پیوستار کامپتون
شکل ۲‑۵).
شکل ۲‑۵: توزیع انرژی الکترون مربوط به پدیدهی کامپتون [۴] |
تولید زوج
سومین برهمکنش مهم پرتوهای گاما تولید زوج است. براثر این برهمکنش یک فوتون نابود میشود و یک زوج الکترون-پوزیترون خلق میشود. برای خلق یک زوج الکترون-پوزیترون حداقل m0c22 انرژی لازم است، برای اینکه برهمکنش به لحاظ انرژی امکانپذیر باشد، حداقل انرژی پرتوی گاما باید m0c22 باشد. پایستگی انرژی ایجاب میکند که:
(۲-۶)
از این معادله پیداست که یک انرژی آستانه برای این رویداد وجود دارد که برابر است با مجموع انرژیهای سکون الکترون و پوزیترون. هنگامی که پوزیترون خلق شده در ماده با یک الکترون نابود میشود حاصل آن دو پرتوی گامای MeV511/0 است.
احتمال وقوع پدیدهی تولید زوج را سطح مقطع تولید زوج ()میگویند که تابعی است از انرژی فوتون تابشی و عدد اتمی محیط جاذب. شکل ۲‑۶ وابستگی سطح مقطع تولید زوج را به Z و E نشان میدهد. همانطور که ملاحظه میشود تولید زوج یک انرژی آستانه دارد [۲].
MeV 022/1
الف
ب
شکل ۲‑۶: وابستگی سطح مقطع تولید زوج به (الف) عدد اتمی ماده پراکننده و (ب) انرژی فوتون فرودی
اصول پایه در آشکارسازی تابش
هنگامی که تابش یوننده از محیط آشکارساز میگذرد بهموجب سازوکارهای اتلاف انرژی، موجب تغییراتی در ماده میشوند. این تغییرات شامل یونش و برانگیزش ماده بهصورت مستقیم یا غیرمستقیم میباشد. سیستم یک آشکارساز متشکل از یک محیط حساس به تابش و یک الکترونیک وابسته به آن است. سیستم به نحوی طراحی میشود که بتواند این اثرات تابش را بهصورت یک علامت الکتریکی، بهعنوان پاسخی از آشکارساز دریافت کند و سپس آن را توسط الکترونیک مربوطه تحلیل و پالس نهایی را در حافظه خود ذخیره کرده و یا در صفحه نمایش ظاهر کند.
در مورد پرتوهای ایکس و گاما باید گفت که یک فوتون بسته به اینکه در برهمکنش با ماده چه اتفاقی برایش رخ دهد تمام یا بخشی از انرژی خود را میتواند در محیط بگذارد. در پدیدهی فوتوالکتریک، فوتون تمام انرژی خود را در محیط آشکارساز میگذارد و ناپدید میشود. فوتوالکترون آزاد شده غالب انرژی را حمل میکند که برای آشکارساز قابل بازیابی است. اما میدانیم برای کندن همین فوتوالکترون باید بر انرژی بستگی الکترون در اتم غلبه کرد. پس از ترک الکترون با بستگی Eb از اتم، اینک Eb انرژی برانگیختگی اتم است و چون اتم نمیتواند در این حالت بماند، یا پرتویی از اتم گسیل میشود و یا یک الکترون از لایههای خارجی اتم به بیرون پرتاب میشود که این انرژی برانگیختگی را با خود به خارج از اتم میبرد. این الکترونها را الکترون اوژه میگویند. در هر ماده متراکم تابش ثانویه با احتمال زیاد جذب میشود، این امر در مورد اغلب سوسوزنهایی که برای آشکارسازی گاما بکار میروند رخ میدهد.
در پدیدهی کامپتون، فوتون بخشی از انرژی خود را در محیط میگذارد که مقدار آن بستگی به زاویهی پراکندگی دارد. هنگامیکه زاویهی پراکندگی پرتو ۱۸۰ درجه باشد فوتون بیشترین مقدار انرژی خود را در محیط میگذارد که در طیف آشکارسازی گاما این نقطه لبه پیوستار کامپتون میباشد. در پدیدهی تولید زوج هم فوتون، بسته به اینکه گاماهای نابودی پوزیترون در محیط چه سرنوشتی پیدا میکنند، میتواند تمام یا بخشی از انرژی خود را در محیط آشکارساز بگذارد.
