آشکارسازهای طیف بینی پرتو ایکس

 شما می توانید مطالب علمی و کاربردی خود را در زمینه آنالیز مواد از طریق آنالیوم به اشتراک بگذارید

مطالب ارسالی بر اساس درخواست شما در بخش علمی آموزشی یا دانلودهای تخصصی قرار داده می شود. جهت کسب اطلاعات با ما تماس بگیرید

 همان طور که در قسمت مبانی طیف سنجی پرتو ایکس گفته شد، صفحات حساس عکاسی جزو اولین آشکارسازهای مورد استفاده برای تشخیص پرتو ایکس بودند. امروزه با پیشرفت تکنولوژی آشکارسازهای طیف بینی پرتو ایکس بر مبنای تبدیل انرژی تابشی به سیگنال الکتریکی عمل می کنند. هر پالس انرژی الکتریکی به صورت کوانتوم انرژی در مبدل جذب و شمارش می شود.

یک آشکارساز ایده آل باید پاسخ سریعی داشته باشد. هرچه شدت تابش بیشتر باشد سرعت پالس بالاتر می رود و در سرعت بالای پالس مبدل اشباع شده و یک سیگنال متوسط نشان می دهد. فوتون شماری معمولا برای پرتوهای ایکس کم توان میسر است.

انواع آشکارسازهای طیف بینی پرتو ایکس

 به طور کلی سه نوع مبدل یا آشکارساز در طیف بینی پرتو ایکس به کار می رود: آشکارساز پرشده گازی (gas-filled) شمارنده سوسوزن (scintillation counter) و آشکارساز های نیمه هادی (semiconductor)

آشکارساز پرشده گازی

  آشکارسازهای پرشده گازی از معمول ترین مبدل های استفاده شده در طیف بینی پرتو ایکس هستند. این آشکارسازهای دارای یک محفظه پرشده از از یک گاز بی اثر مانند آرگون، زنون و کریپتون هستند که عبور پرتو ایکس از آن سبب تولید تعداد زیادی یون های مثبت گازی و الکترون (زوج یون) تشکیل می شود. اندازه گیری الکترون های تولید شده که متناسب با شدت پرتو ورودی به مبدل است، اساس آشکارسازهای پرشده گازی ست. شمای کلی یک آشکارساز پرشده گازی در شکل 1 نشان داده شده است.

آشکارساز پرشده گازی مورد استفاده در طیف سنجی پرتو ایکس-آنالیوم
شکل 1- شمای کلی یک آشکارساز پرشده گازی

 

با اعمال پتانسیل بین آند و کاتد الکترون های تولید شده از یونیزه شدن گاز، با سرعت به سمت آند حرکت می کنند. کاتیون ها سنگین تر بوده و با سرعت کمتری به سمت کاتد حرکت می کنند. سرعت کمتر کاتیون ها عامل محدود کننده در زمان پاسخ این آشکارسازهاست. پاسخ این آشکارسازها پالسی (تپی) ست. برای یک آشکارساز هرچه زمان مرده، مدت زمان بین دو پالس کمتر باشد، کارایی بهتری دارد.

انواع آشکارسازهای پرشده گازی

   آشکارسازهای پرشده گازی با توجه به پتانسیل اعمالی بین آند و کاتد، و تعداد الکترون های تولید شده به ازای هر فوتون پرتو ایکس به چند ناحیه تقسیم می شوند. شکل 2 منحنی شدت پالس (نشان دهنده تعداد الکترون ها در واحد زمان) بر حسب ولتاژ را در آشکارسازهای پرشده گازی را نشان می دهد.

منحنی شدت پالس بر حسب ولتاژ در آشکارسازهای پرشده گازی-آنالیوم
شکل 2 منحنی شدت پالس (نشان دهنده تعداد الکترون ها در واحد زمان) بر حسب ولتاژ را در آشکارسازهای پرشده گازی

 

از بین نواحی فوق، ناحیه یونش تناسبی و گایگر برای اندازه گیری پرتوها (شامل آلفا، بتا و گاما) مفید هستند.

   در ناحیه ترکیب مجدد (recombination region) به علت کم بودن پتانسیل اعمالی، شدت میدان الکتریکی بین دو الکترود نیز پایین است. بنابراین تمایل یون ها برای حرکت به سمت الکترودها پایین بوده و یون های مثبت و منفی فرصت کافی برای ترکیب مجدد و تشکیل اتم خنثی اولیه را خواهند داشت. انرژی پرتو جذب شده به صورت گرما هدر خواهد رفت.

شمارنده محفظه یونش

در ناحیه دو یا ناحیه محفظه یونش (Ionization chamber region) با افزایش پتانسیل اعمالی ترکیب مجدد صورت نمی گیرد و بار جمع شده در الکترودها تقریبا یکسان است. هیچ یونی، غیر از یون های تولید شده از برخورد پرتو ایکس، تولید نمی شود. چون جریان کوچک و حساسیت کم است،  در طیف بینی پرتو ایکس استفاده نمی شود.

شمارنده محفظه یونش، پالس های ضعیفی دارد که باید تقویت شوند. به دلیل رابطه بین شدت پالس و تولید الکترون، امکان تفکیک انواع پرتوها و نیز پرتوهای با انرژی متفاوت وجود دارد.

