آشکارساز

 

 

آشکارساز

از ویکی نجوم
 
پرش به: ناوبری, جستجو

 

 

امواج الکترومغناطیسی محدوده ای از امواج با طول موج های مشخص است که می توان در شکل زیر(1)مشاهده کرد. هر رده ی طیفی از امواج الکترومغناطیس احتیاج به یک نوع آشکار ساز خاص دارد.

(1)
E-M.JPG

 

آشکارساز تابش

حرکت گرمایی معمولی اتم هایی که در گاز یا مایع به هم برخورد می کنند، انرژی کافی برای جابه جا کردن الکترون ها را ندارد، و اتم ها خنثی باقی می مانند.اما وقتی ذره ای پر انرژی چون ذره آلفا یا بتا به سرعت از ماده عبور می کند، الکترون های مسیر ذره یکی پس از دیگری از اتم ها خارج می شوند.حاصل ردی از الکترون های آزاد شده و یون های دارای بار مثبت است.این فرایند یونش مسئول آثار زیان بار تابش پر انرژی در سلول های زنده است. همین طور یونش دنبال کردن مسیر ذرات پر انرژی را نسبتا آسان می سازد.

هر آشکارساز تابش هسته ای، اعم از آشکار ساز ذرات باردار یا فوتون های پر انرژی ، در نهایت یک علامت الکتریکی یا تپ ولتاژ را به دست می دهد که به یک مدار شمارشگر داده می شود؛ این مدار با دریافت علامت الکتریکی یا تب ولتاژ، ورود ذره به دستگاه آشکارساز را ثبت می کند. محیطی که در آن ذرات فرودی اثر هایی تولید می کنند که سرانجام به علامت های الکتریکی تبدیل می شوند، می تواند به اشکال گوناگون باشد.متداولترین آشکارساز هایی که در آزمایش های فیزیک هسته ای به کار می روند عبارتند از آشکارسازهای گازی، نیمه رسانا، سوسوزن و چرنکوف.

آشکارسازهای گازی

ساده ترین آشکارسازی که نسبت به اثرهای یونشی تابش هسته ای در یک گاز حساس است الکتروسکوپ است.وقتی یک الکتروسکوپ باردار شود، یک ورقه طلا(یا نوعی رسانای سبک وزن دیگر)به وسیله نیروی دافعه الکتریکی، از رسانای ثابتی که به آن متصل است جدا می شود، این جابه‌جایی مقیاسی از بار روی الکتروسکوپ است . تابش هسته ای، هنگام عبور از یک الکتروسکوپ باردار، هوا را یونیده می کند و الکتروسکوپ به وسیله یون هایی که روی آن جمع می شوند خنثی و تخلیه می شود. سه رده عمومی از آشکارسازهای گازی عبارتند از: اتاقک یونش، شمارشگر تناسبی و شمارشگر گایگر.

شکل(2)
Ashkarsaz1.jpg

شکل (2) را در نظر بگیرید. اتاقک گازی دارای دو الکترود است، یکی استوانه خارجی و دیگری یک سیم نازک در امتداد محور استوانه. این سیم در یک پتانسیل الکتریکی مثبت بالا نسبت به استوانه قرار داده می شود.دیواره اتاقک خواه از شیشه، فلز یا میکا، آن قدر نازک هست که امکان ورود ذرات باردار یا فوتون ها از خارج را میسر کند.در این اتاقک می توان از گازهای گوناگون استفاده کرد، و فشار نیز از کسری از یک اتمسفر تا چندین اتمسفر می تواند تغییر کند.میدان الکتریکی بین این دو الکترود بسیار نا همگن و در نزدیکی سیم مرکزی بسیار قوی است. تمام آشکارسازهای گازی بر اساس اصل زیر کار می کنند:

•تابش هسته ای، برخی از مولکول های گاز درون اتاقک را یونیده می کند.

میدان الکتریکی ذرات یونیده را به سوی الکترودها می کشاند و جریانی در مدار تولید می کند.

