الكشف عن الإشعاع

مبدأ الكشف :-
نظرا لطبيعية الإشعاع غير المرئية كان لابد من إيجاد الطرق والأدوات الملائمة للكشف عن الإشعاع وقياسه وكذلك بما أن الهدف الرئيسي للوقاية الإشعاعية هو معرفة وقياس الإشعاع وتوفير المعلومات اللازمة عنه و معرفة مقدار ما قد يحدثه من أثار سلبية على الإنسان والبيئة بالإضافة الى تقدير ضرورة إجراء هذه القياسات ودرجة ملائمة الأجهزة لنوع القياس وذلك لغايات تخفيض الجرعات الإشعاعية .

تستخدم الكواشف النووية لكشف الجسيمات والفوتونات التي تنبعث من أنوية المواد المشعة وهذه الكواشف تعتمد في عملها على عمليات التأين التي تحدثها الجسيمات والفوتونات المشعة أثناء اجتيازها للمادة وتتوقف على:

1. طبيعة المادة.
2. نوع الإشعاع و طبيعته و شدته.

وتسمى المواد التي تتأثر بالإشعاع بشكل يمكن معه ( الاستفادة من الأثر الناتج ) بكواشف الإشعاع .

تنقسم الكواشف الإشعاعية إلى ثلاثة أنواع Types of Radiation Detectors

أولاً: الكواشف المملوءة بالغاز 

• غرفة التأين Ionization Chamber.

امتصاص الإشعاع في الغازات يؤدي إلى إنتاج أزواج أيونية Ion Pairs التي هي عبارة عن أيونات سالبة الشحنة (إلكترونات) وأيونات موجبة الشحنة (بقية الذرة). ولإحداث تأين لجزيئات الغاز فإنه من الضروري أن يعطي الجسيم الساقط طاقة على الأقل تكون مساوية لطاقة التأين لجزيئات الغاز ليسمح لعملية التأين بالحدوث.

فعند تسليط فرق جهد متوسط بين لوحين متقاربين تنجذب الأيونات الموجبة نحو القطب السالب والذي يسمى المهبط Cathode والأيونات السالبة نحو القطب الموجب والذي يسمى المصعد Anode. وعلى هذا الأساس فسيكون سيلاً من الإلكترونات، هذا السيل من الإلكترونات سيكوِّن تياراً كهربائياً I0  يمكن تكبيره باستخدام دائرة إلكترونية حساسة تسمى التيار المستمر (DC Amplifier) ومن ثم يمكن استخدامه كدليل للكشف عن الإشعاع.

• العداد التناسبي Proportional Counter.

الزيادة في فرق الجهد تؤدي إلى إحداث ظاهرة التضاعف للغاز Gas    Multiplication.  الأمر الذي يساعد على تسريع الإلكترونات الناتجة عن التأين إلى طاقة عالية تمكنها من القيام بتأينات أخرى قبل أن تصل إلى المصعد فينتج عن ذلك عدة مراحل من التأين الثانوي Secondary Ionization. هذه العمليات تُسَهِّل معرفة حركة الفوتون أو الجسيم المتأين عن طريق النبضات الكهربائية Electrical Pulses  التي تكون كبيرة لدرجة أنه من السهل كشفها. وبعد فترة زمنية عند تجاوز مدى معين من فرق الجهد يصبح حجم النبضة Pulse متناسباً مع كمية الطاقة المترسبة بواسطة الجسيمات الأصلية أو الفوتونات لذا سمي بالعداد التناسبي.

• كاشف غايغر-مولرGeiger-Muller.

هذا النوع من الكواشف الإشعاع عبارة عن العداد التناسبي، ولكن يختلف عنه في زيادة فرق الجهد مما يؤدي إلى إحداث ظاهرة التضاعف للغاز بصورة أكبر من العداد التناسبي. حيث يسبب الأيون الواحد تأيناً هائلاً يؤدي إلى نبضات كبيرة جداً من التيار. تؤدي زيادة الجهد العالي ما بعد منطقة التناسب  يتم التوصل إلى نهاية منطقة التناسب لتبدأ منطقة غايغر. عند هذه النقطة حجم جميع النبضات (بغض النظر عن طبيعة الجسيم المؤين الابتدائي) تكون متماثلة. لا يكتشفون كل جسيم ، حيث يمكن لبعض الإشعاع أن يمر دون إنتاج تأين كافٍ لاكتشافه .  سيكون الكاشف غير قادر على التفريق بين الأنواع المختلفة من الإشعاع.

