قياس الإشعاع
قياس
نسبة الإشعاع
هي تقنية للكشف عن شدة وخصائص الإشعاع المؤين ، مثل
أشعة ألفا
، وبيتا ، وأشعة غاما أو النيوترونات ، لغرض القياس.
ويشير مصطلح الإشعاع المؤين إلى تلك الجسيمات ، والفوتونات دون الذرية ، التي تكفي طاقتها للتسبب في التأين في المادة التي تتفاعل معها ، وتتكون عملية التأين من إزالة إلكترون من ذرة أو جزيء محايد مبدئيًا ، وبالنسبة للعديد من المواد ، فإن الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لهذه العملية ، هو حوالي 10 فولت إلكترون (eV) ، ويمكن اعتبار ذلك كحد أدنى لنطاق طاقات الإشعاع المؤين.
وتتميز الأنواع الأكثر شيوعًا من الإشعاعات المؤينة بطاقم جزيئية أو كمية تقاس بآلاف أو ملايين فولت الإلكترون (keV أو MeV ، على التوالي) ، وفي الطرف العلوي من مقياس الطاقة ، ستقتصر المناقشة الحالية على تلك الإشعاعات ذات الطاقات الكمية أقل من حوالي 20 MeV.
ويغطي نطاق الطاقة هذا الأنواع الشائعة من الإشعاعات المؤينة التي تصادف في الانحلال الإشعاعي ، وأنظمة الانشطار والاندماج والتطبيقات الطبية والصناعية للنظائر المشعة ، ويستثني نظام فيزياء الجسيمات عالية الطاقة ، التي يمكن أن تصل فيها الطاقات الكمومية إلى مليارات أو تريليونات فولت الإلكترون ، وفي هذا المجال من البحث ، تميل القياسات إلى استخدام مكشافات أكبر ، وأكثر تخصصًا من تلك المستخدمة بشكل شائع للإشعاعات ذات الطاقة المنخفضة.
تفاعلات الإشعاع في المادة
تقسم الأنواع المختلفة من الإشعاع المؤين إلى فئتين رئيسيتين : تلك التي تحمل شحنة كهربائية ، والأخرى لا ، ففي المجموعة الأولى هي الإشعاعات التي عادة ما ينظر إليها على أنها جسيمات فردية مشحونة تحت الذرية ، ويظهر مثل هذا الإشعاع ، على سبيل المثال ، على شكل جسيمات ألفا المنبعثة تلقائيًا في اضمحلال نوى ثقيلة معينة غير مستقرة.
وتتكون جسيمات ألفا هذه من بروتونين ، ونيوترونين وتحمل شحنة كهربائية موجبة من وحدتين ، مثال آخر هو إشعاع بيتا ناقص أيضًا المنبعث في تحلل بعض النوى المشعة ، وفي هذه الحالة ، ينتج عن كل اضمحلال نووي إلكترون سريع يحمل شحنة سالبة من وحدة واحدة. [1]
وفي المقابل هناك أنواع أخرى من الإشعاع المؤين ، التي لا تحمل شحنة كهربائية ، والأمثلة الشائعة هي
أشعة جاما
، والتي يمكن تمثيلها على أنها فوتونات كهرومغناطيسية عالية التردد ، ونيوترونات ، والتي يتم تصويرها بشكل كلاسيكي على أنها جسيمات دون ذرية لا تحمل شحنة كهربائية ، وفي المناقشات أدناه ، سيتم استخدام مصطلح الكم عمومًا لتمثيل جسيم واحد أو فوتون ، بغض النظر عن نوعه.
فقط الإشعاعات المشحونة تتفاعل باستمرار مع المادة ، وبالتالي فهي الأنواع الوحيدة من الإشعاع التي يمكن اكتشافها مباشرة في الأجهزة الموضحة هنا ، وفي المقابل ، يجب أن تخضع الكميات غير المشحونة أولًا لتفاعل كبير يحول طاقتها بالكامل أو جزء منها إلى إشعاعات ثانوية مشحونة.
