آشكارساز تناسبي چيست؟
آشكارساز تناسبي نوعي آشكارساز گازي با دو الكترود ، يكي استوانه و يكي سيمي در راستاي محور استوانه است. وقتي آشكارساز در ناحيه‌اي (ازلحاظ ولتاژ بين الكترودها) كار كند كه در آن شماره يونهاي ايجاد شده ، متناسب با انرژي اشعه باشد. در اين صورت آشكارساز تناسبي نام دارد. ولتاژ اعمال شده در اين آشكارساز بيشتر از ولتاژ اعمال شده در اتاقك يونيزاسيون ميباشد كه ولتاژ اعمال شده بين دو الكترود به اندازه‌اي بزرگ است كه الكترون يونش يافته يك اتم انرژي كافي درحركت به سوي الكترود آند بدست مي‌‌آورد و انرژي الكترون به اندازه‌اي است كه موجب يونش اتمهايي در مسير خود مي‌شود.
مشخصات و طرز كار آشكارساز تناسبي
آشكارساز تناسبي از يك الكترود سيلندري و يك رشته سيم مركزي كه معمولا از تنگستن ميباشد، ساخته ميشوند. به دليل وضع هندسي دستگاه ميدان الكتريكي در فاصله x از سيم برابر است با (E=V/xLn(b/a كه درآن V ولتاژ وصل شده بين الكترودها و a و b به ترتيب شعاعهاي سيم و الكترود خارجي مي‌‌باشند. ميدان الكتريكي در نزديك رشته سيم خيلي بزرگتر است و با فاصله از سيم نسبت عكس دارد. بنابراين بيشترين تكثير در نزديكي سيم مركزي انجام مي‌‌پذيرد. حدود نصف از زوجهاي يون در فاصله‌اي برابر با متوسط طول آزاد و 99% زوجهاي يون در هفت برابر متوسط طول آزاد از الكترود مركزي تشكيل مي‌گردند. زمان جمع آوري الكترون‌ها خيلي كوچك است. به هرحال چون الكترون‌ها خيلي نزديك به الكترود مركزي ايجاد ميشوند، v? مربوط به جمع آوري الكترون در الكترود مركزي خيلي كوچك ميباشد.
بنابراين سهم بيشتر سقوط پتانسيل مربوط به يونهاي مثبت است. وجود اين كه يونهاي مثبت كندتر از الكترون‌ها هستند، پس از عبور مسافت كمي از سيم مركزي بيشترين سقوط پتانسيل را درفاصله زماني كوتاه بوجود مي‌‌آورند. درنتيجه ، پالس مربوط به رسيدن يك زوج يون ابتدا خيلي سريع و سپس به كندي صعود مينمايد. گاهي اوقات وقتي محل تشكيل هر يك از يونها نسبت به الكترود مركزي متفاوت باشد، زمان تشكيل پالس‌ها نامشخص خواهدبود. در چنين حالتي زمان لازم براي الكترون‌هاي مختلف در رسيدن به ناحيه تكثير يكسان نخواهد بود. تقويت كننده‌هاي مرحله اول يونها را جمع آوري مي‌كنند تا اين نامعلومي را كاهش دهند.
زمان تفكيك
در آشكارساز تناسبي ، يونيزاسيون محدود به ناحيه اطراف مسير اشعه ميباشد. فرض كنيم كه تابش 1 در زمان t1 وارد شمارنده مي‌شود و تابش مشابه 2 در يك ناحيه ديگر در زمان t2 وارد آشكارساز مي‌شود. در الكترود جمع كننده سقوط پتانسيل خواهيم داشت. اگر تقويت كننده دستگاه آشكارساز بتواند اين تغييير ولتاژ را به عنوان دو علامت الكتريكي تشخيص دهد و اگر اين كمترين زمان جدايي باشد كه اين تشخيص امكانپذير مي‌گردد، در اين صورت t2-t1 زمان تفكيك (Resolving time) براي آشكارساز تناسبي است. بنابراين زمان تفكيك (T) تابع سيستم الكتريكي است.