إذا تمت زيادة فرق الجهد إلى مقدار عالي، فسوف تبدأ آلية التفريغ المستمر Continuous Discharge  داخل الأنبوب. عملية التفريغ المستمر هذه ضارة بالأنبوب إن استمرت لأي فترة من الزمن. وعلى هذا يجب خفض الجهد مباشرة. 

ثانياً: كواشف الحالة الصلبة 

إن انتقال الطاقة من الفوتون أو الجسيم المشحون إلى أحد إلكترونات التكافؤ Valence Electrons ربما يرفعه من مستوى التكافؤ إلى مستوى التوصيل وبالتالي سيترك الإلكترون فجوة Hole وهذه الفجوة تحمل شحنة موجبة وهي تشبه الأيون في الحالة الغازية المثارة والمتأينة. ويسمى هنا الإلكترون والفجوة Electron-hole Pair ويمكن وضع شوائب في المادة التي تكون فيها المسافة بين مستوى التوصيل Conduction Level ومستوى التكافؤ Valence Level  كبيرة نوعاً ما وليست كبيرة جداً كما في المواد العازلة ولا محدودة أو صغيرة جداً كما في المواد الناقلة Conductor، لذا تسمى هذه المواد أنصاف نواقل  Semiconductors.

وظيفة الشوائب هي تكوين مستويات بينية بين كلاً من عصابة النقل وعصابة التكافؤ وذلك لتقليص المسافة بينهما مما يساعد على تحرك الإلكترون من مكانه واقترابه من عصابة النقل مما يساعد على النقل في هذه الحالة، وعلى هذه تعتمد عدادات الحالة الصلبة . فهي إذاً مكونة من قطعتين هما n-type وأغلبتها إلكترونات و p-type وأغلبها فجوات.

هاتان القطعتان متصلتان مع بعضهما البعض لتكوِّن ما يعرف بوصلة P-N Junction فعند التوصيل تنتقل الإلكترونات من القطعة السالبة إلى القطعة الموجبة العكس بالنسبة للفجوات مما يؤدي إلى تكون منطقة نضوب بيهما Depletion Layer.

1. كواشف السيليكون Silicon Detector.
2. كواشف الجرمانيوم Germanium Detectors.

ثالثاً: الكواشف الوميضية 

الكاشف الوميضي عبارة عن محول يقوم بتحويل الطاقة الحركية للجسيم الساقط إلى ومضة ضوئية. حيث يعتبر كشف الإشعاع المؤين بواسطة الضوء الوميضي Scintillation Light  المنبعث من أقدم الأساليب المعروفة في ذلك.

الضوء يتم توضيحه إلكترونياً باستخدام أنبوب التضاعف الضوئي (Photo-multiplier Tube (PMT والتي يمكن ترتيب نبضته الخارجة وعدها.

1. الوميضيات البلاستيكية Plastic Scintillators.
2. بلورة أيوديد الصوديوم NaI Detectors.

تؤدي غالبية عمليات تصادم الأشعة المؤينة Ionizing Radiation مع الذرات إلى تأين حيث ينتج عن كل عملية تأين زوج إلكتروني-أيوني واحد فقط(electron-ion pair) . وفي أحوال أخرى قد تكون الطاقة الحركية التي أكتسبها الإلكترون المداري كبيرة نسبياً وينتج عن ذلك سلسلة من عمليات التأين.

للتذكير :  الإشعاع المؤين هو الإشعاع الذي لديه المقدرة على فصل الإلكترون من الذرة فتصبح الذرة هي الأيون الموجب بينما يكون الإلكترون هو الأيون السالب، ويُسمَّيان بزوج إلكتروني-أيوني.

عداد جايجر مولر :

يستخدم عداد جيجر مولر للقياسات في الاضمحلال النووي. يتكون غاز كاشف جيجر مولر من مكونين: غاز تعبئة وغاز التبريد (التهدئة و الاخماد) عادة ما يكون غاز الملء نيون ولكن الغازات الأخرى تستخدم أحيانًا ، مثل الهيليوم أو الأرجون أو الكريبتون.

يتكون من أنبوب معدني أسطواني، أنبوب(GM) ، مع نافذة طرفية رفيعة من الميكا. تمتلئ الأسطوانة بنوع معين من الغاز. يحتوي على سلك طويل في المنتصف يتم الاحتفاظ به بجهد موجب عالي ، وهو قطب موجب (Anode). القطب السالب (Cathode) هو جدار الاسطوانة. تسمى الأيونات والإلكترون المتولدة أزواج أيون.

