آشکار سازي ذرات عبارتست از فرآيندي که در آن خصوصياتي مانند جرم ، انرژي ، بار الکتريکي ، مسير حرکت و ... و در مجموع نوع يک ذره حامل انرژي که در واکنش‌هاي هسته‌اي بوجود مي‌آيد، توسط دستگاهي (اغلب آشکار ساز) تعيين مي‌شود.

ديد کلي

فرآيند آشکار سازي متشکل از يک دستگاه آشکار ساز است که بسته به نوع ذره تابشي و آشکار سازي خصيصه‌اي از ذره ، نوع دستگاه فرق مي‌کند. سهم عمده در آشکار سازي ذره توسط ماده‌اي متناسب با ذره تابشي در دستگاه آشکار ساز انجام مي‌شود که عبارت است از برهمکنش ذره باردار حامل انرژي با الکترونهاي مداري ماده آشکار سازي که اين برهمکنش توسط مدارهاي الکترونيکي آشکار ساز ، به يک پالس الکتريکي تبديل مي‌شود. عوامل موثر بر آشکار سازي ذرات در اين مقوله مورد بررسي قرار مي‌گيرد.

ذرات تابشي

واپاشي هسته‌اي يک فرآيند خودبخودي است، يعني سيستم بطور خودبه‌خودي ، از حالتي به حالتي ديگر تغيير مي‌کند. پايستگي انرژي ايجاب مي‌کند که انرژي حالت نهايي پايين‌تر از حالت اوليه باشد. اين اختلاف انرژي به طريقي به خارج سيستم فرستاده مي‌شود. در تمام اين موارد ، اين امر با گسيل ذرات حامل انرژي بدست مي‌آيد که اين ذرات يک يا ترکيبي از گسيل الکترومغناطيسي ، گسيل بتا و گسيل نوکلئون است که کلا مي‌توان ذرات تابشي را به دو بخش ، ذرات تابشي باردار حامل انرژي و ذرات بي‌بار حامل انرژي ، تقسيم‌بندي کرد.

ذرات تابشي باردار حامل انرژي

بار الکتريکي ذرات باردار حامل انرژي سهم مهمي در آشکار سازي ذره دارد. وقتي ذره تابشي از کنار اتمها عبور مي‌کند، به علت باردار بودن ، بر الکترونهاي مداري نيروي الکتريکي وارد مي‌کند. در اين برهم‌کنش انرژي مبادله مي‌شود که باعث کند شدن حرکت ذره تابشي و کنده شدن الکترونها از مدارشان مي‌شود. اين الکترونهاي جدا شده از مدار اساس بسياري از روشهاي آشکار سازي ذرات تابشي و اندازه گيري جرم ، بار ، انرژي و ... آنها است.

روش‌هاي کلي آشکار کردن ذرات باردار حامل انرژي

سه روش اساسي براي آشکار کردن ذرات باردار تابشي با استفاده از يونش وجود دارد:
* يونش را مي‌توان قابل روئيت کرد، بطوري که رد ذرات را بتوان ديد و يا عکسبرداري کرد.
* وقتي که زوج الکترون _ يون دوباره ترکيب مي‌شوند، نور گسيل شده را با يک دستگاه حساس به نور مي‌توان آشکار سازي کرد.
* با استفاده از يک ميدان الکتريکي مي‌توان الکترونها و يونها را جمع‌آوري کرد و از اين طريق يک علامت الکتريکي توليد کرد.

