پیوستار کامپتون
شکل ‏۲‑۵).

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 mc²2 انرژی لازم است، برای اینکه برهمکنش به لحاظ انرژی امکان‌پذیر باشد، حداقل انرژی پرتوی گاما باید mc²2 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 E_b از اتم، اینک E_b 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 ۱۰^۶ 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 ۱۰^۵ 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