الفيزياء الإشعاعية والوقاية

منذ اكتشاف الإشعاع والإنسان في حاجة ماسة لمعرفة المواد المشعة عن غيرها، وذلك لتلافي مخاطرها. وكما قيل "الحاجة أم الاختراع"، فقد صمم العلماء والباحثون العديد من الأجهزة التي يمكن استخدامها لهذا الغرض، وأطلق على هذه الأجهزة اسم كواشف الإشعاع Radiation Detectors.

وتختلف هذه الكواشف في تصميمها وطريقة أدائها طبقاً لنوع الإشعاع المراد كشفه، فهي تعتمد على التأثير الفيزيائي للإشعاع والذي ينقسم إلى ثلاثة أقسام:

1. كواشف تعتمد على تأين الغاز Gas Ionization Detectors.

2. كواشف تعتمد على الإثارة والتأين في المواد الصلبة Excitation and Ionization in Solid Detectors .

3. كواشف تعتمد على تحويل الأشعة المؤينة إلى ومضات ضوئية Scintillation Detectors.

• كشف الإشعاع المؤين  Detection of Ionizing Radiation

إن الإنسان بما وهبه الله سبحانه وتعالى من أجهزة الإحساس الجسمية إلا أنه ليس لديه المقدرة على كشف الإشعاع بواسطتها، ولهذا فإنه يعتمد تماماً على الأجهزة المخصصة لكشف وقياس الإشعاع. ويعتبر الكشف عن الإشعاع المؤين من أهم متطلبات العمل على الأجهزة المخصصة لكشف وقياس الإشعاع. ويعتبر الكشف عن الإشعاع المؤين من أهم متطلبات العمل في مجال الإشعاع. فمن المهم جداً معرفة مدى سلامة البيئة المحيطة من مصادر التلوث الإشعاعي وكذلك سلامة موقع العمل من هذا الإشعاع الخطير. من أجل هذا صُمِّمَت عدة أنواع من كواشف الإشعاع المؤين ليس فقط لديها القدرة على كشف وجود الإشعاع المؤين بل وعلى تحديد:

1. نوع الإشعاع أو الجسيمات النووية بنوعيها المشحون وغير المشحون.
2. طاقة هذا الإشعاع.

هذه الكواشف إنما هي أنواع عديدة فمنها الكواشف التي تقيس الجسيمات مثل عداد غايغر ومنها الذي لديه المقدرة على قياس الجرعات المتراكمة مثل المقياس ذو الفلم الحساس Film Badge ومقياس الجيب Pocket Dosimeter وكواشف التألق الحراري (Theromluminescence Dosimeters (TLDS ولكل نوع من هذه الأجهزة استعماله الذي يتفوق فيه. يعتمد اختيار الكاشف الإشعاعي بالإضافة إلى العاملين السابقين على كلٍ من: شدة الإشعاعات المراد الكشف عنها وطبيعة مكان تواجد الإشعاعات المؤينة.

ومبدأ عمل أي من هذه الأجهزة هو أن الجزء الحساس فيها يتفاعل مع الأشعة الساقطة بطريقة حيث أن مقدار استجابة الجهاز تتناسب مع تأثير الإشعاع أو خاصية الإشعاع المقاس. ويعتمد عمل الكاشف الإشعاعي في أغلب الكواشف النووية على عملية التأين في ذرات أو جزيئات مادة الكشف. فمرور الإشعاع المؤين داخل وسط الكاشف الإشعاعي يؤدي إلى توليد عدد من الأزواج الأيونية Ion Pairs والتي يمكن الكشف عنها بعد تجميع الأيونات ذات الشحنة المتشابهة والحصول على تيار التأين منها. فإذا كانت مادة الكاشف الإشعاعي عبارة عن غاز فإن متوسط الطاقة المطلوبة لإنتاج زوج أيوني في الغاز تساوي 35 eV.

مرور شعاع مؤين يحمل طاقة قدرها  2 Mev سيولد 2X10⁶/35 زوج أيوني أي حوالي 5.7X10⁴ زوج أيوني.  والذي يعطي شحنة مقدارها 1.6X 10^-19 X 5.7 X 10⁴ كولوم. أما بالنسبة للجسيمات المتعادلة الشحنة مثل النترونات فهي ليست لديها المقدرة على التأين المباشر للذرات ولكن يمكنها إخراج جسيم مشحون من النواة مثل البروتونات أو جسيمات –α والتي بدورها تؤدي إلى تأين المادة وتكوين الأزواج الأيونية. وكذلك الحال بالنسبة لفوتونات أشعة -ɣ وأشعة- X والتي ينتج عنها إلكترونات ثانوية تؤدي إلى تأين المادة وإنتاج الأزواج الأيونية.

تنقسم الكواشف الإشعاعية إلى ثلاثة أنواع Types of Radiation Detectors

أولاً: الكواشف المملوءة بالغاز ومنها

1. غرفة التأين Ionization Chamber.
2. العداد التناسبي Proportional Counter.
3. كاشف غايغر-مولرGieger-Muller.
4. الغرفة الضبابية Cloud Chamber.

ثانياً: كواشف الحالة الصلبة ومنها

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

ثالثاً: الكواشف الوميضية ومنها

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. وفي أحوال أخرى قد تكون الطاقة الحركية التي أكتسبها الإلكترون المداري كبيرة نسبياً وينتج عن ذلك سلسلة من عمليات التأين.