ذرات تابشي بي‌بار حامل انرژي

* در آشکار سازي ذرات باردار حامل انرژي ، بار ذره عامل مهمي در آشکار سازي ذره بود ولي نوترونها و فوتونها (در ناحيه پرتوهاي ايکس و گاما) فاقد بار هستند، لذا روش‌هايي که براي آشکار سازي آنها بکار رفته، کمتر از ذرات باردار است. احتمال برهمکنش نوترونها يا پرتوهاي ايکس و گاما با اتم يا هسته آن به‌صورت سطح مقطع کل بيان مي‌شود.
* فوتونها (در ناحيه پرتوهاي ايکس و گاما): پرتوهاي ايکس و گاما با الکترونهاي مداري ماده از طريق سه برهمکنش شناخته شده ، يعني اثر فوتوالکتريک ، پراکندگي کامپتون و توليد زوج الکترون _ پوزيترون برهمکنش مي‌کنند. براي پرتوهاي ايکس و گاما سطح مقطع کل با مجموع سطح مقطع‌هاي سه برهمکنش اساسي ياد شده در بالا برابر است.
* نوترونها: نوترونها مي‌توانند پراکنده شوند و يا واکنشهاي هسته‌اي ايجاد کنند که بسياري از اين واکنشها منجر به گسيل ذرات باردار حامل انرژي مي‌شود. تمام روشهاي آشکار سازي نوترونها در نهايت به آشکار سازي ذرات باردار منجر مي‌شود که بعد از تابش نوترون به يک ماده خاص ذره باردار تابش مي‌شود. براي نوترون سطح مقطع کل با مجموع سطح مقطع‌هاي واکنش و پراکندگي برابر مي‌باشد.

اصول کار دستگاههاي آشکار ساز

اصول کار اغلب دستگاههاي آشکار ساز مشابه است. تابش وارد آشکار ساز مي‌شود، با اتمهاي ماده آشکار ساز برهمکنش مي‌کند (اثر تابش بر ماده) و ذره ورودي بخشي از انرژي خود را صرف جداسازي الکترونهاي کم‌انرژي ماده آشکار ساز از مدارهاي اتمي خود مي‌کند. اين الکترونها و يونش ايجاد شده جمع‌آوري مي‌شود و توسط يک مدار الکترونيکي براي تحليل به صورت يک تپ ولتاژ يا جريان در مي‌آيد.

خصوصيات مواد آشکار ساز بکار رفته در آشکار سازها

* ماده مناسب براي آشکار سازي هر ذره بستگي به نوع ذره تابشي دارد.
* براي تعيين انرژي تابشي بايستي تعداد الکترونهاي آزاد شده از ماده زياد باشد.
* براي تعيين زمان گسيل تابش بايد ماده‌اي را انتخاب کنيم که در آن الکترونها به سرعت تبديل به تپ شوند.
* براي تعيين نوع ذره بايد ماده‌اي انتخاب شود که جرم و بار ذره اثر مشخصي بر روي ماده داشته باشد.
* اگر بخواهيم مسير ذره تابشي را دنبال کنيم، بايد ماده آشکار ساز نسبت به محل ورود ذره تابشي حساس باشد.

انواع آشکار سازها

اتاقک ابر

اتاقک ابر متشکل از محفظه‌اي از هوا و بخار آب به حالت اشباع است. در اطراف يونهاي تشکيل شده از تابش ذرات باردار حامل انرژي ، قطره‌هاي آب تشکيل مي‌شود که با نوردهي مناسب مي‌توان مسير حرکت ذره را ديد يا عکسبرداي کرد.

اتاقک حبابي

اتاقک حباب متشکل از محفظه‌اي از مايع فوق گرم است. در اتاقک حباب وقتي به طرز ناگهاني از فشار کاسته مي‌شود، مايع شروع به جوشيدن مي‌کند. حبابها بر روي يونهايي که در مسير ذرات باردار تابشي پرانرژي قرار دارند، تشکيل مي‌شوند که مي‌توان آنها را روئيت کرد يا از آنها عکسبرداري کرد.

اتاقک جرقه‌اي

اتاقک جرقه متشکل از دو صفحه يا دو سيم موازي است که ولتاژ قوي ميان هر جفت از صفحه‌ها برقرار است. در مواقعي که جرقه‌هاي قوي بين دو صفحه زده مي‌شود که به احتمال قوي جرقه‌ها در همان مسير حرکت ذره باردار حامل انرژي است که در گاز مربوطه يونش ايجاد کرده است که مي‌توان آن را ديد يا عکسبرداري کرد.