•جریان حاصل در یک مقاومت توسط ابزارهای الکتریکی اندازه گیری می شود. آشکارسازهای نیمه رسانا

آشکارساز نیمه رسانا، یا حالت جامد، از جمله مفیدترین، دقیقترین و موثرترین آشکارسازهای معاصر است.این آشکارساز در ساده ترین شکل خود شامل یک جامد(ماده نیمه رسانا) مانند ژرمانیم(معمولا همراه با ناخالصی لیتیوم) است که بین دو الکترودی که در آنها تپ خروجی پدیدار می شود قرار گرفته است.در حالی که آشکارسازهای گازی با زوج یون هایی که هر یک شامل یک الکترون آزاد و یک یون اند کار می کنند، آشکارساز نیمه رسانا با "زوج یون هایی" که هر یک شامل یک الکترون و یک حفره اند عمل می کند. الکترون های یک ماده خالص نیمه رسانا، یا عایق خالص، در حالت عادی به اتم های مادر خویش مقیدند و نمی توانند مانند حامل های بار در بلور سرگردان باشند. در چنین موادی حامل های بار با برانگیختگی گرمایی توسط اتم های ناخالصی مناسب یا، در وسایل آشکارساز،با عبور ذرات پرانرژی تولید می شوند. اگر یک ذره باردار فرودی یا یک فوتون فرودی به یک الکترون مقید انرژی کافی بدهد، الکترون آزاد می شود.در همین زمان، از جا کندن الکترون مقید از شبکه بلورین، به یک به اصطلاح حفره، یعنی جایی که الکترون از دست رفته است منجر می شود.این حفره در صورتی می تواند پر شود که یک الکترون مجاور به آن منتقل شود، که در این صورت در جای این الکترون، حفره دیگری پدیدار می شود. این فرایند تکرار می شود؛می توان چنین توصیف کرد که حفره‌ای که در جهت مخالف حرکت الکترون ها در ماده حرکت می کند همچون ذره ای با بار مثبت است. به همین دلیل است که زوج الکترون-حفره را زوج "یون" می نامند.یک زوج الکترون-حفره می تواند توسط میدان الکتریکی خارجی شتاب بگیرد و در نتیجه باز هم تعداد بیشتری زوج، که سرانجام به صورت تپ های بزرگ قابل اندازه گیری در الکترودها ثبت می شوند،تولید کند. برای یک شمارگر نیمه رسانا، اندازه تپ در گستره وسیعی به طور خطی به انرژی ذره مربوط است و شمارگر ها را می توان برای شمارش الکترون هایی با انرژی های جنبشی به کوچکی 20کیلو الکترون ولت و یون های سنگینی با انرژی جنبشی به بزرگی 200مگاالکترون ولت به قدر کافی حساس کرد.کارایی این شمارگر ها در ثبت ذراتی که ناحیه حساس را طی می کنند نزدیک به 100درصد است و از کارایی آشکارسازهای گازی خیلی بزرگتر است.زمان صعود سریع این تپ ها، از مرتبه یک نانو ثانیه(10betavan.gif) ،باعث می شود که این شمارگرها را بتوان برای آهنگ های شمارش بالا به کار برد.

آشکارسازهای سوسوزن

طرز کار آشکارهای سوسوزن بر این اساس است که وقتی به بعضی مواد (موسوم به فسفرها) ذرات برخورد کند و یا به آنها نور فرابنفش یا پرتوهای X تابیده شود،نور مرئی گسیل می کنند.وقتی ذره ای با فسفر برخورد می کند، الکترونی را به حالت انرژی بالاتر برمی انگیزد. وانگیختگی فسفر و بازگشت به حالت پایه با گسیل فوتون هایی که در ناحیه مرئی طیف قرار دارند همراه است. نمونه آشنای سوسوزنی یا فسفرسانس را می توان در اسیلوسکوپ پرتو کاتدی یا لامپ تصویر تلویزیون یافت، که در آن الکترون های با سرعت بالا به فسفر برخورد می کنند و گسیل تابش مرئی را موجب می شوند. یکی از ابتدایی ترین وسایل آشکارسازی حضور ذراتα از طریق آثار سوسوزنی آنها بر روی فسفری از جنس سولفور روی بود. در آزمایش های اولیه پراکندگی رادرفورد، یک پرده سولفور روی به عنوان آشکارساز ذرهα با میکروسکوپ مورد مشاهده قرار گرفت.کسل کنندگی و غیر حساسی نسبی این روش، که در آن با مشاهده مستقیم درخش های نور روشن سوسوها شمارش می شوند. در آشکارسازهای سوسوزن نوین، که در آنها از لامپ الکترونی قابل توجهی (تکثیر کننده فوتون یا افزونگر فوتون) استفاده می شود، حذف شده است.