ويمكن بعد ذلك استنتاج خصائص الإشعاع الأصلي غير المشحون ، من خلال دراسة الجسيمات المشحونة التي يتم إنتاجها ، ونادرًا ما تحدث هذه التفاعلات الرئيسية ، لذلك ليس من غير المألوف أن ينتقل إشعاع غير مشحون إلى مسافات عدة سنتيمترات ، عبر مواد صلبة قبل حدوث مثل هذا التفاعل.
وتميل الأدوات المصممة للكشف الفعال عن هذه الكميات غير المشحونة ، إلى سمك كبير نسبيًا لزيادة احتمالية مراقبة نتائج مثل هذا التفاعل داخل حجم الكاشف.
تفاعلات الجسيمات الثقيلة المشحونة
ويشير مصطلح الجسيمات المشحونة الثقيلة إلى تلك الجسيمات النشطة ، والتي تكون كتلتها وحدة كتلة ذرية واحدة أو أكثر ، وتشمل هذه الفئة جسيمات ألفا ، إلى جانب
البروتونات
، والديوترونات ، وشظايا الانشطار ، والجسيمات الثقيلة النشطة الأخرى التي تنتج غالبًا في المسرعات.
وتحمل هذه الجسيمات شحنة إلكترونية واحدة على الأقل ، وتتفاعل مع المادة في المقام الأول من خلال قوة كولوم الموجودة بين الشحنة الموجبة على الجسيم ، والشحنة السالبة على الإلكترونات التي تشكل جزءًا من مادة الامتصاص.
وفي هذه الحالة ، تكون القوة جذابة بين الاتهامين المعاكسين ، عندما يمر جسيم مشحون بالقرب من إلكترون في جهاز الامتصاص ، فإنه ينقل جزءًا صغيرًا من زخمه إلى الإلكترون ، ونتيجة لذلك ، يتباطأ الجسيم المشحون قليلاً ، ويلتقط الإلكترون الذي كان في الأصل في حالة استراحة تقريبًا ، وبعضًا من طاقته الحركية في أي وقت ، ويتفاعل الجسيم المشحون في وقت واحد مع العديد من الإلكترونات في مادة الامتصاص ، والنتيجة الصافية لجميع قوى كولوم ، تعمل مثل السحب اللزج على الجسيم.
ومن اللحظة التي يدخل فيها جهاز الامتصاص ، يتباطأ الجسيم باستمرار حتى يتم إيقافه ، ونظرًا لأن الجسيم المشحون أكبر بآلاف المرات من الإلكترونات التي يتفاعل معها ، فإنه ينحرف قليلاً نسبيًا عن مسار الخط
المستقيم
، عندما يتعلق الأمر بالراحة.
والوقت الذي ينقضي قبل توقف الجسيم يتراوح من بضع بيكو ثانية (1 × 10−12 ثانية) ، في المواد الصلبة أو السائلة إلى بضعة نانو ثانية (1 × 10−9 ثانية) في الغازات ، وهذه الأوقات قصيرة بما فيه الكفاية ، بحيث يمكن اعتبار وقت التوقف فوريًا للعديد من الأغراض ، ويتم افتراض هذا التقريب في الأقسام التالية التي تصف استجابة أجهزة الكشف عن الإشعاع.
إن العديد من خصائص عملية تباطؤ الجسيمات مهمة في فهم سلوك كاشفات الإشعاع ، أولًا متوسط المسافة التي يقطعها الجسيم قبل أن يتوقف يسمى متوسط المدى ، وبالنسبة لمادة معينة ، يزيد متوسط المدى مع زيادة الطاقة الحركية الأولية للجسيم المشحون.
والقيم النموذجية للجسيمات المشحونة ذات الطاقات الأولية لعدد قليل من MeV هي عشرات أو مئات الميكرومتر في المواد الصلبة ، أو السائلة وبضعة سنتيمترات في الغازات ، عند درجة حرارة وضغط عاديين ، والخاصية الثانية هي فقدان الطاقة المحدد عند نقطة معينة على طول مسار الجسيمات (المسار).
وتقيس هذه الكمية الطاقة التفاضلية المودعة لكل وحدة طول مسار (dE / dx) في المادة ، كما أنها دالة لطاقة الجسيمات ، بشكل عام عندما يتباطأ الجسيم ويفقد الطاقة ، تميل قيمة dE / dx إلى الزيادة ، وبالتالي تميل الكثافة التي يتم بها ترسيب الطاقة في الامتصاص ، على طول مسار الجسيم إلى التزايد كلما تباطأت.[2]
ومتوسط قيمة dE / dx للجسيمات المشحونة كبير نسبيًا ، بسبب مدى قصير ، وغالبًا ما يشار إليها بإشعاعات dE / dx عالية.