امولسيون عکاسي

در مسير ذرات تابشي باردار حامل انرژي دانه‌هاي هالوژنه نقره تشکيل مي‌شود که مي‌توان آن را پس از ظهور فيلم عکاسي روئيت کرد.

آشکار ساز سوسوزن (سينتيلاسيون)

در يک بلور جسم جامد ، برهمکنش ذره باردار پرانرژي با الکترونهاي مداري باعث کنده شدن آنها مي‌شود. الکترون کنده شده وقتي در تهيجا (مدار الکتروني فاقد الکترون) مي‌افتد، نور گسيل مي‌کند. اگر بلور به اين نور شفاف باشد، عبور ذره باردار حامل انرژي با سينتيلاسيون يا سوسوزني نور گسيل شده از بلور علامت داده مي‌شود که اين علامت نوري توسط اثر فتوالکتريک به يک تپ الکتريکي تبديل مي‌شود.

آشکار ساز گازي

در آشکار ساز گازي ذره باردار حامل انرژي در گاز پر شده ميان دو الکترود فلزي توليد زوج الکترون _ يون مي‌کند. ميدان الکتريکي از برقراري ولتاژ حاصل مي‌شود که اين ميدان باعث شتاب الکترونها و يون‌ها به ترتيب به طرف الکترود مثبت و منفي مي‌شود. چون در مسير حرکت با اتمهاي ديگر برخورد مي‌کنند، حرکت آنها حرکت سوقي است.

آشکار سازهاي حالت جامد يا نيم رسانا

اين نوع آشکار سازها از يک اتصال p - n ميان سيليسيم يا ژرمانيوم نوع P و نوع n تشکيل يافته است. وقتي ولتاژي در خلاف جهت رسانش ديود اعمال مي‌شود، ناحيه‌اي تهي از حاملهاي بار در پيوندگاه بوجود مي‌آيد. هنگامي که ذره باردار حامل انرژي در طول ناحيه تهي حرکت مي‌کند، در نتيجه برهمکنش آن با الکترونهاي داخل بلور مسير با زوجهاي الکترون _ حفره معين مي‌شود. الکترونها و حفره‌ها جمع مي‌شوند و تپي الکتريکي در شمارشگر بوجود مي‌آيد.

طيف ‌سنجهاي مغناطيسي

در طيف‌سنج‌هاي مغناطيسي از ميدان مغناطيسي يکنواخت استفاده مي‌کنند. اگر از يک منبع چند تابش مختلف داشته باشيم، وقتي ذرات باردار حامل انرژي تابشي وارد ميدان مغناطيسي يکنواخت مي‌شوند، مسيرهاي دايره‌اي متفاوت مي‌گيرند. از برخورد اين مسيرهاي دايره‌اي متفاوت با وسيله ثابتي مثلا فيلم عکاسي به تعداد ذرات باردار تابشي ، تصوير تشکيل مي‌شود.

آشکار ساز تلسکوپي

آشکار سازي تلسکوپي متشکل از دو يا چند شمازشگر است که در آن تابش به ترتيب از شمارشگرها عبور مي‌کند. شمارشگرهاي اوليه نازک هستند، بطوري که ذره نسبتي از انرژي خود را به آنها مي‌دهد، ولي در آخرين شمارشگر بطور کامل انرژي ذره جذب مي‌شود. اين شمارشگر بيشتر براي زمان‌سنجي استفاده مي‌شوند.

شمارشگر تناسبي چندسيمي

اين شمارشگر به عنوان آشکار سازي که نسبت به محل برهمکنش ذره حساس است، استفاده مي‌شود.

قطب‌ سنجها

اغلب براي اندازه گيري قطبيدگي تابش استفاده مي‌شود.
منبع: http://atwis.com
/س