آشکارسازهای تشعشع

نمایش تمام سازندگان آشکارسازهای تشعشع

آشکارسازهای تشعشع ابزارهایی هستند که برای شناسایی، ردیابی و شناسایی ذرات تشعشع یونیزه استفاده می شوند.

مبانی تشعشع

بدون زمینه، اصطلاح "تابش" گاهی اوقات به هر نوع انرژی تابشی، از جمله امواج رادیویی، امواج مایکروویو، و نور مرئی اشاره دارد. معمولاً تشعشعات یونیزه کننده را توصیف می کند که اتم های در تماس را با آزادسازی الکترون ها یونیزه می کند. آشکارسازهای تشعشع برای تشخیص و نظارت بر این نوع دوم استفاده می شوند.

تشعشعات یونیزه کننده توسط منابع طبیعی و مصنوعی منتشر می شود، از جمله:

• مواد رادیواکتیو طبیعی مانند رادون

• تشعشعات کیهانی که از فضا وارد جو زمین می شود

• دستگاه های تصویربرداری و درمان پزشکی

• دستگاه های اندازه گیری صنعتی

• انرژی هسته ای و سلاح

انسان به طور منظم در معرض تشعشعات یونیزان - که حدود 80 درصد آن طبیعی است - قرار می گیرد. منابع رایج در نمودار زیر نشان داده شده است.

منابع قرار گرفتن در معرض تشعشعات در ایالات متحده

کاربردهای تشخیص

دوزهای بالای پرتوهای یونیزان ذاتاً برای موجودات زنده مضر هستند. قرار گرفتن حاد یا طولانی مدت در معرض تابش باعث ایجاد انواع سرطان در انسان می شود. از آنجا که تشعشعات را نمی توان به طور طبیعی توسط انسان تشخیص داد، آشکارسازهای تشعشع برای نظارت بر انتشار تشعشعات از تاسیسات برق صنعتی، پزشکی و هسته ای ضروری هستند تا اطمینان حاصل شود که انتشارات با دستورالعمل ها و مقررات خاصی مطابقت دارند.

انواع تشعشعات

ویژگی های نفوذ انواع تشعشعات ذکر شده در زیر.

آلفا (α)

ذرات آلفا را می توان اتم هلیوم 4 بدون الکترون در نظر گرفت. آنها دارای بار مثبت هستند، زیرا دارای دو پروتون و دو نوترون هستند. در مقایسه با سایر ذرات تشعشع، انواع آلفا سنگین هستند و قادر به حرکت بیش از چند سانتی متر نیستند. رادیوم، رادون و اورانیوم تابش کننده آلفا هستند.

ذرات آلفا به دلیل حالات انرژی بالایی که دارند، خیلی سریع انرژی خود را به هر ذره نزدیک می دهند و باعث می شود که به سرعت به تعادل برسند و در یک محیط ناپدید شوند. بنابراین بیشتر ذرات آلفا قادر به نفوذ به لایه های نازک آب، گرد و غبار، هوا یا کاغذ نیستند و نمی توانند وارد پوست انسان شوند. تا حدی به دلیل اتلاف سریع آنها، اندازه گیری این ذرات دشوارترین است.

بسیاری از آشکارسازهای آلفای اختصاصی با پوشاندن محیط تشخیص با یک لایه بسیار نازک و ظریف بر نفوذ بسیار کم ذرات غلبه می کنند. در حالی که این باعث می شود دستگاه فوق العاده شکننده باشد، مشکلات ذرات آلفا را جبران می کند.

بتا (β)

ذرات بتا به سادگی الکترون هایی هستند که از هسته ایزوتوپ های رادیواکتیو در حال فروپاشی ساطع می شوند و به این ترتیب دارای بار منفی هستند. تابش بتا سبک تر از آلفا است و می تواند چندین فوت از یک منبع حرکت کند. ذرات بتا می توانند به مواد نازک از جمله کاغذ و لایه های بیرونی پوست انسان نفوذ کنند، اما معمولاً نمی توانند به لباس نفوذ کنند. استرانسیوم 90، کربن 14 و تریتیوم ساطع کننده های بتا هستند.