وقد تم تعريف الإشعاع المؤين بأنه ذلك الإشعاع الذي لديه المقدرة على فصل الإلكترون من الذرة فتصبح الذرة هي الأيون الموجب بينما يكون الإلكترون هو الأيون السالب، ويُسمَّيان بزوج إلكتروني-أيوني.

كواشف الإشعاع Radiation Detectors

إن أجهزة عد الفوتونات أو الجسيمات واسعة الاستعمال وذلك لتعيين النشاط الإشعاعي لعينة أخذت من البيئة كعينة من الهواء مثلاً، أو لقياس نشاط مائع حيوي من شخص يعتقد أنه قد تلوث داخلياً أو غير ذلك. ومن الاستعمالات الشائعة للكواشف وهي أجهزة المسح الإشعاعي Portable Radiation-Survey Meters. وعليه فهي واسعة الاستعمال للكشف عن المصادر غير المعروفة للإشعاع أو عن تسرب الإشعاع ومناطق التلوث. قد يكون الكاشف في أجهزة عد الجسيمات من النوع المملوء بالغاز أو الصلب. يؤدي مرور الجسيم المؤين خلال الكاشف في أي منها إلى ضياع الطاقة خلال عملية التأين. هذه الومضة من التأين تتحول إلى نبضة كهربية والتي يعبر عنها على جهاز عرض ليتم تسجيل العدَّة.

أولاً: كواشف تعتمد على تأين الغاز Gas Ionization Detectors.

الشكل التالي يوضح نظاماً يتكون من مصدر جهد متغير V، مقاومة ذات قيمة عالية R  وغرفة D للعد مملوءة بالغاز، التي تحتوي على قطبين متحدين في المركز ومعزولين جيداً عن بعضهما. جميع السعات الكهربية المصاحبة لهذه الدائرة تم التعبير عنا بالمكثف C. وبسبب إنتاج الأيونات خلال الكاشف عندما يتعرض للإشعاع يصبح الغاز خلال الكاشف موصلاً كهربائياً.

إذا كان ثابت الزمن RC لدائرة الكاشف أكبر بكثير من الزمن اللازم لجمع جميع الأيونات الناتجة عن مرور جسيم واحد خلال الكاشف، وعليه تكون نبضة الجهد V=Q/C، حيث Q الشحنة الكلية المتجمعة و C سعة الدائرة.

النبضة العريضة الخارجة ستجعل من الصعب الفصل بين النبضات المتتالية. لكن إذا كان ثابت الزمن لدائرة الكاشف تم جعلها أصغر بكثير من الزمن المطلوب لجمع كل الأيونات فسيكون ارتفاع نبضة الجهد المتكون أصغر. وفيما يلي شرحٌ لأربعة أنواع من 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. إن أقل الإلكترونات ارتباطاً في معظم الغازات المستخدمة في الكواشف النووية يحتاج إلى طاقة تتراوح ما بين 10 و 20 إلكترون-فولت.

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.

تكون غرفة التأين عادة مملوءة بالهواء ويعتمد تصميم هذه الغرفة على المواد ذات العدد الذري الصغير. فعلى سبيل المثال للكشف عن أشعة بيتا β تصمم غرفة التأين من مواد رقيقة حيث أن المواد الثقيلة تجعل أشعة بيتا β تتفاعل وتؤين المادة وتنتج أشعة الكبح Bremsstrahlung.

فإذا سقط فيض ثابت من الأشعة خلال الكاشف وتم تغيير الجهد V، فسوف يمكن التعرف على العديد من المناطق الواضحة ذات الأهمية في قياس الإشعاع. وبزيادة فرق الجهد من الصفر إلى الجهود المنخفضة نسبياً فإن أول منطقة (تعرف بمنطقة غرفة التأين) التي تكون في الواجهة. وجميع الأيونات الموجبة يتم جمعها بواسطة المهبط الخارجي، بينما تجمع الأيونات السالبة (الإلكترونات) بواسطة المصعد الوسطي (الموجود داخل الكاشف نفسه). في هذه الحالة، نقصد بالجهود المنخفضة المدى أي الجهد الذي يكون كافياً لجمع الأيونات قبل أن يتمكن جزء كبير منها من الاتحاد وكذلك لا يكون كبيراً لتعجيل الأيونات بما يكفي لإنتاج تأينات ثانوية عن طريق التصادم. في هذه المنطقة عدد الإلكترونات المتجمعة بواسطة المصعد سيساوي عدد الجسيمات الابتدائية المؤينة الناتجة. وعلى هذا فحجم النبضة لن يعتمد على الجهد وسيعتمد فقط على الأيونات الناتجة بواسطة الجسيمات المؤينة الابتدائية أثناء مرورها خلال الكاشف. يمكن أن تحدد منطقة غرفة التأين بمدى جهود التشغيل التي ليس فيها مضاعفة للأيونات بسبب التأينات الثانوية، أي أن معدل معامل تكبير الغاز يساوي واحد.حجم النبضة من العداد الذي يعمل في منطقة غرفة التأين يعتمد على عدد الأيونات الناتجة في الغرفة يجعل من الممكن استخدام هذا الجهاز للتفريق بين الأشعاعات ذات التأينات النوعية المختلفة مثل ألفا α وبيتا β وغاما ɣ. جسيم ألفا الذي يعبر الغرفة ينتج حوالي 10⁵ زوج أيوني والذي يكافئ 1.6X10^-14 كولوم. فإذا كانت سعة الغرفة ^11-10 فاراد وإذا جمعت جميع الشحنات فإن نبضة الجهد الناتجة عن مرور هذا الجسيم (جسيم ألفا) ستساوي:

من جهة أخرى جسيم بيتا يمكن أن ينتج حوالي 1000 زوج أيوني خلال الغرفة وعليه فستكون النبضة الناتجة بسبب جسيم بيتا تساوي فقط  1.6X10^-5 فولت. تكبير هاتين النبضتين 100 مرة يؤدي إلى الحصول على نبضات 0.16  فولت لجسيم ألفا و 0.0016 فولت لجسيم بيتا. وباستخدام مفرِّق Discriminator في أجهزة العد المرافقة Scalers (أو أي جهاز قراءة آخر) فإن نبضات الجهد الأقل من حجم محدد مسبقاً يمكن إلغائها، فقط النبضات التي تتجاوز ذلك الحجم سوف يتم عدها. ضبط المفرِّق في هذا المثال عند 0.1 فولت سيسمح بعد النبضات الناشئة بسبب مرور جسيم ألفا ولا يسمح بعد النبضات الناشئة بسبب مرور جسيم بيتا. ضبط المفرِّق بهذه الصورة يسمى بحساسية الدخل Input Sensitivity للأجهزة المرافقة. فزيادة حساسية الدخل في المثال السابق ستسمح بعد كلاً من ألفا وبيتا.

العداد التناسبي Proportional Counter

يعتبر العداد التناسبي من أحد الكواشف المملوءة بالغاز وهو عبارة عن غرفة التأين السابق شرحها، ولكن يختلف عنها في زيادة فرق الجهد المسلط بين اللبوسين. هذه 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 معينمن فرق الجهد يصبح حجم النبضة Pulse متناسباً مع كمية الطاقة المترسبة بواسطة الجسيمات الأصلية أو الفوتونات لذا سمي بالعداد التناسبي.

من أحد عيوب العدادات التي تعمل في منطقة غرفة التأين المذكورة في البند السابق هو الضعف النسبي لنبضته الخارجة والتي تتطلب إما تكبيراً عالياً أو درجة عالية من الحساسية لأجهزة العد الرقمية Scaler المرافقة. للتغلب على هذه الصعوبة والاستفادة من اعتماد حجم النبضة على التأين لغرض التفريق بين الإشعاع فإن العداد يمكن أن يعمل كعداد تناسبي. فبزيادة الجهد على العداد إلى ما بعد منطقة غرفة التأين، يتم التوصل إلى نقطة يتم فيها إنتاج إلكترونات ثانوية فيها بالتصادم، وهي بداية نقطة التناسب. فانخفاض الجهد على طرفي المقاومة R سيكون الآن أكبر مما كانت عليه في منطقة غرفة التأين بسبب هذه الإلكترونات الإضافية. معامل تكبير الغاز في أكبر من الواحد. التكبير في أيونات الغاز (الذي يسمى بالانهيار) إنما هو مقيد بالقرب من التأينات الثانوية. زيادة الجهد تؤدي إلى زيادة حجم الانهياروذلك بانتشارة على طول المصعد. يحدد حجم النبضة الخارجة بعدد الإلكترونات المتجمعة بواسطة المصعد، ويتناسب حجم نبضة الجهد الخارجة من الكاشف مع الجهد العالي المسلط على الكاشف. يعتمد تكبير الغاز بجانب الجهد العالي من طرفي الأنبوب على قطر القطب المجمع (كثافة المجال الكهربائي بالقرب من سطح المصعد تزداد بتناقص قطر المصعد المجمع) و ضغط الغاز، حيث انخفاض ضغط الغاز يؤدي إلى زيادة التكبير فيه. بسبب اعتماد التكبير في الغاز (وعليه حجم النبضة الخارجة) على الجهد العالي فمن الضروري استعمال مصدر جهد عالي شديد-الثبات مع العداد التناسبي.

عداد غايغر-مولر Geiger-Mueller Counter

وقد اشتهر باسم عداد G-M أو أنبوب غايغر Geiger Tube. هذا النوع من الكواشف الإشعاع-أيضاً-ما هو إلاعبارة عن العداد التناسبي، ولكن يختلف عنه في زيادة فرق الجهد المسلط بين اللبوسين 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. وهذا النوع من الكواشف ذو كفاءة منخفضة في الكشف عن أشعة- ɣ حيث يمكن للبعض من الفوتونات النفاذ من الأنبوبة بدون إحداث أي تأين للغاز.

تؤدي زيادة الجهد العالي ما بعد منطقة التناسب حتماً إلى زيادة الانهيار ليمتد على الطول الكلي للمصعد. عندما يحدث يتم التوصل إلى نهاية منطقة التناسب لتبدأ منطقة غايغر. عند هذه النقطة حجم جميع النبضات (بغض النظر عن طبيعة الجسيم المؤين الابتدائي) تكون متماثلة. العمل عند منطقة غايغر سيكون الكاشف غير قادر على التفريق بين الأنواع المختلفة من الإشعاع. ومع هذه، النبضات الكبيرة الخارجة (الأكبر من ربع فولت) والناتجة عن التكبير العالي في الغاز في عداد غايغر تعني إما التخلص الكامل من مكبر النبضة أو استخدام مكبر ليس من الضروري أن يحقق متطلبات التكبير العالي للنبضة بدقة. لعداد غايغر مدى واسع من جهود التشغيل التي يكون فيها معدل العد لا يعتمد (تقريباً) على جهد التشغيل. في منطقة غايغر يكون امتد الانهيار قدر الإمكان محورياً على طول المصعد. فزيادة الجهد إذاً تؤدي إلى انتشار الانهيار قطرياً، مما يؤدي إلى زيادة معدل العد Counting Rate. ونحصل تبعاً لذلك على ميل في Plateau. وعليه فهنالك علاقة تستخدم للحكم على كفاءة العداد وهي طول Plateau، ميل Plateau، وزمن التفريق Resolving Time. يعطي الميل Slop غالباً كزيادة مئوية في معدل العد لكل 100V:عداد غايغر له ميل يساوي 3% تقريباً لكل 100V. جهد التشغيل لعداد غايغر يكون حوالي ثلث أو نصف المسافة من ركبة منحنى معدل العد مع الجهد.

