4-1مقدمه51
4-2اندازه‏گيري طيف چشمه‏هاي تک انرژي گاما51
4-2-1تعيين رابطه‏ي بين شماره‏ي کانال-انرژي52
4-2-2طيف‏هاي آزمايشگاهي54
4-2-3محاسبه‏ي پهنا در نيم بيشينه (FWHM)57
4-2-4محاسبه‏ي ضرايب GEB59
4-3شبيه سازي با کدmcnpx61
4-3-1ساختار فايل ورودي62
4-3-2اجراي برنامه63
4-3-3خروجي برنامه64
4-3-4مقايسه‏ي طيف‏هاي شبيه سازي شده با طيف‏هاي تجربي64
4-3-4-1مقايسه‏ي طيف‏هاي شبيه سازي شده با طيف‏هاي تجربي در آشکارساز2 اينچي………….64
4-3-4-2مقايسه‏ي طيف‏هاي شبيه سازي شده با طيف‏هاي تجربي در آشکارساز 3 اينچي67
4-4محاسبه‏ي تابع پاسخ آشکارساز2 اينچي يدور سزيم69
4-4-1محاسبه‏ي ماتريس پاسخ و ماتريس معکوس73
4-4-2واپيچش طيف‏هاي آزمايشگاهي76
4-4-2-1واپيچش طيف‏هاي آزمايشگاهي در آشکارساز 2 اينچي يدور سزيم76
4-4-2-2واپيچش طيف‏هاي آزمايشگاهي در آشکارساز 3 اينچي يدور سزيم81
4-4-3واپيچش طيف زمينه91
4-5جمع بندي مطالب و نتيجه‏گيري87
منابع وماخذ………………………………………………………………………………..89
فهرست شکل‏ها
شکل ‏2-1: فرآيندهاي اساسي در يک آشکارسازي سوسوزن10
شکل ‏2-2: طيف‏هاي گسيلي از CsI(Na)، CsI(Tl)، NaI(Tl) وآنتراسين.15
شکل ‏2-3 :نوارهاي مجاز و ممنوع انرژي يک بلور.16
شکل‏2-4: وابستگي نور خروجي NaI(Tl)، CsI(Tl) و CsI(Na) به دما .18
شکل ‏2-5: (الف)تپ ولتاژ از جريان نمايي به دست مي‏آيد.(ب) شکل تپ براي RC>>T 20
شکل ‏2-6: سيستم آشکارساز سوسوزن و الکترونيک به کار رفته در آن.21
شکل ‏2-7 : نمودار طرز کار تکثير کننده‏ي فوتوني. .22
شکل ‏2-8: آشکارساز 2 اينچي……………………………………………………………..28
شکل ‏2-9: سيستم آشکارسازي استفاده شده در آزمايشگاه29
شکل ‏3-1: وابستگي سطح مقطع فوتوالکتريک به (الف) انرژي فوتون و (ب) عدد اتمي ماده .32
شکل ‏3-2: اثر کامپتون33
شکل ‏3-3: وابستگي سطح مقطع کامپتون به (الف) انرژي فوتون و (ب) عدد اتمي ماده.34

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

شکل ‏3-4 : توليد زوج36
شکل ‏3-5: وابستگي سطح مقطع توليد زوج به (الف) انرژي فوتون و (ب) عدد اتمي ماده 37
شکل ‏3-6 اهميت نسبي سه برهم‏کنش عمده‏ي گاما37
شکل‏3-7: طيف انرژي يک چشمه‏ي تک انرژي گاما 39
شکل‏3-8 : قدرت تفکيک انرژي آشکارساز با ? بيان مي‏شود.41
شکل ‏3-9: فرايندهايي که در آشکاسازي پرتو گاما رخ مي‏دهند.45
شکل‏3-10: نمونه پاسخ يک آشکارساز به پرتوهاي گاماي تک انرژي46
شکل‏3-11: طيف ارتفاع تپ اندازه گرفته شده‏ي حاصل از طيف چشمه‏ي تک انرژي 46
شکل‏4-1: نمودار انرژي برحسب کانال اشکار سازin 2× in 2 يدور سزيم54
شکل ‏4-2: طيف ازمايشگاهي Cs13755
شکل‏4-3: طيف آزمايشگاهي Co6055
شکل‏4-4: طيف آزمايشگاهي Na2256
شکل‏4-5: طيف آزمايشگاهي Zn6556
شکل ‏4-6: طيف آزمايشگاهي زمينه57
شکل ‏4-7: فوتوپيک شامل تابع گوسي و پس زمينه58
شکل ‏4-8: فوتوپيک گوسي شکل.58
شکل ‏4-9: نمودار برازش داده‏هاي تجربيFWHM با رابطه (3-18) در آشکارساز 2 اينچي60
شکل ‏4-10: نمودار برازش داده‏هاي تجربي FWHM با رابطه (3-18) در آشکارساز 3 اينچي61