اگر زمان تفكيك صفر باشد، تغيير تعداد شمارش برحسب تغيير تعداد تابش بايد يك خط مستقيم باشد. به هرحال اگر زمان تفكيك بينهايت باشد، اين منحني در سيستم مختصات y-x به محور x متمايل شده و بالاخره آن را قطع خواهد نمود. يعني وقتي تعداد تابشهايي كه وارد آشكارساز ميشوند افزايش يابد، تعداد شمارش ثبت شده ابتدا افزايش مي‌يابد و بعد از رسيدن به يك ماكزيمم به طرف صفر ميل ميكند. در اين ميزان شمارش صفر ، ولتاژ الكترود جمع كننده ثابت مي‌‌ماند. زيرا كه ميزان جمع آوري يونها برابر ميزان نشت يونها خواهد بود.
آشكارساز تناسبي حساس نسبت به محل ورود اشعه
يكي از تفاوتهاي اساسي بين آشكارساز تناسبي و آشكارساز گايگر مولر اين است كه در آشكارساز تناسبي ، يونيزاسيون محدود به ناحيه كوچكي در اطراف مسير ذره تابشي است. در صورتي كه در آشكارساز گايگر يونيزاسيون در تمام حجم آشكارساز انجام مي‌شود. بنابراين در آشكارسازهاي تناسبي ، امكان اين كه اطلاعاتي در مورد محل اشعه تابشي بدست آوريم، وجود دارد. در اين نوع از آشكارسازها ، آند از يك سيم با مقاومت زياد (معمولا رشته كوارتز با پوششي از كربن) تشكيل مي‌شود. فرض كنيم ذره تابشي در وضعيت x يونهايي در مجاورت آند ايجاد مينمايد. اين يونها بوسيله آند جمع آوري شده و باعث جاري شدن جريان در دو جهت در طول آند خواهد شد. مقدار جرياني كه از هر جهت جاري مي‌شود تابع مقاومت در مسير ميباشد. به دليل تفاوت جريان در دو انتهاي آند پالسهاي ايجاد شده در دو انتهاي آند در ارتفاع و زمان صعود متفاوت خواهند بود. تفاوت در زمان صعود ، به دليل تفاوت در ثابت زماني ، معمولا براي بدست آوردن اطلاعات درباره محل اشعه بكار مي‌رود.
شمارش نوترون با آشكارساز تناسبي
علاوه بر اينكه مي‌توان از آشكارساز تناسبي براي آشكارسازي ذرات آلفا و بتا استفاده نمود. اين آشكارساز مي‌تواند در آشكارسازي نوترونها نيز مورد استفاده قرار گيرند. يك آشكارساز واقعي نوترون معمولا گاز BF خالص و يا مخلوطي از BF3 و يكي از گازهاي استاندارد آشكارسازهاي گازي ، ميباشد. وقتي كه نوترون حرارتي بوسيله هسته جذب مي‌شود، دو ذره يونيزه كننده قوي يكي ذره آلفا و ديگري هسته ليتيم كه در جهت مخالف حركت ذره آلفا حركت ميكند، رها ميشوند. پالسهاي ايجاد شده بوسيله محصولات واكنش هسته‌اي در مقايسه با پالسهاي بوجود آمده بسيله تابشهاي نظير اشعه گاما ، داراي ارتفاع نسبتا بزرگ است.
رابطه ارتفاع پالس با نوع ذره
نكته‌اي كه وجود دارد رابطه ارتفاع پالس و نوع ذره است. ارتفاع پالسهاي ايجاد شده با ذرات يونيزه كننده سنگين مانند ذرات آلفا ، ممكن است بطور قابل ملاحظه‌اي از پالسهاي بوجود آمده بوسيله الكترون‌هاي با انرژي برابر ، متفاوت باشد. اين اختلاف تابع نوع اشعه است كه معمولا براي آشكارسازهاي گازي ، كوچك ميباشد. در مورد آشكارسازهاي تناسبي و يونيزاسيون و آشكارساز نيم رسانا اين حالت وجود دارد.