تفاعلات الإلكترونات السريعة
تتفاعل
الإلكترونات
النشطة مثل جسيمات بيتا ناقص ، نظرًا لأنها تحمل شحنة كهربائية ، مع الإلكترونات في مادة الامتصاص من خلال قوة كولوم ، وفي هذه الحالة ، تكون القوة مثيرة للاشمئزاز وليست جذابة ، لكن النتائج الصافية مشابهة لتلك التي لوحظت للجسيمات الثقيلة المشحونة.
ويعاني الإلكترون السريع من التأثير التراكمي للعديد من قوى كولوم المتزامنة ، ويخضع لتباطؤ مستمر حتى يتم إيقافه ، وبالمقارنة مع الجسيمات الثقيلة المشحونة ، فإن المسافة التي يقطعها الإلكترون السريع تكون أكبر عدة مرات للحصول على طاقة أولية مكافئة.
على سبيل المثال ، يسير جسيم بيتا بطاقة مبدئية 1 MeV مسافًا أو مليمترين في المواد الصلبة النموذجية ، وعدة أمتار في الغازات في الظروف القياسية. أيضًا ، نظرًا لأن
الإلكترون
السريع لديه كتلة أصغر بكثير من الجسيمات الثقيلة المشحونة ، فإنه ينحرف بسهولة أكبر على طول مساره.
كما ينحرف مسار الإلكترون السريع النموذجي بشكل كبير عن الخط المستقيم ، والانحرافات عبر الزوايا الكبيرة ليست غير شائعة ، نظرًا لأن الإلكترون السريع سيسافر ربما 100 مرة في مادة معينة ، مثل الجسيمات الثقيلة المشحونة بنفس الطاقة الأولية ، فإن طاقته تكون أقل كثافة في الترسيب على طول مسارها ، لهذا السبب غالبًا ما يشار إلى الإلكترونات السريعة على أنها إشعاعات منخفضة dE / dx.
وهناك اختلاف واحد مهم آخر في فقدان الطاقة للإلكترونات السريعة مقارنةً بالجسيمات الثقيلة المشحونة ، أثناء الخضوع لانحرافات كبيرة الزاوية ، يمكن للإلكترونات السريعة أن تشع جزءًا من طاقتها في شكل إشعاع كهرومغناطيسي ، يعرف باسم إشعاع الكبح ، يقع هذا الشكل من الإشعاع عادة ضمن منطقة الأشعة السينية من الطيف.[3]
كما إن جزء طاقة الإلكترون السريع المفقود في شكل bremsstrahlung أقل من 1 في المائة للإلكترونات منخفضة الطاقة في المواد الخفيفة ، ولكنه يصبح جزءًا أكبر بكثير للإلكترونات عالية الطاقة في المواد ذات
الأرقام
الذرية العالية.
تفاعلات أشعة جاما والأشعة السينية
يمكن أن يأخذ الإشعاع المؤين أيضًا شكل أشعة كهرومغناطيسية ، عندما تنبعث من الذرات المستثارة ، يتم إعطاؤها اسم أشعة X ولديها طاقات كمومية يتم قياسها عادةً من 1 إلى 100 كيلوفولت ، وعندما تنبعث من نوى متحمسة ، يطلق عليها أشعة جاما ، ويمكن أن تكون الطاقات المميزة عالية مثل العديد من MeV.
وفي كلتا الحالتين ، يأخذ الإشعاع شكل فوتونات الطاقة الكهرومغناطيسية ، وبما أن الفوتون غير مشحون ، فإنه لا يتفاعل من خلال قوة كولوم ، وبالتالي يمكن أن يمر عبر مسافات كبيرة في المادة دون تفاعل كبير ، ويطلق على متوسط المسافة المقطوعة بين التفاعلات متوسط المسار الحر ، وتتراوح المواد الصلبة بين بضعة مليمترات للأشعة السينية منخفضة الطاقة عبر عشرات السنتيمترات لأشعة جاما عالية الطاقة.