تخميد عداد غايغر Quenching G-M Counter

عندما يتم جمع الأيونات الموجبة بعد النبضة، تعطي طاقاتها الحركية بالاصطدام بجدار الأنبوب. وبنزول هذه الذرات إلى المستوى الأرضي Ground State تفقد هذه الذرات طاقات الإثارة بإطلاق فوتونات فوق بنفسجية UV. وحيث أن في هذه الفترة يكون المجال الكهربائي حول المصعد قد أعيد تأسيسه إلى شدته الكاملة، فإن تفاعل فوتونات UV مع الغاز في الكاشف يمكن أن ينشط حدوث انهيار جديد وعليه فسوف يحدث عداً زائفاً. منع حدوث هذا العد الزائف يسمى بالتخميد Quenching.

يمكن الحصول على التخميد إما إلكترونياً (بتخفيض جهد المصعد بعد النبضة حتى تجمع كل الأيونات الموجبة) أو كيميائياً باستخدام غاز ذاتي التخميد. الغاز ذاتي التخميد هو غاز يقوم بامتصاص فوتونات UV بدون أن يحصل له تأين. من أحد طرق هذه العملية هو إدخال كمية صغيرة من بخار عضوي إلى الأنبوب. وعلى هذا فستفقد طاقة فوتون UV بواسطة انحلال الجزيء العضوي. مثل هذه الأنابيب تكون جيدة الاستعمال فقط طالما تحتوي على عدد كاف من الجزيئات العضوية من أجل التخميد Quenching. عملياً البخار العضوي لعداد غايغر له عمر افتراضي فعال يقدر 10⁸ عدة. وكذلك ينتج التخميد الذاتي عندما يحتوي غاز العد على كميات ضئيلة من الهالوجين. في هذه الحالة جزيء الهالوجين لا ينحل بعد امتصاصه للطاقة من فوتون UV وعلية فإن العمر الافتراضي الفعال لعداد تخميد الهالوجين ليس مقيداً بعد النبضات الناتجة فيه.

منحنى تعداد غايغر

حيث أن أنبوب غايغر يعمل كعداد بسيط لحوادث التأين فإن عمله فقط يتطلب تأسيس ظروف التشغيل بحيث يتمكن نظام العد من تسجيل كل نبضة. عملياً، يتم اختيار نقطة التشغيل هذه بالحصول على منحنى يطلق عليه Plateau Curve في حال أن المصدر الإشعاعي يولد حوادث بمعدل ثابت خلال الأنبوب. يتم تسجيل معدل العد بزيادة فرق الجهد المسلط على الأنبوب ابتداءً من قيمة بدائية صغيرة. يتم الحصول على ارتفاع معين للنبضة وذلك من خلال تسليط جهد ثابت على الأنبوب. بزيادة فرق الجهد المسلط يزداد متوسط سعة النبضة ويمكن عدها. معدل العد التابع سوف يتغير فجأة من الصفر إلى قيمة عظمى بين الجهدين البدائي والحالي الذي بدأ فيه النظام بعد النبضات. زيادة الجهد لن يزيد من عدد الحوادث المسجلة. وعلى هذا فإن منحنى العد يظهر سفحاً مسطحاً-وهو ما يعرف  Flat Plateau عند جهد أكبر من الجهد الحالي. ومبدئياً، أي جهد تشغيل فوق هذا الجهد سيؤدي إلى ثبات التشغيل-أي ثبات العد. الجهد الأدنى الذي بدأ فيه تسجيل النبضات يسمى جهد البداية Starting Voltage بينما منطقة الانتقال بين الزيادة السريعة والسفح تسمى الركبة Knee كما في الشكل التالي:إذا تمت زيادة فرق الجهد إلى مقدار عالي، فسوف تنتهي منطقة السفح بسبب بداية 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 إذا لوحظت نهاية السفح. ومن أجل المحافظة على سلامة الأنبوب يتم اختيار نقطة تشغيل تكون بعيدة عن استواء السفح حتى نضمن الوصول إلى الاستواء وعليه يحافظ على تفريغ غايغر عند قيمة دنيا مقارنة بثبات جيد للعد ومعدل استهلاك منخفض لغاز التخميد.

الغرفة الضبابية Cloud Chamber

يمكن اعتبار الحجرة الضبابية إحدى أنواع الكواشف المملوءة بالغاز وذلك لاعتمادها على تأين الغاز بداخلها. استخدام هذا النوع من الكواشف محصورة على الجسيمات المشحونة، مثل جسيمات- α وجسيمات-β. وجدران هذه الحجرة وسطحها العلوي مصنوع من مادة البلاستك، أما بالنسبة لقاعدتها فهي عبارة عن لوح معدني يبرد بواسطة الثلج الذي يوضع عادة تحت اللوح مباشرة. وفي الجزء العلوي قماش اللباد الذي يكون مشبع بمادة متطايرة مثل الكحول، وذلك لجعل جو الغرفة المليء بالهواء النقي تماماً من الغبار، دائماً مشبع ببخار الكحول. فعند دخول الجسيمات المشحونة فوق اللوح المعدني فإنها تقوم بتوليد عدد من الأيونات فيتولد مسار مميز يمكن تصويره بواسطة لوحفوتوغرافي Photographic Film بعد إضاءته بشكل مناسب.