شکل‏4-11: مقايسه‏ي طيف شبيه سازي شده CS137 و طيف تجربي65
شکل‏4-12: مقايسه‏ي طيف شبيه سازي شدهNa22با طيف تجربي65
شکل ‏4-13: مقايسه‏ي طيف شبيه سازي شده Co60 با طيف تجربي……………………………..66 شکل ‏4-14: مقايسه‏ي طيف شبيه سازي شده Zn65با طيف تجربي66
شکل ‏4-15:مقايسه‏ي طيف شبيه سازي شده Co60 با طيف تجربي67
شکل ‏4-16: مقايسه‏ي طيف شبيه سازي CS137 با طيف تجربي67
شکل ‏4-17: مقايسه‏ي طيف شبيه سازي شده Na22 با طيف تجربي68
شکل ‏4-18: مقايسه‏ي طيف شبيه سازي شده Zn65 با طيف تجربي68
شکل ‏4-19: مقايسه‏ي تابع پاسخ تجربي و محاسباتي آشکارساز 2اينچي براي انرژي keV51170
شکل ‏4-20: مقايسه‏ي تابع پاسخ تجربي و محاسباتي آشکارساز2 اينچي براي انرژيkeV111570
شکل ‏4-21: مقايسه‏ي تابع پاسخ تجربي و محاسباتي آشکارساز 2اينچي براي انرژيkeV 117371
شکل ‏4-22: مقايسه‏ي تابع پاسخ تجربي و محاسباتي آشکارساز2اينچي براي انرژي keV 127571
شکل‏4-23: مقايسه‏ي تابع پاسخ تجربي و محاسباتي آشکارساز2اينچي براي انرژي keV 133272
شکل ‏4-24: مقايسه‏ي تابع پاسخ تجربي و محاسباتي آشکارساز2 اينچي براي انرژي keV 66272
شکل ‏4-25: طيف حاصل از ضرب ماتريس پاسخ در ماتريس چشمه تک انرژي سزيم74
شکل ‏4-26: طيف حاصل از ضرب ماتريس پاسخ در ماتريس چشمه دو انرژي سديم75
شکل ‏4-27: واپيچش طيف حاصل از ضرب ماتريس پاسخ در ماتريس چشمه تک انرژي سزيم75
شکل ‏4-28: واپيچش طيف حاصل از ضرب ماتريس پاسخ در ماتريس چشمه دوانرژي سديم76
شکل ‏4-29 الف:طيف آزمايشگاهيCs137 با انتخاب انرژي‏هاي موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 2 اينچي ب: واپيچش طيف Cs13777
شکل ‏4-30 الف: طيف آزمايشگاهيCo60 با انتخاب انرژي‏هاي موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 2 اينچي ب: واپيچش طيفCo6078
شکل ‏4-31 الف: طيف آزمايشگاهيNa22 با انتخاب انرژي‏هاي موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 2 اينچي ب: واپيچش طيفNa2279
شکل ‏4-32 الف: طيف آزمايشگاهي Zn65با انتخاب انرژي‏هاي موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 2 اينچي ب: واپيچش طيفZn6580
شکل ‏4-33 الف: طيف آزمايشگاهيCo60 با انتخاب انرژي‏هاي موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 3 اينچي ب: واپيچش طيفCo6081
شکل ‏4-34 الف:طيف آزمايشگاهيCs137 با انتخاب انرژي‏هاي موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 3 اينچي ب: واپيچش طيف Cs13782
شکل ‏4-35 الف: طيف آزمايشگاهيNa22 با انتخاب انرژي‏هاي موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 3 اينچي ب: واپيچش طيفNa2283
شکل ‏4-36 الف: طيف آزمايشگاهي Zn65با انتخاب انرژي‏هاي موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 3 اينچي ب: واپيچش طيفZn6584
شکل ‏4-37 الف: طيف آزمايشگاهي زمينه با انتخاب انرژي‏هاي موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 2 اينچي ب: واپيچش طيف زمينه85
