سنتیلاسیون مایع

 مقدمه

شمارش سنتیلاسیون مایع بهترین روش جهت شمارش گسیلنده های بتای ضعیف مانند H3 ،C14 ، S35 است. درحقیقت ممکن است این روش برای شمارش هر رادیوایزوتوپی بکار رود ولی هزینه و مشکلات تهیه محلولهای مخصوص برای شمارش را در بر خواهد داشت.

ماده رادیواکتیوی که باید شمارش شود در حلالی که حاوی یک سنتیلاتور آلی است، حل می شود. بنابراین این چشمه بطور نزدیک با آشکارساز مخلوط شده و اثرات ناشی از جذب پرتوها به حداقل می رسد. محلول در ظرف شیشه ای دربدار جای گرفته سپس بطور دستی یا مکانیکی در اطاقکی با روشنائی کم قرار می گیرد که درآنجا یک یا چند لوله تقویت کننده نوری سنتیلاسیونها را آشکار نموده وجهت شمارش به پالسهای الکتریکی تبدیل می کند.

این روش شمارش معمولا دارای بازدهی شمارش بسیار خوبی مثلاً 90 درصد برای C14 و40 درصد برای H3 است. این دستگاهها در حال حاضر برای انواع دیگر آنالیزها که درآنها لازم است شدت کم پالسهای کوچک اندازه گیری شود بکارمی رود، که شامل شمارش پدیده چرنکوف[1] و نورتابی[2] می باشد.

فرایند انتقال انرژی

وقتی که یک ذره بتا گسیل می شود در داخل محلول حرکت نموده و بوسیله میدان الکتریکی مولکولهائی که با آنها برخورد می کند پراکنده می گردد. هربار که الکترون پراکنده می شود مقدار کمی از انرژی خود را به یک مولکول انتقال       می دهد. ممکن است قبل از توقف هزاران بار پراکنده گردد. معمولاً 95 درصد مولکولهای محلول آلی هستند و در نتیجه مولکولهای حلال بیشترین قسمت انرژی ذره بتا را به خود اختصاص می دهند. برای انتقال این انرژی به مولکولهای سنتیلاتور حلال باید دارای حالت برانگیخته ای بالاتر از حالت برانگیخته مولکولهای سنتیلاتور بوده و طول عمر آن به اندازه کافی طولانی باشد تا انتقال انرژی در برخورد صورت گیرد . نقش حلال در شمارش با سنتیلاتور مایع بسیار مهم است و تعداد کمی از حلالها دارای شرایط لازم هستند، آب دارای این شرایط نمی باشد.

شمارش تناسبی

با توجه به اینکه شدت نور رسیده به لوله تقویت کننده نوری متناسب با انرژی اعمال شده به محلول توسط ذرات بتا می باشد، شمارش سنتیلاسیون مایع نوعی شمارش تناسبی است. بطوریکه قبلاً خاطر نشان شد (شکل 2-2 را ببینید) طیف انرژی یک گسیلنده بتا یک طیف پیوسته  بوده و از صفر تا Emax گسترش می یابد. جدول (12-1) مقادیرEmax و دیگر مشخصات را برای برخی از  گسیلنده های بتای ضعیف که غالبا با سنتیلاتورهای مایع شمارش می شوند، نشان می دهد. مقدارEmax  برای C14 در حدود 9 برابر Emax برای H3 است. این نشان  می دهد که قویترین سنتیلاسیون حاصل از C14 ، 9 مرتبه روشن تر از سنتیلاسیون H3  است. حال از آنجا که یک تقویت کننده نوری وسیله تناسبی است، در نتیجه بازدهی شمارش C14 بالاتر از H3  خواهد بود. همیشه آشکار کردن پالسهای بزرگتر C14 ساده تر از پالسهای حاصل از H3 است. بعضی از آنها به قدری کوچک هستند که قابل مقایسه با پالسهای حاصل از الکترونهای حرارتی فوتوکاتد که بطور گاه و بیگاه گسیل می شوند، می باشد. برای حذف پالسهای کوچک حاصل از نویزهای یونیزاسیون حرارتی در تقویت کننده نوری لازم است، تفکیک کننده ایی بکار گرفته شود و این قسمت بزرگی از طیف H3 را حذف می کند.

 

جدو12-1 مشخصات گسیلنده های بتای ضعیف که اغلب با شمارشگرهای سنتیلاسیون

مایع شمارش می شوند .