تفريق الزمن Resolving Time

إذا دخل جسيمان إلى الكاشف في تتابع سريع، يكون انهيار الأيونات من الجسيم الأول سوف يوقف العداد وجعله غير قادر على الاستجابة للجسيم الثاني. وحيث كثافة المجال الكهربائي كبيرة بالقرب من سطح المصعد فسيبدأ انهيار الأيونات بالقرب من المصعد . وعليه فإن الأيونات السالبة المتكونة سوف تنتشر باتجاه المصعد، بينما تتجه الأيونات الموجبة نحو المهبط. الأيونات السالبة (الإلكترونات) تتحرك بسرعة بالغة وتتجمع في وقت قصير جداً، بينما الأيونات الموجبة الكبيرة تتحرك ببطء نسبي وعليه تتحرك فترة زمنية أطول نسبياً قبل أن يتم جمعها. زمن تجميع الأيونات الموجبة المتكونة بالقرب من سطح المصعد يعطى بالعلاقة التالية:حيث

b هي نصف قطر المهبط (cm).

a نصف قطر المصعد (cm).

P  ضغط الغاز في العداد (mm Hg).

V  فرق الجهد بين طرفي العداد (Volts).

ϻ حركة الأيونات الموجبة (cm/s)/(V/cm) وهي تساوي  1070 للهواء و 1040 للأرجون.

هذه الجسيمات الموجودة بطيئة الحركة تكوِّن طبقة حول المصعد موجب الشحنة أي أنها تقلل شدة المجال الكهربائي حول المصعدوتجعل من المستحيل تنشيط انهيار آخر بواسطة جسيم مؤين آخر. وتتحرك طبقة الأيونات الموجبة نحو المهبط، فتزداد شدة المجال الكهربائي حتى تصل إلى نقطة يمكن تنشيط انهيار آخر عندها. الزمن اللازم للوصول إلى شدة هذا المجال الكهربائي يسمى بالزمن الميت Dead Time. بعد انتهاء هذا الزمن الميت وعندما يمكن تنشيط انهيار آخر تكون النبضة الخارجة من هذا الانهيار لا تزال صغيرة نسبياً (حيث أن شدة المجال الكهربائي ليست كبيرة بما يكفي لإنتاج نبضة غايغر). وباستمرار حركة الأيونات الموجبة إلى الخارج سيزداد حجم النبضة الخارجة الناشئة من جسيم مؤين آخر. وعندما تكون النبضة الخارجة كبيرة بما يكفي لمرورها عبر المفرِّق ويمكن عدها، فسيقال عن العداد أنه استعاد نفسه من التأيين السابق، والفترة الزمنية بين الزمن الميت وزمن الاستعادة الكامل تسمى زمن الاستعادة Recovery Time. مجموع الزمن الميت وزمن الاستعادة يسمى زمن التفريق Resolving Time. وبديلاً عن ذلك يمكن تعريف زمن التفريق بأقل زمن يجب استغراقه بعد كشف جسيماً مؤيناً قبل أن يمكن الكشف عن جسيم آخر. العلاقة بين الزمن الميت وزمن الاستعادة وزمن التفريق موضحة في الشكل التالي:

بالنسبة لعداد غايغر يكون زمن التفريق في حدود 100 ϻs أو أكثر. العداد التناسبي أكثر سرعة من عداد غايغر. حيث أن الانهيار في العداد التناسبي يكون محدوداً بطول معين من المصعد، ويمكن تنشيط انهيار آخر في مكان آخر على طول المصعد بينما تكون منطقة الانهيار الأول مشلولة بالكامل. وعليه يكون زمن التفريق للعداد التناسبي في حدود عدة مايكروثانية.

قياس زمن التفريق:

يمكن قياس زمن التفريق بطريقة بسيطة وهي طريقة المصدرين. يتم عد مصدرين مشعين انفرادياً ومعاً. إذا لم يكن هناك فقد في زمن التفريق، فإن معدل العد للمصدرين معاً سيساوي مجموع معدلات العد لكلٍ منهما منفردين. لكن الفقد في العد بسبب زمن التفريق لأجهزة العد، سيكون مجموع معدلات العد للمصدرين المنفردين أكبر من ذلك للمصدرين المجتمعين.

ثانياً: الكواشف التي تعتمد على الإثارة والتأين في المواد الصلبة Excitation and Ionization in Solid State Detectors

في كثير من الحالات تكون كواشف الحالة الصلبة أفضل من الكواشف المملوءة بالغاز وذلك راجع لحساسيتها لإنتاج حوادث التأين Ionization Events التي تتطلب في المتوسط 3.5 ev فقط (في حالة السيليكون) مقارنة بمتوسط الطاقة العالي نسبياً (30 – 35 ev) في الكواشف المملوءة بالغاز وكذلك لصغر حجمها حيث يمكن الحصول على كواشف صغيرة جداً مقارنة بالكواشف المملوءة بالغاز وذلك يعود لِكِبَرْ كثافة الحالة الصلبة بحوالي 1000 مرة من الغاز. كفاءة كواشف أشباه الموصلات تصل إلى حوالي عشرة أضعاف كفاءة كواشف الموصله المملوءة بالغاز.