شکل ‏4-38 الف: طيف آزمايشگاهي زمينه با انتخاب انرژي‏هاي موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 3 اينچي ب: واپيچش طيف زمينه86

فهرست جدول‏ها
جدول2-1:ويژگي هاي بعضي از سوسوزن هاي غيرآلي………………………………………..19
جدول ‏4-1:چشمه‏هاي طيف‏گيري شده با آشکاساز 2 اينچي در آزمايشگاه52
جدول ‏4-2: کاليبراسيون چند گانه53
جدول ‏4-3: FWHM براي چشمه‏هاي تک انرژي59
فصل اول
مقدمه
تاريخچه آشکارسازهاي سوسوزن
در يک بلور جسم جامد، برهم‏کنش ميان ذره باردار حامل انرژي و الکترون‏ها باعث کنده شدن الکترون از محل خود در شبکه بلور مي‏شود. الکترون جابجا شده از خود حفره‏اي باقي مي‏گذارد. هنگامي که الکتروني در اين حفره مي‏افتد نور گسيل مي‏شود. بعضي از بلورها نسبت به اين نور شفاف هستند. بنابراين عبور ذره باردار حامل انرژي در بلور با سنتيلاسيون يا سوسوزني نور گسيل شده از بلور علامت داده مي‏شود. اين نور در يک آشکارساز سوسوزن به يک تپ الکتريکي تبديل مي‏شود. نخستين جامدي که با استفاده از اين روش به عنوان يک آشکارساز ذره به کار رفت سوسوزني بود که رادرفورد در سال 1910 ميلادي، در آزمايش‏هاي خود در زمينه‏ي پراکندگي ذرات آلفا مورد استفاده قرار داد. در وسيله مورد استفاده او، ذرات آلفا به يک صفحه‏ي سولفور روي برخورد کرده و توليد نور مي‏کردند، و به کمک يک ميکروسکوپ شمرده مي‏شدند. اين روش فوق العاده ناکارا، بي دقت و وقت‏گير بود و حدود 30 سال کنار گذاشته شد و روش استفاده از شمارنده‏هاي گازي که در آن شمارش به طور الکترونيکي انجام مي‏شد، جانشين آن گرديد. عيب شمارنده‏هاي گازي بازده کم آنها براي بسياري از تابش‏هاي مورد نظر در فيزيک هسته‏اي است. دليل اصلي آن هم اين است که برد يک فوتون گامايMeV1 در هوا حدودm100 مي‏شود. در آشکارسازهاي حالت جامد به دليل چگالي‏هاي بيشتر نسبت به آشکارسازهاي گازي، احتمال جذب در آشکارسازي با اندازه معقول افزايش مي‏يابد. لذا با پيشرفت الکترونيک و دستگاه‏هاي تقويت نور، استفاده از سوسوزن‏هاي جامد رونق يافت [1]. در سال 1944 ميلادي لوکان و بيکر فتومولتي‏پلاير را جانشين روش استفاده از چشم غير مسلح نمودند و کمي بعد کالمن نفتالين را جانشين کريستال کوچک و نازک zns نمود. اين دو تغيير انقلابي را در آشکارسازي با استفاده از سوسوزن‏ها، ثبت و تجزيه و تحليل پالس‏هايي که توسط هر يک از ذرات تابش به وجود مي‏آيند، امکان پذير ساخت[2]. در سال 1948 رابرت هافستادر1 براي اولين بار ثابت کرد کريستال يدور سديم، که مقدار ناچيزي تاليم به عنوان ناخالصي به آن اضافه شده است، در مقايسه با مواد آلي که ابتدا مورد توجه بودند، نور بيشتري توليد مي‏کند[3]. به دنبال اين کشف آشکارسازهاي سوسوزن در دهه 1950 ساخته شدند و مورد استفاده قرار گرفتند. از زمان کشف رابرت هافستادر تاکنون ترکيبات سوسوزني مختلفي اعم از سوسوزن‏هاي آلي وغير آلي که داراي بهره‏ نوري و زمان واپاشي سريع هستند، در آزمايشگاه‏هاي مختلف مورد مطالعه قرار گرفتند2. به دليل اهميت کاربرد سوسوزن‏ها در