيع ارتفاع پالس (PHD) توليد شده بوسيله آشكار ساز سوسوزن، توزيع انرژي پرتوهاي گاماي فرودي مي تواند ، تعيين گردد. لذا يكي از مهم ترين كاربردهاي آشكار سازهاي سنتيلاسيون اسپكتروسكوپي پرتو- گاما است. خواص آشكار سازهاي معمول سوسوزن در جدول 8-2 داده شده است.

 

 

جدول8-2: مواد معمولي سنتيلاسيون

ماده	ثابت واپاشی (نانو ثانيه  10^-9 s)	كاربردهاي عمده	توضيحات
معدني: NaI(Tl)	230	1)آشكار سازهاي پرتو x و 2)طيف سنج ها پرتو x و	1- رطوبت گير
			2- ماده با Z زياد
			3- 3 اينچ در 3 اينچ معمولترين براي پرتو
			4- قدرت تفكيك پرتو  با 6 تا 8%
			5- شكل عمودي استوانه اي معمولترين شكل، استوانه اي
			6- نوع- چاهي داراي كارآئي برجسته است.
آلي:	4/2	1)آشکارسازهای پرتوx و 2)آشکارسازهای دروازه ها و سطوح بزرگ 3) آشکارسازهای a و b و نوترونهای سریع 4) طیف سنج های b	1- غير رطوبت گير
BC-400			2- هزينه كم
NE-102			3- Z كم، حداقل اثر فوتوالكتريك
پلاستيك			4- بازدهي زياد براي ذرات باردار
			5- قابل دسترسي در اندازه ها و شكلهاي گوناگون

 

آشكار سازهاي سنتيلاسيونNaI

متداول­ترين ماده معدني سوسوزن NaI(TI) است. اين آشكارسازها در اندازه ها و اشكال گوناگوني قابل دسترسي هستند با توجه به اينكه حداكثر طول موج نور گسيل شده بوسيله اين ماده برابر 415nm است، پيدا كردن PMT هاي قابل دسترسي تجاري كه حداكثر حساسيت آنها با طيف گسيل فلورسانس منطبق باشد آسان است ثابت زماني واپاشی نسبتاً زياد معمولاً مسئله اي نيست چرا كه كارآئي بسيار زياد براي پرتو-X و پرتوگاما برتري زيادي بر پاسخ نوري آنها دارد. از آشكار سازهاي گوناگون (NaI(Tl  موجود كه براي مشخص نمودن ميدانهاي تابش پرتوگاما استفاده مي شود، آشكارساز استوانه اي دايره­اي با اندازه 3×3  اينچ، از نظر تاريخي مناسب مطلوب بوده است. اين نوع آشكار ساز  NaI(Tl)  بطور  گسترده اي بكار رفته و داده هاي كارآئي گسترده در كتابها و مجلات وجود دارد. توزيع ارتفاع پالسي معمول با)  NaI(Tl در شكل 8-6 نشان داده شده است.

با توجه به بازدهي بسيار زياد براي تابش الكترو مغناطيسي (شكل 8-7 را ملاحظه كنيد)، NaI(Tl)  بطور گسترده اي جهت اندازه گيري پرتوهاي- X و پرتوهاي –  بكار رفته است. آشكارسازهاي پرتوX-  با پنجره اي نازك حاوي آشكارساز بسيار نازك (NaI(Tl  غالباً براي اندازه گيري شدت و يا طيف انرژي  تابش الكترومغناطيسي با انرژي كم مورد استفاده قرار مي گيرد، با توجه به اينكه آشكار ساز هاي) NAI(Tl  نياز به خنك شدن ندارند، دازاي كاربردهاي زيادي هستند. كاربردهاي صحرائي با اين آشكار سازها امكان پذير است چرا كه مي توانند در مدت زمان طولاني در محيط گرم و مرطوب بكار گرفته شوند و بطور قابل ملاحظه اي در مقابل ضربه مقاومت نشان مي دهند و در مقابل تخريب تابشی هم مقاوم هستند.

اساساً براي هر كاربرد نياز به يك آشكار ساز با كارآئي زيادي پرتو گاما و با قدرت تفكيك متوسط، آشكار ساز) NaI(Tl  بوضوح انتخاب مناسبي است.

 

مقايسه سوسوزن هاي معدني

پيشرفتها در توموگرافي رایانه ای پرتو-X (CTX) و توموگرافي گسيل پوزيترون (PET) نيازهاي جديدي را در رابطه با سرعت، كارآئي، و عدد اتمي موثر سوسوزن هاي بكاررفته براي پرتوX- و فوتون نابودي را مطرح كرده است. جدول 8-3، NaI را با چند سنتيلاتورجديد معدني مقايسه مي كند.