آشکارسازها برحسب خواص و ویژگیهای محیط حساس به تابش آنها، به سه دستهی کلی آشکارسازهای گازی، نیمهرسانا و سوسوزن تقسیم میشوند که در ادامه به بررسی آشکارسازهای سوسوزن میپردازیم.
آشکارسازهای سوسوزن
اساس کار آشکارسازهای سوسوزن، بهطور خلاصه، مبتنی بر جذب انرژی از تابش یوننده و گسیل نور در ناحیهی مرئی می باشد[۲]. مثلاً پرتوی گاما از طریق برهمکنشهایی که با ماده دارد، همانطور که در بخشهای قبل گفته شد انرژی خود را در محیط سوسوزن میگذارد. سپس انرژی الکترونهای تولیدی بهسرعت صرف یونش و تحریک ماده میشود و در پی این تحریکات مادهی سوسوزن با گسیل نور به حالت پایهی خود بازمیگردد. درنهایت نور تولیدشده بهوسیلهی یک لامپ تکثیرکنندهی فوتونی (PMT) به یک تپ الکتریکی تبدیل میشود که این علامت بهعنوان پاسخ آشکارساز سوسوزن شناخته میشود. شکل ۲-۷ طرحواره آشکارساز سوسوزن و الکترونیک بکار رفته در آن را نشان میدهد.
شکل ۲‑۷: طرحواره آشکارساز سوسوزن و الکترونیک آن
لامپ تکثیر کننده ی فوفونی
لامپ تکثیرکنندهی فوتون یا لامپ نور بخشی از یک شمارندهی سوسوزن است که وظیفه تقویت نور حاصل از سوسوزنی را بر عهده دارد. تکثیرکنندهی فوتون اصولاً یک تقویتکنندهی سریع است، که در زمانی در حدود s ۹-۱۰ یک تپ فرودی نور مرئی را با ضریب ۱۰۶ یا بیشتر تقویت میکند. تکثیرکنندهی فوتون از یک لولهی شیشهای تهی از هوا، یک فوتو کاتد در ورودی، و چندین داینود در درون ساخته میشود (شکل ۲‑۸). فوتونهای تولید شده در سوسوزن، وارد لامپ شده و به صفحهی فوتوکاتد برخورد میکنند. فوتوکاتد از مادهای ساخته میشود که نور را دریافت کرده و الکترون گسیل میکند. الکترون
های گسیلی از فوتوکاتد به یاری یک میدان الکتریکی به سوی اولین داینود که با یک ماده تکثیرکننده الکترون اندود شده است، راهنمایی میشوند.
شکل ۲‑۸: طرحی از لوله تکثیرکنندهی فوتونی
الکترونهای ثانویه از اولین داینود به سوی داینود دوم، وازآنجا به سومی حرکت میکنند این روند تا رسیدن الکترون به آخرین داینود ادامه دارد. لامپهای تکثیر کنندهی تجارتی ممکن است تا ۱۵ داینود داشته باشند. الکترونهای تولید شده در لامپ تکثیرکننده توسط یک میدان الکتریکی، که با اعمال یک پتانسیل مثبت بر هر داینود تامین میشود، از یک داینود به داینود دیگر راهنمایی میشوند. اختلاف پتانسیل بین دو داینود متوالی از مرتبهی ۸۰ تا ۱۲۰ ولت است.
مادهی فوتوکاتد که در بیشتر لامپهای تکثیرکنندهی تجاری به کار میرود ترکیبی از سزیم و آنتیموان (Cs – Sb) میباشد. مادهای که برای اندودن داینودها به کار میرود یا (Cs – Sb)یا نقره و منیزیم (Ag- Mg) است. آهنگ گسیل الکترونهای ثانوی داینودها نه تنها به نوع سطح بستگی دارد بلکه به ولتاژ اعمالشده هم وابسته است. یک پارامتر مهم هر لامپ تکثیرکننده، حساسیت طیفی فوتوکاتد آن است. برای رسیدن به بهترین نتیجهها، طیف سوسوزن باید با حساسیت فوتوکاتد همخوانی داشته باشد. ترکیب سزیم و آنتیموان درnm 440 دارای بیشترین حساسیت است که به خوبی با پاسخ طیفی بیشتر سوسوزنها همساز است.