شکل(3)
Ashkarsaz2 800x393.jpg

در شکل (3) نمودار طرح وار یک آشکارساز سوسوزن همراه با افزونگر فوتون را مشاهده می کنیم.فسفر(یک ماده شفاف) می تواند یدور سدیم با مقدار ناچیزی از تالیوم(برای پرتوهای γ)، یا یک جسم آلی مانند آنتراسن(برای الکترون ها)، یا سولفور روی با مقدار ناچیزی نقره(برای ذرات باردار سنگین مانند ذراتα)باشد.این فسفر پس از برانگیختگی اتم هایش بر اثر برخورد با ذرات یا فوتون ها درخش های نوری تولید می کند. فسفر در یک پوشش مانع نفوذ نور پیچیده می شود و فوتون ها احتمالا پس از چند بازتاب در درون فسفر، به فوتوکاتد لامپ افزونگر فوتون می رسند.فوتونی که به کاتد برخورد می کند برخورد فوتوالکتریکی را متحمل می شود، و یک الکترون از سطح کاتد به بیرون رانده می شود.این فوتوالکترون با یک اختلاف پتانسیل حدود 100ولت، به سوی اولین داینود لامپ افزونگر فوتون شتاب می گیرد. وقتی این فوتوالکترون با سطح داینود برخورد کرد، گسیل ثانوی الکترون، با انرژی جنبشی حداقل100 الکترون ولت رخ می دهد و دو یا چند الکترون توسط انرژی که از الکترون اولیه کسب می کنند، از این سطح رها می شوند.سپس این الکترون های ثانوی به واسطه پتانسیل 100ولتی دیگری، به سوی دومین داینود شتاب می گیرند و در انجا افزایش الکترون ها توسط گسیل ثانوی، دوباره رخ می دهد. یک لامپ افزونگر فوتون نوعی، دارای 10داینود یا 10 مرحله تقویت الکترونی است.فوتوالکترون اولیه می تواند در آخرین داینود یک تپ جریان را که به آسانی اندازه گیری می شود و ناشی از ورود حدود یک میلیون الکترون است تولید کند.

خصوصیت مهم آشکارساز سوسوزن آن است که تپ ولتاژ خروجی ناشی از لامپ افزونگر فوتون، با انرژی ذره یا فوتونی که در فسفر سوسو راه می اندازد تناسب بسیار نزدیک دارد؛ در این صورت نه تنها می توان ذرات را با آشکارساز سوسوزن آشکار کرد بلکه انرژی آنها را نیز می توان اندازه گیری کرد. آشکارساز های سوسوزن دارای برتری های دیگری نیز هستند؛ این آشکارسازها می توانند در آهنگ های شمارش خیلی بالا، با طول عمرهای تپ ها به کوتاهی یک نانو ثانیه(10betavan.gif) به کار می روند، و کارایی آنها در شمارش پرتوهای γ تقریبا 100درصد است. آشکارساز سوسوزن همراه با تحلیلگر ارتفاع تپ(یک وسیله الکترونیکی که تپ های خروجی از افزونگر فوتون را بر حسب اندازه آنها دسته بندی می کند)طیف سنج سوسوزن را تشکیل می دهند که به وسیله آن انرژی های پرتوهای تکفام γ را می توان به آسانی و با دقت خیلی زیاد اندازه گیری کرد.ولتاژ تپ خروجی مستقیما با انرژی جنبشی الکترون هایی که توسط سه فرایند اثر فوتوالکتریک،اثر کامپتون و تولید زوج الکترون-پوزیترون تولید می شوند، متناسب است.در این فرایند ها پرتوهای γ با ماده سوسوزن برهم کنش می کنند.

آشکارساز چرنکوف

وقتی ذره بارداری در یک محیط شفاف با سرعتی که از سرعت نور در آن محیط بیشتر است حرکت کند، نور مرئی گسیل می شود؛چنین نوری به یادبود کاشف آن به تابش چرنکوف موسوم است. حرکت یک ذره باردار پرانرژی در امتداد یک خط مستقیم در این محیط را می توان به صورت جا به جایی یک به یک یک سری الکترون اتمی واقع بر مسیر آن ذره، از موقعیت تعادل در نظر گرفت. میدان های تابشی ناشی از جا به جایی الکترون ها با هم ترکیب می شوند و یک موج الکترومغناطیسی خروجی قوی تشکیل می دهند؛ همانطور که اگر جسمی با سرعت بیشتر از سرعت صوت در یک محیط کشسان حرکت کند یک موج ضربه ای تولید می شود.

انواع دیگر آشکارساز

شمارشگر گایگر

شمارشگر گایگر از یک سیم مرکزی در استوانه فلزی تو خالی حاوی گازی کم فشار تشکیل شده است.ولتاژی الکتریکی به دو سر استوانه و سیم طوری اعمال می شود که سیم مرکزی مثبت تر از استوانه شود.اگر تابش وارد شمارشگر شود و اتمی از گاز را یونیده کند، الکترون آزاد شده جذب سیم مرکزی دارای بار مثبت می شود.وقتی این الکترون به طرف سیم شتاب می گیرد، با اتم های دیگر برخورد می کند و الکترون های بیشتری را بیرون می اندازد که آنها نیز به نوبه خود الکترون های بیشتری تولید می کنند، و به همین ترتیب باعث می شود که بهمنی از الکترون ها به طرف سیم روان شود.این موضوع تپ کوچکی از جریان الکتریکی به وجود می آورد که ابزار شمارش متصل به شمارشگر را فعال می سازد. این تپ پس از تقویت شدن، صدای تق تق شناخته شده آشکارساز های تابش را به وجود می آورد.