 

جدول 8-3: مقايسه مواد معدني سوسوزن

سوسوزن	NaI(Tl)	BGO Bi4Ge3O12	LSO Lu2(SiO4)O	GSO Gd2siO5
بهره نسبي نور	100	20-15	75	25-20
طول موج قله (nm)	410	480	420	440
ثابت واپاشی (ns)	230	300	42و12	60-30
چگالي((g/cm^3	3/67	13/7	40/7	71/6
عدد اتمي موثر	51	75	66	59
ضريب شکست	85/1	15/2	82/1	85/1

 

آشكار سازهاي سوسوزن آلي

آشكارسازهاي سنتيلاسيون آلي نيز بسيار متداول هستند. وقتي كه آشكار ساز بزرگتر با هزينه كم مورد نياز باشد عالي ترين انتخاب هستند. اين سوسوزن براي طيف نهائي تابش الكترو مغناطيسي با انرژي زياد كاربردي ندارند چرا كه عدد اتمي كوچك حساسيت فوتوالكتريك آنها را محدود مي سازد. لذا، پراكندگي كامپتون از تقريباً 60keV تا 10MeV غالب است. علاوه بر آن، از آنجا كه آشكارسازها حاوي تنها هيدروژن و اكسيژن با چگالي 1/032g/cm³ باشند،  يك آشكار ساز ″نزديك معادل بافت″  تشكيل مي دهند. كاربردهاي معمول شامل دستگاههاي بازرسي قابل حمل و نقل ؛ مونيتورهاي قابل حمل و طيف سنج های ذره- بتا مي باشد.

8-3: آشكار سازهاي نيمه هادي پرتو- يونيزان

طرز كار اين آشكارسازهاي پرتو براساس جديدترين فناوري ها استوار است. تاثير اين آشكارسازها بر اندازه گيري پرتو با توجه به خواص يگانه نيمه­ هادي، مخصوصاً قدرت تفكيك انرژي برجسته آنها بسيار زياد بوده است.

 

جدول 8-4: آشكار سازهاي معمولي  نيمه هادي تابش يونساز

ماده	قدرت تفكيك انرژي(FWHM)	كاربرد اصلي	توضيحات
HPGe	2KeV در 1/33MeV 1KeV در 122KeV 0/15KeV در 5/9KeV	انرژي پرتو-X و پرتو گاما، اندازه گيري ها	1- قدرت تفكيك عالي
			2- عدد اتمي متوسط
			3- هزينه بالا با بازدهي پرتو ،  متغير است
			4- هنگام استفاده خنك شدن لازم دارد
			5- حجم كوچك
Si(Li)	0/14KeV در 5/9KeV  از ^55Fe	اندازه گيريهاي انرژی پرتو-   X (KeV پائين) و ذرات باردار  (مخصوصا α)	1- قدت تفكيك عالي
			2- عدد اتمي پائين
			3- هزينه پائين
			4- نياز به خنك شدن ندارد
			5- حجم پائين
			6- پنجره هاي ورودي نازك
تلورايد Cd/Zn/ (CZT)	1/5KeV در 122KeV از ^57CO	براي اندازه گيريهاي انرژي پرتوX- و انرژي كم پرتو	1- قدرت تفكيك خوب
			2- عدد اتمي بالا
			3 پر هزينه
			4- حداقل خنک شدن لازم دارد
			5- تنها در اندازه هاي پائين قابل دسترسي است

آشكارسازهاي جديد نيمه هادي ، پيوسته به بازار عرضه مي شوند. سه نوع از معمولترين اين آشكارسازها در جدول 8-4 توضيح داده شده اند.

 

 آشكارسازهاي نيمه هادي ژرمانيوم

دو نوع اصلي آشكارسازهاي نيمه هادي ژرمانيوم وجود دارند: (1) Ge(Li)، يك بلور ژرمانيوم همراه با رانش فاصله دار يونهاي ليتيوم براي حذف اثر، ناخالصي هاي طبيعي در بلور ژرمانيوم و (2) بلور ژرمانيوم با خلوص زياد HPGe كه اخيراً معرفي شده و در آن غلظت اتم ناخالص كمتر از 10¹⁰cm^-3  است. آشكارسازهاي گرانتر HPGe جايگزين فناوري Ge(Li) قديمي تر شده اند چرا كه مي توانند هنگامي كه مورد استفاده قرار نمي گيرند در دماي اتاق نگهداري شوند در حاليكه بلورهای Ge(Li) لازم است هميشه در دماي نيتروژن مايع نگهداري شوند.

آشكارسازهاي ژرمانيوم علاوه بر مزيت قدرت تفكيك انرژي استثنائي، براي آشكارسازي فوتونها كارآئي زياد دارند. كارآئي آنها براي پرتوهاي X- با انرژي هاي كم عالي بوده و براي پرتوهاي با انرژي گاما از 1KeV تا 10MeV خوب است. كيفيت اين آشكارسازها غالباً با NaI(Tl) و تلوريد روي (CZT)Cd/Zn مقايسه مي گردد. با توجه به عدد اتمي زيادتر و اندازه بزرگتر، آشكار سازهاي NaI(Tl) غالباً داراي كارآئي بيشتري براي پرتو گاما با انرژي زياد نسبت به آشكارسازهاي ژرمانيوم هستند ولي داراي قدرت تفكيك ضعيف انرژي مي باشند.