منابع بتا فعال گاهی اوقات ذراتی با انرژی بسیار کم منتشر می کنند. به این ترتیب، این ذرات قدرت نفوذ کمتری نسبت به ذرات آلفا دارند و تشخیص آنها بسیار دشوار است.

گاما (γ) و اشعه ایکس

پرتوهای گاما و ایکس به شکل تابش الکترومغناطیسی با طول موج های بسیار کوتاه (به ترتیب کمتر از 10 پیکومتر و کمتر از 10 نانومتر) ساطع می شوند. این دو نوع قدرت نفوذ بسیار بیشتری نسبت به ذرات ساطع شده دارند و تنها می توانند به طور موثر توسط موانع سربی یا بتنی ضخیم مسدود شوند. پرتوهای گاما و ایکس می توانند تا فاصله 500 متری از یک منبع حرکت کنند و ممکن است همراه با ذرات آلفا یا بتا منتشر شوند.

اشعه گاما و اشعه ایکس به دلیل خاصیت نفوذی که دارند، ساده ترین انواع تشعشعات برای تشخیص هستند.

ید-131، سزیم-137 و رادیوم-226 نمونه هایی از تابش کننده های گاما هستند.

طیف الکترومغناطیسی، طول موج های کوتاه/فرکانس های بالا تابش x و گاما را نشان می دهد.

نوترون

تابش نوترونی، همانطور که از نامش پیداست، شامل انتشار نوترون از اتم های در حال فروپاشی است. تشعشعات نوترونی تنها نوعی است که می تواند اتم های تماسی را رادیواکتیو کند. نوترون‌ها بسیار نافذ هستند و می‌توانند مسافت‌های طولانی را بپیمایند و به موانع ضخیم و غنی از هیدروژن متشکل از آب، بتن یا نفت نیاز دارند تا مسدود شوند.

از آنجایی که نوترون‌ها مانند ذرات دیگر باعث یونیزاسیون نمی‌شوند، معمولاً به نسخه‌های نسبتاً تخصصی تجهیزات تشخیص رایج نیاز دارند.

روش های تشخیص و انواع دستگاه

برخی از انواع آشکارسازهای رایج در زیر توضیح داده شده است.

لوله گایگر مولر

لوله های GM لوله های پر از آرگون هستند که با یک عنصر سیم نازک نصب شده اند. هنگامی که یک ذره وارد لوله می شود، یک الکترون را از اتم آرگون می کشد. الکترون به عنصر الکتریسیته جذب می شود و باعث می شود که الکترون های دیگر اتم های آرگون در طول مسیر جابجا شوند. هنگامی که تمام الکترون ها به سیم می رسند، یک پالس تشکیل می شود که می تواند به یک شمارنده منتقل شود.

لوله های GM را می توان برای تشخیص تابش آلفا، بتا یا گاما پیکربندی کرد. با توجه به پتانسیل یونیزاسیون بالای ذرات آلفا، لوله های GM به عنوان آشکارساز آلفا موثر هستند. آنها همچنین به دلیل "بهمن" الکترونی که پس از سنجش حتی یک ذره رخ می دهد، ویژگی های حساسیت بالایی دارند.

یک لوله گایگر مولر با شمارنده.