اتاقک ابری

اتاقک ابری مسیر مرئی تابش یوننده را به صورت ردهای مه نمایان می سازد.این دستگاه از اتاقک شیشه ای استوانه ای شکلی تشکیل شده است که بخش بالایی آن را پنجره ای شیشه ای و بخش پایینی آن را پیستونی متحرک مسدود می سازد.با تنظیم پیستون می توان بخار آب یا الکل موجود در اتاقک را اشباع کرد.نمونه پرتوزا درون اتاقک یا بیرون پنجره نازک شیشه ای قرار می گیرد.با عبور تابش از اتاقک، یون ها در مسیر آن تشکیل می شوند.سپس اگر با حرکت پیستون هوای اشباع درون اتاقک ناگهان خنک شود،ریز قطره های رطوبت در اطراف یون ها چگالیده می شوندو رد هایی از بخار به وجود می آورند که نشان دهنده مسیر های تابش اند.این رد ها نسخه های اتمی رد های بلور یخی هستند که هواپیماهای جت در آسمان به جا می گذارند. اتاقک ابری پیوسته از این هم ساده تر است.این اتاقک به علت قرار گرفتن روی تیغه ای از یخ خشک که گرادیان دمای نزدیک به دمای اتاق را در بالا تا دمای بسیار کم در پایین به وجود می آورد، دارای بخار فوق اشباع دائمی است.در تمام انواع این اتاقک ها، لامپی رد های مه تشکیل شده را روشن می سازد و می توان آنها را از پنجره بالایی مشاهده کرد یا از آنها عکس گرفت.این اتاقک را می توان در میدان الکتریکی یا مغناطیسی قوی قرار داد تا مسیر رد ها را طوری خم کند که بتوان اطلاعاتی درباره بار،جرم و تکانه ذرات تابش به دست آورد.ذرات دارای بار مثبت و منفی در جهت های مخالف خم می شوند. اتاقک های ابری را که وسیله بسیار مهمی در پژوهش های کیهانی اولیه بودند اکنون بیشتر برای نمایش به کار می برند. اتاقک حباب

ردهای ذره که در اتاقک حباب مشاهده می شوند حباب های ریز گاز در هیدروژن مایع اند.هیدروژن مایع تحت فشار در اتاقکی متشکل از شیشه و فولاد ضد زنگ تا نقطه شروع به جوشیدن گرم می شود.اگر در لحظه ورود ذره یوننده فشار اتاقک را ناگهان کم کنند، رد باریکی از حباب ها در مسیر ذره بوجود می آید.تمام مایع ناگهان شروع به جوشیدن می کند، اما چند هزارم ثانیه پیش از این واقعه، عکس هایی از رد کوتاه عمر ذره گرفته می شود.مانند اتاقک ابری، میدان مغناطیسی موجود در اتاقک حباب نسبت بار به جرم ذره مورد نظر را مشخص می سازد. پژوهشگران دهه های قبل از اتاقک های حباب استفاده فراوانی می کردند،اما اکنون اتاقک جرقه بیشتر مورد توجه قرار گرفته است.

اتاقک جرقه

اتاقک جرقه ابزار شمارش متشکل از آرایه صفحات موازی نزدیک به هم است ؛صفحات یک در میان به زمین متصل شده اندو صفحات بین آنها به ولتاژ زیاد (حدود 10KV)متصل شده اند.یون ها با عبور ذرات باردار از اتاقک در گاز بین صفحات تشکیل می شوند.تخلیه الکتریکی در مسیر یون هاجرقه ای مرئی بین صفحات بوجود می آورد ردی متشکل از جرقه های زیاد مسیر ذره را نمایان می سازد.طرح متفاوت موسوم به اتاقک جویبار فقط از دو صفحه به فاصله زیاد از هم تشکیل شده است که بین آنها یک تخلیه الکتریکی، یا جویباری مسیر ذره باردار فرودی را دنبال می کند.امتیاز مهم اتاقک های جرقه یا جویبار نسبت به اتاقک حباب، ثبت رویداد های بیشتر در زمان معین است.

/ 0 نظر / 130 بازدید