عندما يحدث تفاعل ، ومع ذلك يكون كارثيًا بمعنى أن تفاعلًا واحدًا يمكن أن يؤثر بعمق على طاقة ، واتجاه الفوتون أو يمكن أن يجعله يختفي تمامًا ، في مثل هذا التفاعل ، يتم نقل كل أو جزء من طاقة الفوتون إلى إلكترون واحد أو أكثر في مادة الامتصاص.
ونظرًا لأن الإلكترونات الثانوية التي يتم إنتاجها على هذا النحو نشطة ومشحونة ، فإنها تتفاعل بنفس الطريقة التي تم وصفها سابقًا للإلكترونات السريعة الأولية ، ويشار إلى وجود الأشعة السينية الأصلية ، أو أشعة جاما من خلال ظهور الإلكترونات الثانوية ، ويمكن استنتاج المعلومات حول الطاقة التي تحملها
الفوتونات
الواردة عن طريق قياس طاقة هذه الإلكترونات ، ويتم مناقشة الأنواع الرئيسية الثلاثة من هذه التفاعلات أدناه.
امتصاص كهروضوئي
في هذه العملية ، يتفاعل فوتون الأشعة السينية ، أو فوتون أشعة غاما مع ذرة المادة الماصة ، ويختفي الفوتون تمامًا ، ويتم نقل طاقته إلى أحد الإلكترونات المدارية للذرة ، لأن هذه الطاقة بشكل عام تتجاوز بكثير طاقة الربط للإلكترون في ذرة المضيف ، يتم طرد الإلكترون بسرعة عالية.
والطاقة الحركية لهذا الإلكترون الثانوي تساوي الطاقة الواردة ، للفوتون ناقصًا طاقة ربط الإلكترون في الغلاف الذري الأصلي ، كما تترك العملية ذرة شاغرة في إحدى قذائف الإلكترون الممتلئة عادة ، ثم يعاد ملؤها بعد فترة زمنية قصيرة بواسطة إلكترون حر قريب.
وتحرر عملية الملء هذه مرة أخرى طاقة الربط في شكل فوتون الأشعة السينية المميز ، والذي يتفاعل بعد ذلك عادةً مع الإلكترونات من قذائف أقل إحكامًا في الذرات القريبة ، مما ينتج إلكترونات سريعة إضافية ، وبالتالي فإن التأثير الكلي هو التحويل الكامل لطاقة الفوتون إلى الطاقة التي تحملها الإلكترونات السريعة.
بما أن الإلكترونات السريعة يمكن اكتشافها الآن من خلال تفاعلات كولوم ، يمكن أن تكون بمثابة أساس للإشارة إلى وجود أشعة غاما الأصلية ، أو فوتون
الأشعة السينية
، وقياس طاقتها يساوي قياس طاقة الفوتون الوارد .
ونظرًا لأن العملية الكهروضوئية تؤدي إلى تحويل كامل لطاقة الفوتون إلى طاقة الإلكترون ، فإنها تعتبر إلى حد ما خطوة تحويل مثالية ، ويتم بعد ذلك اختزال مهمة قياس طاقة أشعة جاما ، لقياس ببساطة الطاقة المكافئة التي ترسبها الإلكترونات السريعة ، ولسوء الحظ ، يحدث أيضًا نوعان آخران من تفاعلات أشعة غاما مما يعقد خطوة التفسير هذه.[4]
تناثر كومبتون
يمكن لفوتون أشعة غاما الواردة أن يتفاعل مع إلكترون حر واحد ، في جهاز الامتصاص من خلال عملية انتثار كومبتون ، في هذه العملية يغير الفوتون اتجاهه فجأة ، وينقل جزءًا من طاقته الأصلية إلى الإلكترون الذي يتشتت منه ، مما ينتج إلكترونًا مرتدًا نشطًا.
ويعتمد جزء طاقة الفوتون المنقول على زاوية الانتثار ، عندما ينحرف الفوتون الوارد قليلاً فقط ، يتم نقل القليل من الطاقة إلى الإلكترون ، ويحدث أقصى نقل للطاقة عندما يتشتت الفوتون الوارد من الإلكترون ، ويتم عكس اتجاهه الأصلي.