رادیوایزوتوپ

Emax(keV)

2/1T

حداکثر اکتیویته مخصوص (MBq/mg atom)

H3

18

26/12 سال

1079

C14

156

5730 سال

308/2

S35

167

2/87 روز

55408

 

در قدیمی ترین سنتیلاتورهای مایع، معمولاً تقویت کننده نوری برای کاهش نویزهای حاصل از یونیزاسیون حرارتی خنک می شد و در نتیجه تفکیک کننده می توانست در سطحی پایین تنظیم گردیده و بدین ترتیب بازدهی شمارش برای تریتیم اصلاح می شد. علیرغم اینکه در حال حاضر بسیاری از شمارشگرهای سنتیلاسیون مایع خنک می شوند، ولی توسعه کیفیت لوله های تقویت کننده نوری و  ورود شمارش انطباقی[1] کمک زیادی برای حذف نویزهای انرژیهای پایین نموده است.

پالسهای خروجی از دو تقویت کننده نوری با هم جمع شده و ایجاد پالسهای «جمع» می کند. این پالس به ورودی سه تقویت کننده پالس جداگانه که هرکدام از آنها به یک تحلیلگر ارتفاع پالس تک کاناله وصل است وارد می شود. خروجی هریک از این تحلیلگرها از طریق درب الکترونیکی به یک ساختار شمارش جداگانه فرستاده می شود. این درب معمولاً بسته بوده و فقط برای زمانی کوتاه وقتیکه مدار همفرودی تشخیص می دهد که هر دو تقویت کننده نوری سنتیلاسیون را در یک زمان مشاهده نموده اند باز می شود. این حالت بطور موثر امکان شمارش پدیدهای ایجاد شده با گسیل الکترون حرارتی از فوتوکاتد را کاهش می دهد، چرا که این پدیده اتفاقی بوده و همزمان با سنتیلاسیون نخواهد بود. البته انطباق اتفاقی وجود خواهد داشت. اما اگر طول عمر پالس درب کوچک انتخاب گردد احتمال انطباق این پدیده با سنتیلاسیون به حداقل خواهد رسید. بعداً خواهیم دید که نور تابی شیمیایی[1] می تواند میزان انطباقهای اتفاقی را افزایش دهد ولی پالایش بیشتر معروف به پایش فوتون می تواند از شمارش نمونه تا تمام شدن نورتابی شیمیای جلوگیری کند.

دلایل متعددی برای داشتن بیشتر از یک کانال شمارش در شکل(12-3) وجود دارد. ممکن است بخواهیم بیشتر از یک رادیوایزوتوپ را که در محلول سنتیلاسیون وجود دارد شمارش کنیم. در عمل مشکلی برای اندازه گیری با هم  2 ، یا حتی 3 رادیو ایزوتوپ مختلف وجود ندارد. مشروط بر اینکه Emax به اندازه کافی از هم دور باشند. برای هر کانال شمارش یک تفکیک کننده بالای و یک تفکیک کننده پایینی وجود دارد. تفکیک کننده بالای برای حذف پالسهای که بزرگتر از پالسهای بوجود آمده از رادیوایزوتوپ اصلی می باشد تنظیم شده است حتی اگر یک رادیوایزوتوپ وجود داشته باشد معمولا پالسهای بزرگی وجود دارند که حاصل از تابشهای گامای کیهانی و طبیعی می باشد و باید دفع شوند. تفکیک کننده پایینی برای حذف پالسهای کوچک که ممکن است بوسیله نویزهای الکترونیکی ایجا د گردند، در انتهای پایین طیف  تنظیم می گردد.

محلول سنتیلاسیون

در فرایند انتقال انرژی از ذرات بتا به سنتیلاتور، حلال نقش اساسی دارد مولکول حلال باید دارای حالت مولکولی برانگیخته با طول عمر متوسط کافی باشد تا انرژی برانگیختگی در اثر برخورد از مولکولی به مولکول دیگر انتقال یابد. حلالهای حلقوی دارای همچون حالت برانگیخته در پیوند پی(p) که در آن الکترون در هر یک از دو طرف حلقه بنزن قرار می گیرد، می باشند. گسترش زنجیر جانبی باعث پایین آمدن حالت برانگیخته می شود. شکل (12-5) این مطلب را به شکل نمودار برای بنزن تولوئن و متاگزیلن نشان می دهد. با توجه به اینکه سطح انرژی حالت برانگیخته تولوئن دقیقاً برای انتقال انرژی به سنتیلاتور کافی است، تولوئن بیشتر از دیگر حلالها در شمارش با سنتیلاتور مایع بکار می رود. اما این توام با مشکل می باشد وآن اینکه قابل اختلاط با حلالهای آبی نیست.

بعضی از اترها قابل اختلاط با محلولهای آبی بوده و می توانند بعنوان حلال برای شمارش با سنتیلاسیون مایع مورد استفاده قرارگیرند. 1و4 دی اکسان پراستفاده ترین حلال در این دسته می باشد.


[1] . Chemiluminescence


[1] . Coincidence Counting


[1] . Cerenkov

[2] . Bioluminescence