أوائل الكواشف من هذا النوع كانت تدعى عدادات البلورة Crystal Counter، ولكن الكواشف الحديثة سميت كواشف أنصاف نواقل Semiconductor Diode Detectors أو ببساطة كواشف الحالة الصلبة Solid-state Detectors.

الحالة الصلبة Solid State

1. عازل Insulator
2. ناقل Conductor
3. أنصاف نواقل Semiconductors

الفرق بينهم يكون في الإلكترون الموجود في عُصابة النقل Conduction Band. وأيضاً استجابة الإلكترون للتيار الكهربي المسلط على المادة الصلبة. حيث أن الإلكترون يتحرك من عُصابة التكافؤ Valance Band إلى عُصابة النقل Conduction Band وبينهم فراغ يسمى (فجوة الطاقة) Energy Gab.

إن انتقال الطاقة من الفوتون أو الجسيم المشحون إلى أحد إلكترونات التكافؤ Valence Electrons ربما يرفعه من مستوى التكافؤ إلى مستوى النقل 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 النقل 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.

ووظيفة 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.

وهاتان 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. ومن أكثر أنواع كواشف الحالة الصلبة استعمالاً ما يلي:

1. كاشف السيليكون Silicon
2. كاشف الجرمانيوم Germanium Detector

أولاً: كاشف السيليكون Silicon

حيث أن فجوة الطاقة (Energy Gab (E_G بين الناقلين هي 1.14 eV، ويلزم الإلكترون طاقة ω حتى يتحرك ويقطع المسافة ويصل الى الفراغ Hole وتساوي ω=3.5 eV.

ثانياً: كاشف الجرمانيوم Germanium Detector

حيث أن فجوة الطاقة (Energy Gab (E_G بين الناقلين هي 0.67 eV، وهي تعتبر أفضل من كاشف السيليكون لأن Gab يعتبر قريب من حالة الناقل Conductor . ويحتاج الإلكترون إلى طاقة ω حتى يتحرك ويقطع المسافة ويصل إلى الفراغ Hole وتساوي  ω=3 eV.

ثالثاً: الكواشف التي تعتمد على تحويل الاشعة المؤينة إلى ومضات ضوئية Scintillation Detectors

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. تاريخياً يعتبر العد الوميضي من أحد الطرق البدائية لقياس الإشعاع. حيث استعمل رذرفورد Rutherford  في تجاربه التقليدية في تشتت جسيمات ألفا بلورة كبريتيد الزنك Zinc Sulfide ككاشف ابتدائي للإشعاع واستخدم عيناه المجردتان لمشاهدة الضوء الذي يظهر عند اصطدام جسيمات ألفا بكبريتات الزنك. أما اليوم فإن الضوء يتم توضيحه إلكترونياً باستخدام أنبوب التضاعف الضوئي (Photo-multiplier Tube (PMT والتي يمكن ترتيب نبضته الخارجة وعدها.

يجب أخذ الحذر في عدم الخلط بين هذا النوع من الكواشف وكواشف الحالة الصلبة، حيث أن كواشف الحالة الصلبة تعتمد في مبدأها على إنتاج زوج Electron-hole Pair بينما الكواشف الوميضية تعتمد على انبعاث ومضة ضوئية. وقد أصبح حالياً يمكن الكشف عن الانواع المختلفة من الإشعاعات بواسطة العدادات الوميضية وذلك باستخدام المادة الوميضية المناسبة. عموماً تستخدم العدادات الوميضية بتوسُّع في عد أشعة بيتا وغاما ذات الطاقات المنخفضة. إن كانت كفاءة العد لعداد غايغر أو العداد التناسبي لأشعة بيتا ذات الطاقات المنخفضة قد تكون منخفضة بسبب فقد طاقة بيتا خلال العينة المستخدمة (هذه الظاهرة تسمى الامتصاص الذاتي Self-absorption). هذا العيب يمكن التغلب عليه بإذابة العينة المشعة في سائل وميضي مثل التولين Toluene. مثل عدادات السوائل الوميضية هذه تؤدي إلى كفاءة كشف تصل إلى 100%. وهي منتشرة الاستعمال في التطبيقات البحثية خصوصاً في مجال الكيمياء الحيوية في قياس ¹⁴Cو ³H.

وحيث أن كفاءة الكشف الضمنية للعدادات المملوءة بالغاز قريبة من 100%  لجسيمات ألفا أو بيتا التي تدخل إلى العداد لكن كفاءتهم للكشف عن أشعة غاما منخفضة جداً وهي بالغالب أقل من 1 %. من جهة أخرى البلورات الوميضية الصلبة لها كفاءات عالية للكشف عن أشعة غاما. علاوةً على ذلك وحيث أن كثافة الومضة الضوئية في الكاشف تتناسب مع طاقة شعاع غاما الذي أنتج ذلك الضوء فيمكن استعمال الكاشف الوميضي بالاستعانة ببعض الإلكترونيات المناسبة كمحلل طيفي لأشعة غاما Gamma Spectrometer (وبالكاشف المناسب يمكن استخدام العداد الوميضي كمحلل طيفي لأشعة بيتا أو ألفا).

هناك خواص يجب مراعاتها عند اختيار المادة الوميضية Properties of Scintilators Good or Ideal Scintillators Material

تحول طاقة حركة الفوتون (أو الجسيم المشحون) الساقط إلى ضوء يمكن كشفه بكفاءة عالية.

Convert Incident Radiation Energy in to light with High Efficiency

هذا التحول لابد أن يكون خطياً. (بمعنى أن الناتج الضوئي يكون متناسباً مع الطاقة الممتصة).