ونظرًا لأنه بشكل عام ستحدث جميع زوايا التشتت ، يتم إنتاج إلكترونات الارتداد مع سلسلة متصلة من الطاقات تتراوح من ما يقرب من الصفر إلى الحد الأقصى ، والذي يمثله أقصى التشتت الخلفي ، ويمكن توقع الحد الأقصى من الطاقة من خلال الحفاظ على الزخم والطاقة في تفاعل الفوتون والإلكترون ، وهو على وشك 0.25 MeV تحت طاقة الفوتون الواردة لأشعة جاما عالية الطاقة ، وبعد التفاعل ، يكون للفوتون المتناثر طاقة تقل بمقدار يساوي الطاقة المنقولة إلى إلكترون الارتداد ، وقد يتفاعل لاحقًا مرة أخرى في مكان آخر أو ببساطة يهرب من الكاشف.
إنتاج زوجي
تكون عملية تفاعل أشعة غاما الثالثة ممكنة عندما تكون طاقة الفوتون الواردة أعلى من 1.02 MeV ، في مجال نواة مادة الامتصاص ، قد يختفي الفوتون ويحل محله تشكيل زوج إلكترون بوزيترون ، الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإنشاء هذا الزوج من الجسيمات هو الطاقة المجمعة المتبقية من 1.02 MeV.
لذلك ، لا يمكن أن يحدث إنتاج الزوج لطاقات الفوتون الواردة تحت هذه العتبة ، عندما تتجاوز طاقة الفوتون هذه القيمة ، تظهر الطاقة الزائدة كطاقة حركية أولية مشتركة بين البوزيترون والإلكترون المتكون ،البوزيترون عبارة عن جسيم مشحون بإيجابية مع كتلة إلكترون سالب عادي.
إنها تبطئ وتترسب طاقتها على مسافة متوسطة تقريبًا مثل تلك الخاصة بإلكترون سالب من الطاقة المكافئة ، لذلك ينقل كلا الجسيمات طاقتهما الحركية على مسافة لا تزيد عن بضعة مليمترات في المواد الصلبة النموذجية.
ويتم إعطاء حجم الطاقة المودعة بواسطة طاقة الفوتون الأصلية ناقص 1.02 MeV ، عندما يصل عضو البوزيترون في الزوج إلى نهاية مساره ، فإنه يتحد مع إلكترون سالب عادي من جهاز الامتصاص في عملية تعرف باسم الإبادة.
وفي هذه الخطوة يختفي كلا الجسيمين ويتم استبدالهما بفوتوني إبادة ، كل منهما بطاقة 0.511 MeV ، وتشبه فوتونات الإبادة أشعة جاما في قدرتها على اختراق مسافات كبيرة من المادة دون التفاعل ، وقد تخضع لتفاعلات كومبتون ، أو الكهروضوئية في مكان آخر أو قد تهرب من
أجهزة الكشف
ذات الحجم الصغير.
دور الطاقة والعدد الذري
يختلف احتمال حدوث كل من آليات التفاعل الثلاث هذه مع طاقة أشعة جاما والعدد الذري لجهاز الامتصاص ، ويسود الامتصاص الكهروضوئي في الطاقات المنخفضة ويتم تحسينه بشكل كبير في المواد ذات العدد الذري العالي.
ولهذا السبب ، يتم اختيار عناصر العدد الذري العالي في الغالب للكاشفات المستخدمة في قياسات طاقة أشعة جاما ، وتشتت كومبتون هو التفاعل الأكثر شيوعًا للطاقات المعتدلة (من بضع مئات كيلوفولت إلى عدة MeV).
كما يسود إنتاج الزوج لطاقات أعلى ويتم تحسينه أيضًا في المواد ذات العدد الذري العالي ، وفي الكواشف الأكبر ، هناك ميل للفوتون الساقط لإحداث تفاعلات متعددة ، على سبيل المثال ، العديد من تشتت كومبتون المتسلسل أو إنتاج الزوج يليه تفاعل الفوتون ، ونظرًا لأن الوقت القليل يفصل هذه الأحداث ، فإن الطاقات المودعة تضاف معًا لتحديد الحجم الكلي لنبض الإخراج.