آشكارساز تناسبي نوعي آشكارساز گازي با دو الكترود ، يكي استوانه و يكي سيمي در راستاي محور استوانه است. وقتي آشكارساز در ناحيه‌اي (ازلحاظ ولتاژ بين الكترودها) كار كند كه در آن شماره يونهاي ايجاد شده ، متناسب با انرژي اشعه باشد. در اين صورت آشكارساز تناسبي نام دارد. ولتاژ اعمال شده در اين آشكارساز بيشتر از ولتاژ اعمال شده در اتاقك يونيزاسيون ميباشد كه ولتاژ اعمال شده بين دو الكترود به اندازه‌اي بزرگ است كه الكترون يونش يافته يك اتم انرژي كافي درحركت به سوي الكترود آند بدست مي‌‌آورد و انرژي الكترون به اندازه‌اي است كه موجب يونش اتمهايي در مسير خود مي‌شود.
مشخصات و طرز كار آشكارساز تناسبي
آشكارساز تناسبي از يك الكترود سيلندري و يك رشته سيم مركزي كه معمولا از تنگستن ميباشد، ساخته ميشوند. به دليل وضع هندسي دستگاه ميدان الكتريكي در فاصله x از سيم برابر است با (E=V/xLn(b/a كه درآن V ولتاژ وصل شده بين الكترودها و a و b به ترتيب شعاعهاي سيم و الكترود خارجي مي‌‌باشند. ميدان الكتريكي در نزديك رشته سيم خيلي بزرگتر است و با فاصله از سيم نسبت عكس دارد. بنابراين بيشترين تكثير در نزديكي سيم مركزي انجام مي‌‌پذيرد. حدود نصف از زوجهاي يون در فاصله‌اي برابر با متوسط طول آزاد و 99% زوجهاي يون در هفت برابر متوسط طول آزاد از الكترود مركزي تشكيل مي‌گردند. زمان جمع آوري الكترون‌ها خيلي كوچك است. به هرحال چون الكترون‌ها خيلي نزديك به الكترود مركزي ايجاد ميشوند، v? مربوط به جمع آوري الكترون در الكترود مركزي خيلي كوچك ميباشد.
بنابراين سهم بيشتر سقوط پتانسيل مربوط به يونهاي مثبت است. وجود اين كه يونهاي مثبت كندتر از الكترون‌ها هستند، پس از عبور مسافت كمي از سيم مركزي بيشترين سقوط پتانسيل را درفاصله زماني كوتاه بوجود مي‌‌آورند. درنتيجه ، پالس مربوط به رسيدن يك زوج يون ابتدا خيلي سريع و سپس به كندي صعود مينمايد. گاهي اوقات وقتي محل تشكيل هر يك از يونها نسبت به الكترود مركزي متفاوت باشد، زمان تشكيل پالس‌ها نامشخص خواهدبود. در چنين حالتي زمان لازم براي الكترون‌هاي مختلف در رسيدن به ناحيه تكثير يكسان نخواهد بود. تقويت كننده‌هاي مرحله اول يونها را جمع آوري مي‌كنند تا اين نامعلومي را كاهش دهند.
زمان تفكيك
در آشكارساز تناسبي ، يونيزاسيون محدود به ناحيه اطراف مسير اشعه ميباشد. فرض كنيم كه تابش 1 در زمان t1 وارد شمارنده مي‌شود و تابش مشابه 2 در يك ناحيه ديگر در زمان t2 وارد آشكارساز مي‌شود. در الكترود جمع كننده سقوط پتانسيل خواهيم داشت. اگر تقويت كننده دستگاه آشكارساز بتواند اين تغييير ولتاژ را به عنوان دو علامت الكتريكي تشخيص دهد و اگر اين كمترين زمان جدايي باشد كه اين تشخيص امكانپذير مي‌گردد، در اين صورت t2-t1 زمان تفكيك (Resolving time) براي آشكارساز تناسبي است. بنابراين زمان تفكيك (T) تابع سيستم الكتريكي است.