Light Output Should be Proportional to the Incident Energy

لابد أن تكون هذه المادة – التي تحول الطاقة إلى ضوء- شفافة لهذا الضوء المتولد.

Transmission to its Own Emission

زمن الاضمحلال لهذا الضوء لابد أن يكون قصيراً حتى يمكن توليد إشارات نبضية سريعة.

Short Decay Time

هذه المادة لابد أن تكون ذات جودة ضوئية عالية ويمكن إنتاجها بأحجام تتناسب مع الاحتياجات المعملية.

Can be produced in Large Size

الضوء الخارج لابد من تسجيله وتحويله إلى إشارة كهربائية وذلك من خلال أنبوب التضاعف الضوئي (PMT).

Electrical Signal Should be measured

فبالنظر إلى الخصائص السابقة نجد أنه من الصعب توافرها في مادة واحدة لذا فلا بد أن يكون الحرص على توفر أكبر قدر منها في المادة المختارة. لهذا فقد وجد أن أكثر المواد هي البلورات غير العضوية Inorganic Alkali Halide Crystals التي وجد منها بلورة أيوديد الصوديوم (Sodium Iodide (NaI هي الأكثر تفضيلاً وذلك لكثافتها العالية وارتفاع عددها الذري Z.

أنبوب التضاعف الضوئي (Photo-multiplier Tube (PMT

أكثر الكواشف استخداماً لقياس أشعة غاما هي بلورة أيوديد الصوديوم المنشطة بالثاليوم (NaI (TL متصلة ضوئياً بأنبوب التضاعف الضوئي. منشط الثاليوم الموجود كشائبة Impurity في مكونات البلورة إلى حد 0.2% يحوِّل الطاقة الممتصة في البلورة إلى ضوء. الكثافة العالية للبلورة بالإضافة إلى عددها الذري الكبير يؤديان إلى كفاءة عالية للكشف. فوتونات غاما المارة خلال البلورة تتفاعل مع ذرات البلورة بالميكانيكية المعروفة وهي الامتصاص الكهروضوئي، تشتت كومبتون وإنتاج الأزواج. الجسيمات الأولية المؤينة النتاجه من تفاعلات أشعة غاما (الإلكترونات الضوئية، إلكترونات كومبتون وأزواج الإلكترونات-البوزيترونات) تفقد طاقاتها بإثارة وتأين ذرات البلورة. الذرات المثارة تعود إلى مستواها الأرضي Ground State  ببعث كمات من الضوء. فعند اصطدام هذه النبضات الضوئية بالمهبط الحساس للضوء لأنبوب التضاعف الضوئي فستؤدي إلى تحرير إلكترونات من المهبط. هذه الإلكترونات يتم تسريعها إلى القطب التالي الذي يسمى الداينود Dynode والذي جهده أكبر إيجابية بحوالي 100V عن المهبط الضوئي. كل إلكترون يصطدم بالداينود سيؤدي إلى تحرير عدة إلكترونات من الداينود، أي تتم مضاعفة التيار الضوئي الأصلي، في الشكل التالي يوضح آلية عمل أنبوب التضاعف الضوئي:

يتم تكرار هذه العملية حوالي عشر مرات قبل أن يتم جمع كل الإلكترونات الناتجة بواسطة صفيحة أنبوب التضاعف الضوئي. نبضة التيار هذه والتي مقدارها يتناسب مع طاقة الجسيم المؤين الأولى يمكن تكبيرها فيما بعد وعدها.

إن التفاعل الكهروضوئي خلال البلورة لابد وأن ينتج إلكترونات ضوئية أحادية الطاقة وعليه سيتم إنتاج نبضات ضوئية لها نفس الشدة تقريباً. هذه النبضات الضوئية المتساوية في الشدة تؤدي إلى نبضات تياريه خارجة متساوية في المقدار تقريباً. ومن جهة أخرى بالنسبة لتشتت كومبتون سينتج طيف مستمر من الطاقة من إلكترونات كومبتون (حيث أكثر الإلكترونات أحادية الطاقة تلك التي تنتج من التشتت الخلفي Back Scatter  عند 180⁰ نسبة للفوتون الساقط). إلكترون كومبتون هذا الأكثر طاقة يدعى "حافة كومبتون" Compton Edge في التحليل الطيفي الوميضي.

وقد يخرج الفوتون المتشتت من البلورة أو يتفاعل مرة أخرى إما بالامتصاص الكهروضوئي (وهو الأكثر احتمالاً) أو بتشتت آخر لكومبتون على النحو التالي:

• هروب أحادي للفوتون Photon Single Escape

هروب لأحد الفوتونات خارج الكاشف، ويكون حساب الطاقة (hѵ-0.511 Mev).

• هروب ثنائي للفوتون Photon Double Escape

هروب لكلا الفوتونيين من الكاشف، ويكون حساب الطاقة (hѵ-1.022 Mev)

• التشتت الخلفي للفوتون 180⁰ Photon Back Scatter

يصطدم الفوتون بالكاشف ويرتد بالاتجاه المعاكس بزاوية 180⁰ درجة خارج الكاشف. كلما كان الكاشف كبير كلما كانت كفاءة الكشف عالية جداً، وتكون طاقة الفوتون المرتد هي نصف طاقة الفوتون الأصلية (0.256 Mev).