آشکارساز سوسوزن

آشکارسازهای سوسوزن به عنوان آشکارسازهای یدید سدیم نیز شناخته می شوند. آنها از یک کریستال نمک (اغلب یدید سدیم) تشکیل شده اند که به عنوان "سوزن" نیز شناخته می شود، که به یک لوله فتومولتیپلایر متصل است. هنگامی که یک ذره تشعشع به کریستال برخورد می کند، باعث تحریک و آزاد شدن فوتون می شود و در نتیجه یک فلاش کوچک از نور مرئی ایجاد می شود. فلاش از طریق یک عدسی منعکس می شود و با یک فوتوکاتد، یک دستگاه تخصصی که در تماس با نور الکترون تولید می کند، تماس پیدا می کند. الکترون ها از طریق یک فتو ضربی کشیده می شوند و توسط یک آند جمع آوری می شوند تا یک پالس الکترومغناطیسی تشکیل دهند. این پالس توسط یک متر شناسایی و نمایش داده می شود.

آشکارسازهای سوسوزن بهترین وسیله برای تشخیص گاما یا اشعه ایکس هستند و دومین نوع آشکارساز رایج بعد از لوله های GM هستند. آنها توانایی تمایز بین تابش آلفا، بتا و گاما را دارند و می‌توان آن‌ها را طوری پیکربندی کرد که صداهای متفاوتی را از طریق یک متر تولید کنند. آشکارسازهای بتا اغلب از یک محیط سوسوزن مایع استفاده می‌کنند و می‌توانند بازده نسبتاً بالایی را حتی در سطوح انتشار انرژی پایین‌تر به دست آورند.

یک آشکارساز سوسوزن.

حالت جامد

آشکارسازهای حالت جامد ابزارهای نیمه هادی مدرنی هستند که از دیود اتصال pn با بایاس معکوس استفاده می کنند. با عبور یک ذره از محل اتصال، برانگیختگی حاصل از الکترون ها باعث ایجاد حفره هایی در نوار ظرفیت می شود. سپس الکترون ها به ماده n جذب می شوند ، در حالی که سوراخ ها به سمت ماده p حرکت می کنند . این یک پالس جریان ایجاد می کند که می تواند با استفاده از متر یا شمارنده اندازه گیری شود.

یک آشکارساز نیمه هادی

آشکارسازهای نیمه هادی اساساً به روشی مشابه لوله های GM عمل می کنند، با این تفاوت که الکترون ها و یون های مورد استفاده به عنوان حامل بار در آشکارساز گاز با الکترون ها و حفره ها جایگزین می شوند. آنها تقریباً در هر کاربرد نسبت به هر دو نوع گاز و سوسوزن برتری دارند.

فاکتور فرم

آشکارسازهای تشعشع ممکن است ثابت یا قابل حمل باشند. آشکارسازهای ثابت معمولاً در آزمایشگاه‌ها و سایر امکانات آزمایش استفاده می‌شوند و برای قرار گرفتن روی میز یا اتصال به جریان فرآیند طراحی شده‌اند. آشکارسازهای قابل حمل به عنوان دستگاه های دستی برای اندازه گیری های میدانی طراحی شده اند. هر دو نوع فاکتور شکل ممکن است از هر یک از روش های تشخیصی که در بالا توضیح داده شد استفاده کنند.

یک کنتور قابل حمل (سمت چپ) و آشکارساز ثابت.

استانداردها

استانداردهای منتشر شده که کالیبراسیون و استفاده از آشکارسازهای تشعشع را توصیف می کنند، به دلیل قوانین متعددی که میزان تشعشع در زباله ها و محیط زیست را محدود می کنند، مهم هستند. استانداردهای ANSI/IEEE N42.3 مجموعه‌ای از روش‌های جامع برای آشکارسازهای تشعشع هستند. چند استاندارد N42 در زیر ذکر شده است.

• IEEE N42.31 - روش های اندازه گیری برای تفکیک و کارایی آشکارسازهای نیمه هادی با فاصله باند گسترده پرتوهای یونیزان

• IEEE N42.33 - استاندارد ملی آمریکا برای ابزار دقیق تشخیص تشعشع قابل حمل برای امنیت داخلی

استانداردهای دیگر عبارتند از IEEE 309 که مخصوص لوله های Geiger-Müller است و ASTM D7283 برای شمارنده های سوسوزن مایع.

منبع

globalspec