اگر زمان تفكيك صفر باشد، تغيير تعداد شمارش برحسب تغيير تعداد تابش بايد يك خط مستقيم باشد. به هرحال اگر زمان تفكيك بينهايت باشد، اين منحني در سيستم مختصات y-x به محور x متمايل شده و بالاخره آن را قطع خواهد نمود. يعني وقتي تعداد تابشهايي كه وارد آشكارساز ميشوند افزايش يابد، تعداد شمارش ثبت شده ابتدا افزايش مي‌يابد و بعد از رسيدن به يك ماكزيمم به طرف صفر ميل ميكند. در اين ميزان شمارش صفر ، ولتاژ الكترود جمع كننده ثابت مي‌‌ماند. زيرا كه ميزان جمع آوري يونها برابر ميزان نشت يونها خواهد بود.
آشكارساز تناسبي حساس نسبت به محل ورود اشعه
يكي از تفاوتهاي اساسي بين آشكارساز تناسبي و آشكارساز گايگر مولر اين است كه در آشكارساز تناسبي ، يونيزاسيون محدود به ناحيه كوچكي در اطراف مسير ذره تابشي است. در صورتي كه در آشكارساز گايگر يونيزاسيون در تمام حجم آشكارساز انجام مي‌شود. بنابراين در آشكارسازهاي تناسبي ، امكان اين كه اطلاعاتي در مورد محل اشعه تابشي بدست آوريم، وجود دارد. در اين نوع از آشكارسازها ، آند از يك سيم با مقاومت زياد (معمولا رشته كوارتز با پوششي از كربن) تشكيل مي‌شود. فرض كنيم ذره تابشي در وضعيت x يونهايي در مجاورت آند ايجاد مينمايد. اين يونها بوسيله آند جمع آوري شده و باعث جاري شدن جريان در دو جهت در طول آند خواهد شد. مقدار جرياني كه از هر جهت جاري مي‌شود تابع مقاومت در مسير ميباشد. به دليل تفاوت جريان در دو انتهاي آند پالسهاي ايجاد شده در دو انتهاي آند در ارتفاع و زمان صعود متفاوت خواهند بود. تفاوت در زمان صعود ، به دليل تفاوت در ثابت زماني ، معمولا براي بدست آوردن اطلاعات درباره محل اشعه بكار مي‌رود.
شمارش نوترون با آشكارساز تناسبي
علاوه بر اينكه مي‌توان از آشكارساز تناسبي براي آشكارسازي ذرات آلفا و بتا استفاده نمود. اين آشكارساز مي‌تواند در آشكارسازي نوترونها نيز مورد استفاده قرار گيرند. يك آشكارساز واقعي نوترون معمولا گاز BF خالص و يا مخلوطي از BF3 و يكي از گازهاي استاندارد آشكارسازهاي گازي ، ميباشد. وقتي كه نوترون حرارتي بوسيله هسته جذب مي‌شود، دو ذره يونيزه كننده قوي يكي ذره آلفا و ديگري هسته ليتيم كه در جهت مخالف حركت ذره آلفا حركت ميكند، رها ميشوند. پالسهاي ايجاد شده بوسيله محصولات واكنش هسته‌اي در مقايسه با پالسهاي بوجود آمده بسيله تابشهاي نظير اشعه گاما ، داراي ارتفاع نسبتا بزرگ است.
رابطه ارتفاع پالس با نوع ذره
نكته‌اي كه وجود دارد رابطه ارتفاع پالس و نوع ذره است. ارتفاع پالسهاي ايجاد شده با ذرات يونيزه كننده سنگين مانند ذرات آلفا ، ممكن است بطور قابل ملاحظه‌اي از پالسهاي بوجود آمده بوسيله الكترون‌هاي با انرژي برابر ، متفاوت باشد. اين اختلاف تابع نوع اشعه است كه معمولا براي آشكارسازهاي گازي ، كوچك ميباشد. در مورد آشكارسازهاي تناسبي و يونيزاسيون و آشكارساز نيم رسانا اين حالت وجود دارد.
منبع : دانشنامه رشد