عندما يدخل الاشعاع إلى الكاشف ، فإن  ذرات الغاز تتأين ؛ أي أنه يستخرج الإلكترونات من الذرات ويتم إنتاج أيونات الغاز. تتسارع الإلكترونات (بسبب زيادة الجهد المطبق بين الأقطاب الكهربائية) باتجاه السلك المركزي ، والأيونات المنتجة باتجاه الجدار الخارجي. يتم شحن هذه الأيونات وتتحول مرة أخرى إلى ذرات مشحونة. تترك هذه الإلكترونات المستخرجة الأنبوب وتتدفق عبر المقاوم R وتشكل تيارًا كهربائيًا I وتولد جهدًا V = RI .

يعمل الغاز الخامل داخل أسطوانة أنبوب جيجر مولر كمضخم للشحنات الكهربائية المنتجة.يتم تضخيم هذا الجهد (نبضة الجهد) واستخدامه في القياس.

ينتج الإشعاع الساقط أزواج شحن على طول مساره. تبدأ الشحنات في التحرك في اتجاهين متعاكسين تحت تأثير المجال الكهربائي المطبق. تتحرك الإلكترونات ، كونها أخف من الجزيئات الموجبة الشحنة ، بشكل أسرع وتترك وراءها ذيلًا طويلًا من الشحنات الموجبة تنجرف ببطء نحو الكاثود ، و هو ما يعرف و يسمى بشبيه الإنهيار الجليدي ،يشبه شكل الانهيار الجليدي او قطرة الماء، (Avalanche) .

 يعمل المجال الكهربائي القوي الناتج عن الجهد عبر أقطاب الأنبوب على تسريع الأيونات الموجبة باتجاه القطب السالب والإلكترونات باتجاه القطب الموجب. بالقرب من القطب الموجب في “منطقة الانهيار الجليدي” ، تكتسب الإلكترونات الحرة طاقة كافية لتأين جزيئات الغاز الإضافية عن طريق الاصطدام وتكوين عدد كبير من الانهيارات الإلكترونية. تنتشر هذه على طول الأنود وبشكل فعال في جميع أنحاء منطقة الانهيار الجليدي.

هناك نوعان رئيسيان من غازات التبريد: غازات الهالوجين المروية وغازات التبريد العضوية ، الكلور هو أكثر غازات إخماد الهالوجين شيوعًا ، ولكن البروم يستخدم أيضًا.  يتم استخدام غاز تبريد بالهالوجين إذا كان غاز الملء نيون أو أرجون أو كريبتون ، بينما تستخدم الأنابيب المملوءة بالهيليوم عادةً غاز إخماد عضوي.

يرجع إنشاء العديد من الانهيارات الجليدية إلى إنتاج فوتونات الأشعة فوق البنفسجية في الانهيار الجليدي الأصلي ، والتي لا تتأثر بالمجال الكهربائي وتتحرك أفقياً إلى محور الأنود لتحريض المزيد من الأحداث المؤينة عن طريق الاصطدام بجزيئات الغاز. تنتج هذه التصادمات

مزيدًا من الانهيارات الجليدية ، والتي بدورها تنتج المزيد من الفوتونات ، وبالتالي المزيد من الانهيارات الثلجية في تفاعل متسلسل ينتشر بشكل جانبي عبر غاز التعبئة ، ويغلف سلك الأنود.

لمنع هذا التأثير المتكون (Avalanche) ، يجب تبريد (تهدئة) الغاز عن طريق إضافة كمية من غاز آخر. حتى مع استخدام التبريد ، يكون الكاشف غير حساس لفترة زمنية قصيرة بعد امتصاص الإشعاع ؛ الوقت الذي يتم فيه شحن الأيونات. تسمى هذه الفترة الزمنية ب (Dead Time) الذي يكون قصيرًا نسبيًا (200-400 مللي ثانية).

Dead Time : يتم تعريفه  على أنه الحد الأدنى للفترة الزمنية التي يجب فصل عددين متتاليين من أجل تسجيلهما كحدثين مختلفين. وعلى الرغم من أن معدل عدد النبضات المقاسة سيكون أقل من المعدلات الحقيقية. ولكن  يمكن تحديد معدل العد الحقيقي من المعدل المقاس .

بالنسبة لأنظمة الكشف التي تسجل الأحداث المنفصلة ، مثل أجهزة الكشف النووية و الكشف عن الجسيمات  ، فإن الوقت الميت (dead time) هو الوقت بعد كل حدث لا يكون النظام خلاله قادرًا على تسجيل حدث آخر.