في إنتاج الأزواج يتم إنتاج ومضة من الضوء ممثلةً الكم الأصلي من الطاقة ناقص الفوتون الهارب (hѵ-1.022 MeV) وذلك بانتهاء طاقة كلاً من البوزيترون والإلكترون المتزامن في البلورة. وبعدما يفقد البوزيترون طاقته يتحد مع إلكترون وعليه فسوف يفنى الجسيمان وتسمى هذه العملية برقصة الموت  Death Dance حيث ينتج فوتونين كلاً منهما بطاقة 0.511 MeV. وبالاعتماد على الترتيب الزمني وحجم البلورة والتوزيع الفراغي لموقع التفاعل الابتدائي، يمكن أن نحصل على نبضتين كلاً منهما تمثل 0.511 MeV ، أو نبضة ضوئية واحدة تمثل 1.022 MeV أو نبضة ضوئية واحدة تمثل الفوتون الأصلي.

وأخيراً من أهم عيوب الكواشف الوميضية هو ضعف قدرة تفريق الطاقة لديها Energy Resolution.

التحليل الطيفي النووي Nuclear Spectroscopy

التحليل الضوئي الطيفي هو تحليل المصادر الإشعاعية أو النظائر المشعة بقياس توزيع الطاقة لديها. المقياس الطيفي Spectrometer هو جهاز يفصل النبضات الخاجة من الكاشف (غالباً الكاشف الوميضي أو شبة الموصل) تبعاً للحجم. وحيث أن توزيع الحجم يتناسب مع طاقة الإشعاع المكتشف، فإن الخارج من المقياس الطيفي يعطي معلومات مفصلة ومفيدة في معرفة النظائر المشعة المجهولة. هذه التقنية لاقت تطبيقات واسعة في تحليل الأشعة السينية وأشعة غاما باستخدام الكواشف الوميضية (NaI (TL وكواشف أنصاف نواقل، في تحليل أشعة بيتا باستخدام الكواشف الوميضية السائلة، وفي تحليل ألفا باستخدام كواشف أنصاف نواقل. توجد مقاييس الطيف النووية بنوعين:

1. محلل أحادي القناة Single-Channel Analyzer
2. محلل متعدد القنوات (Multi-Channel Analyzer (MCA

يتكون مقياس الطيف أحادي القناة من الكاشف، مكبر خطي، جهاز اختيار ارتفاع النبضة وجهاز لتوضيح القراءة مثل الرقميات Scalars أو جهاز قياس المعدل Rate meter. جهاز اختيار ارتفاع النبضة عبارة عن نافذة إلكترونية والتي يمكن ضبطها لتمرير النبضات التي تقع سعتها بين أي حدين مرغوبين من قيمة عظمى وصغرى. خرج محلل ارتفاع النبضة عبارة عن نبضة منطقية Logic Pulse تتجه إلى الرقميات أو جهاز معدل العد. الاستخدام الرئيسي للمحلل الأحادي القناة هو التفرقة بين الإشعاعات المطلوبة وأي إشعاع آخر يمكن اعتباره كضجيج Noise. إذاً المقياس الطيفي الوحيد القناة يستخدم لقياس أحد النظائر المشعة في وجود الأخريات أو لتحسين نسبة الاشارة –إلى-الضجيج Single-to-Noise-Ratio عند قياس مصدر منخفض النشاط الإشعاعي في وجود عدد كبير من الخلفية Background. المحلل متعدد القنوات له محول من تماثلي-إلى-رقمي (Analog-to-Digital Converter (ADC بدلاً من جهاز اختيار النبضة وذلك لترتيب جميع النبضات الخارجة من الكاشف طبقاً لارتفاعها. أيضاً للمحلل متعدد القنوات ذاكرة حاسوبية لتخزين المعلومات من ADC أو من أي مصدر آخر. هذه المزيَّة تتيح آلية عملية معالجة البيانات مثل طرح الخلفية وقص Stripping أجزاء الطيف. قَص الطيف عبارة عن تقنية لتحليل الأطياف المركبة والمرتكزة على طرح متتابع لأطياف معروفة من أشعة غاما للنظائر المختلفة من الطيف المركب المسجل عندما كانت العينة تحت قياس التحليل النووي والمحتوية على عدد من بيانات أشعة غاما المختلفة.

إن أساس التحليل الطيفي النووي هو موقع الخطوط الطيفية الناشئة من الامتصاص الكلي للجسيمات المشحونة أو الفوتونات. قدرة تفريق الكاشف مهمة إذا كان المطلوب فصل الخطوط الطيفية القريبة من بعضها ومشاهدتها. وتعرف قدرة التفريق بنسبة العرض الكامل عند نصف الارتفاع (Full-Width at Half Maximum (FWHM كاملة-الطاقة Full–energy (غالباً تسمى القمة الضوئية Photo Peak عند التعامل مع الإلكترونات الضوئية) إلى طاقة نقطة المنتصف للقمة الكاملة-الطاقة.

إذا كانت FWHM هي  ΔE وإذا كانت E هي الطاقة الوسطية هذه القمة تكون قدرة التفريق المئوية تساوي ΔE/E X 100 فكلما قل عرض الطاقة ΔE كلما زادت تحسناً بزيادة الطاقة. على سبيل المثال عند الفوتونات 100 KeV، قدرة كاشف (NaI (TL  تكون حوالي 145 بينما عند فوتونات 1 MeV يصل التحسن في قدرة التفريق إلى 7%.

المصادر: 

Radiation Detection and Measurement. Third Edition. Glenn F. Knoll.

"Radiation and radiotherapy"

ترجمة وتحرير: مؤيد بن عيسى إسماعيل.