شمارنده تناسبی

   در ناحیه سوم یا ناحیه تناسبی (proportional region) افزایش پتانسیل اعمالی، سبب افزایش بار جمع شده می شود. یون های تولید شده انرژی بالاتری دارند و در نتیجه در مسیر حرکت خود یون های بیشتری ایجاد می کنند، که در نتیجه یون سازی تقویت شده و ارتفاع پالس افزایش می یابد. تقویت بین 500 تا 10000 بار امکان پذیر است. زمان مرده در حد  1µsec  است. تعداد الکترون های ایجاد شده و در نتیجه ارتفاع پالس، مستقیما با تابش فرودی پرتو ایکس متناسب است.

شمارنده تناسبی با وجود پالس های بلندتری که دارد، باز نیاز به تقویت کننده دارد. انواع پرتوها با شمارنده تناسبی قابل تفکیک می باشند.

  در ناحیه تناسبی محدود  (limited proportional region) انرژی جنبشی به اندازه ای ست که کسر قابل ملاحظه ای از مولکول ها به یون تبدیل شده و آشکارساز نزدیک به نقطه اشباع است. شدت سیگنال خیلی متناسب با تعداد الکترون ها نیست.

شمارنده گایگر

   در ناحیه گایگر مولر یا گایگر (Geiger region) ، با افزایش پتانسیل اعمالی میدان الکتریکی آنقدر شدید است که تولید یک زوج-یون منجر به تولید  حجم زیادی الکترون خواهد شد. در این حالت ارتفاع پالس خروجی مستقل از انرژی و پرتو فرودی بوده و فقط به خصوصیات الکترونیکی آشکارساز وابسته است. زمان مرده در شمارش گر گایگر µsecه200-50 است. این زمان مرده طولانی، استفاده از شمارش گر گایگر برای طیف بینی پرتو ایکس را محدود کرده است.

 در شمارنده گایگر، چون ارتفاع پالس به نوع و انرژی ذره بستگی ندارد بنابراین ت تفکیک انواع پرتوها و انرژی های پرتویی امکان پذیر نیست. شمارنده گایگر نیاز به تقویت کننده ندارد.

  در ناحیه تخلیه پیوسته یا خودبه خودی (Continuous or Spontaneous discharge)، پتانسیل اعمالی آنقدر بالاست که مشابه یک جرقه عمل می شود . به علت شدت بالا به آشکارساز آسیب می رساند.

آشکارساز یا شمارش گر سوسوزن

 اساس شمارش گر سوسوزن (Scintillation counter)، ایجاد لومینسانس بر اثر برخورد پرتو پرانرژی مانند پرتو ایکس به یک ماده لومینسانس است. این روش از روش های اولیه آشکارسازی مواد رادیواکتیو بود که درخشش های نوری حاصل از برخورد فوتون و صفحه سولفید روی با چشم شمارش می شد.

   امروزه از سوسوزن های معدنی و آلی استفاده می شود، اغلب کریستال های فلزات قلیایی، به ویژه یدورهای فلزات قلیایی که حاوی مقادیر جزیی از ناخالصی ها می باشند، مانند یدور سدیم با ناخالصی تالیم، یدور سزیم با ناخالصی تالیم، یدور لیتیوم با ناخالصی یورپیوم و غیره. پاراترفنیل در تولوئن به عنوان یک سوسوزن مایع و آلی نیز استفاده می شود. ناخالصی ها نقش مهمی در خاصیت لومینسانس این کریستال ها دارند.

   با عبور پرتو تابشی از بلور، انرژی به آن منتقل شده و فوتون های لومینسانسی آزاد می شوند. فوتون های تولید شده، سپس به یک لوله تکثیر کننده نوری یا PMT منتقل شده و به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود. پاسخ این آشکارسازها سریع تر و زمان مرده آنها کمتر از آشکارسازهای پرشده گازی ست.

آشکارساز نیمه رسانا

   اگر یک ماده نیم رسانای نوع n (حاوی الکترون بیشتر) و یک ماده نیم رسانای نوع P (حامل حفره بیشتر) در کنار هم قرار گیرند، الکترون ها وحفره های اضافی در محل اتصال این دو تجمع یافته و ترکیب می شوند. این تجمع سبب ایجاد یک میدان الکتریکی موضعی دایم می شود. آشکارساز نیمه رسانا از مواد نیمه رسانا ساخته شده و معمولا از لیتیم شناور در سیلسیم یا ژرمانیم هستند. بنابراین گاهی به نام آشکارسازهای SiLi يا GeLi نیز شناخته می شوند.

  عملکرد آشکارساز نیمه رسانا مشابه محفظه های یونش است. حامل های بار به صورت حفره-الکترون (hole-electron) هستند. برخورد فوتون با سطح دیود تولید جفت های حفره- الکترون می کند. حفره-الکترون های مثبت به طور آزادانه در نیمه هادی نوع P حرکت می کند اما الکترون ها در خارن های ذخیره می شوند. هر خازن دارای یک الکترود کوچک نیز هست که اعمال پتانسیل مثبت به این الکترود سبب می شود الکترون های تولید شده در زیر لایه عایق به دام بیافتند.

   آشکارسازهای نیمه رسانا، امروزه از مهم ترین آشکارسازها هستند و کاربرد روزافزونی در دستگاه های آنالیزی پیدا کرده اند. نوع ماده نیم رسانا، شکل، اندازه و هندسه ماده هادی، نقش تعیین کننده ای در کارایی آشکارسازهای نیمه رسانا دارد. آشکارسازهای نیمه رسانا پاسخ سریع و قدرت تفکیک بسیار بالایی دارند. آشکارسازهای نیمه رسانا برای جلوگیری از نویز باید خنک نگه داشته شوند.

مقالات مرتبط