پارامتر مهم دیگر تکثیرکنندهی فوتون، اندازهی جریان در تاریکی آن است. جریان در تاریکی بیشتر از الکترونهایی تشکیل میشود که پس از جذب انرژی گرمایی به وسیلهی کاتد تشکیل میشوند. این فرایند به گسیل گرمایونی معروف است، و یک فوتوکاتد به قطر mm 50 ممکن است درتاریکی و در دمای اتاق تا ۱۰۵ الکترون در هر ثانیه آزاد کند. سرد کردن کاتد، این چشمه نوفه را بهازای هر ۱۰ تا ۱۵ درجه کاهش در دما، تقریباً نصف میکند.
یادآوری میشود که الکترونها از یک داینود به داینود دیگر توسط یک میدان الکتریکی راهنمایی میشوند. اگر میدان مغناطیسی حضور داشته باشد، ممکن است الکترونها را به گونهای منحرف کند که همهی آنها به داینود دیگر برخورد نکنند، و تقویت کاهش یابد. حتی میدان مغناطیسی ضعیف زمین ممکن است گاهی موجب این اثر ناخواسته شود.
پیش تقویت کننده
منظور اصلی در ساخت پیش تقویت کننده، ایجاد یک جفت شدگی بهینه بین خروجی آشکار ساز و بقیهی دستگاه شمارنده است. پیش تقویت کننده همچنین برای کمینه کردن هر چشمهی نوفه که ممکن است باعث تغییر پالس شود مورد نیاز است. پالسی که از آشکار ساز خارج میشود خیلی ضعیف، از مرتبه میلی ولت است. پیش از اینکه این پالس بتواند ثبت شود، باید آنرا با یک ضریب هزار یا بیشتر تقویت کرد. برای این منظور، باید آنرا توسط یک کابل به قسمت بعدی، که تقویت کننده است، منتقل کرد. انتقال هر نوع پالس از طریق کابل آن را تا حدودی ضعیف میکند. اگر پالس در خروجی آشکار ساز ضعیف باشد، ممکن است در میان نوفهی الکتریکی همراه با انتقال گم شود. برای پرهیز از این امر پیشتقویتکننده را تا جایی که ممکن است نزدیک به آشکار ساز قرار میدهند. به همین خاطر امروزه در بازار، آشکارسازهای سوسوزن را یا بهصورت بلورهای با اندازه دلخواه مشتری و یا به صورت یک پک کامل سوارشده بر یک تکثیرکنندهی فوتونی مناسب عرضه میکنند.
تقویتکننده
وسیله اصلی برای تقویت، تقویتکننده است. تقویت کننده، پالس را ۱۰۰۰ بار یا بیشتر افزایش میدهد. علاوه بر تقویت علامت، نقش مهم دیگر تقویت کنندهی واگرداندن پالس خروجی پیش تقویت کننده به شکلی است که برای اندازهگیری موردنظر، مناسب باشد.
تحلیلگر چندکاناله
تحلیلگر چندکاناله (MCA[3]) تپها را بر اساس ارتفاع آنها ثبت و ذخیره میکند. هر واحد انباشت پالس، یک کانال نامیده میشود. ارتفاع تپ رابطهی معلومی – معمولاً تناسبی- با انرژی ذرهای که وارد آشکارساز میشود دارد. هر تپ در کانال خاصی که همخوان با یک انرژی معین است ذخیره میشود. توزیع تپها در کانالها، تصویری است از توزیع انرژی ذرات. در پایان یک دورهی شمارش، طیفی که ثبت شده است را میتوان بر یک صفحهی MCA ظاهر ساخت. در این صفحه محور افقی، شمارهی کانالها، یا انرژی ذره، و محور عمودی، تعداد ذرات ثبت شده در هر کانال است.
فصل سوم
برای دانلود متن کامل این فایل به سایت torsa.ir مراجعه نمایید. |