صنعت و پزشکي دامنه تحقيق در زمينه کشف ترکيبات سوسوزني جديد گسترده است. امروزه طيف سنجي پرتوهاي گاما با استفاده از سوسوزن‏ها به يک علم جامع و پرکاربرد در بسياري از حوزه‏هاي تکنيکي تبديل شده است. NaI(Tl) تقريباً اولين محيط آشکارسازي جامدي بود که براي طيف سنجي پرتوهاي گاما مورد استفاده قرار گرفت، و همچنان رايج‏ترين ماده سوسوزني براي طيف سنجي پرتوهاي گاماست. يدور سزيم نيز هاليد قليايي ديگري است که شهرت زيادي به عنوان يک ماده سوسوزن دارد. اين ماده به صورت تجاري هم با فعال ساز سديم و هم تاليم موجود است و ويژگي‏هاي سوسوزني حاصل از اين دو حالت با يکديگر متفاوت است. مزيت CsI(Tl) نسبت به NaI(Tl) اين است که حساسيت کمتري نسبت به رطوبت داشته و سخت‏تر است،و در نتيجه توان تحمل بيشتري در برابرقرارگيري در معرض شوک‏ها و ارتعاشات شديدتر را دارد[4]. از آنجا که آشکارسازهاي سوسوزن از جمله NaI(Tl) وCsI(Tl) نسبت به آشکارسازهاي حالت جامد مقاوم‏تر و ارزان‏تر بوده و براي پرتو گاما ي پر انرژي کارآمد هستند و همچنين مي‏توان آنها را بدون خنک سازي در دماي اتاق مورد استفاده قرار داد، بنابراين مي‏توانند در زمينه کاربردهاي مختلف تحت شرايط آب و هواي نامطلوب استفاده شوند[5]. لذا اين سوسوزن‏ها در بسياري از کاربردهايي که قدرت تفکيک انرژي و مشخصات زماني خوب مد نظر نيست، به وفور مورد استفاده قرار مي‏گيرند[6].
بيان مسأله
يکي ار کاربردهاي آشکارسازهاي سوسوزن به دست آوردن طيف گاماهاي حاصل از چشمه‏هاي مجهول، آناليز طيف حاصل از فعال سازي نوتروني و به دست آوردن طيف گاماهاي زمينه است. اين در حالي است که هر آشکارساز به ازاي هر چشمه تک انرژي گاما طيفي به دست مي‏دهد که متناظر با انرژي فرودي و تابع پاسخ آشکار ساز است. براي به دست آوردن طيف گاماهاي وارد شده به آشکارساز با استفاده از طيف حاصل از آشکارساز نياز به دانستن ماتريس پاسخ آشکارساز است. با توجه به اين که خصوصيات آشکارسازهاي سوسوزن مختلف با يکديگر متفاوت است و با توجه به تاثير ساختمان آشکارساز بر طيف، لازم است که براي هر آشکارساز، ماتريس پاسخ آن معين شود. براي تعيين ماتريس پاسخ آشکارساز با انجام آزمايش‏هاي طيف نگاري چشمه‏هاي استاندارد گاما، مي‏توان ضرايب گوسي شکل را به دست آورد. سپس با استفاده از اين ضرايب و اعمال آنها در شبيه سازي مونت کارلو براي طيف گسترده‏اي از انرژي‏ها عناصر ماتريس پاسخ آشکارساز به دست مي‏آيد. صحت نتايج حاصل شده را مي‏توان با بررسي نتيجه حاصل از واپيچش طيف انرژي به دست آمده از چشمه‏هاي استاندارد گاما با استفاده از معکوس ماتريس پاسخ ارزيابي کرد. پس از اطمينان از صحت نتايج، مي‏توان طيف گاماهاي زمينه را با استفاده از ماتريس پاسخ آشکارساز واپيچش نمود. هدف اين پژوهش تعيين ماتريس پاسخ آشکارسازهاي 2 اينچي و 3 اينچي يدور سزيم و واپيچش طيف گاماهاي استاندارد و گاماهاي زمينه با استفاده از معکوس ماتريس پاسخ‏هاي بدست آمده است. با توجه به اينکه براي تعيين ابعاد ماتريس پاسخ و ماتريس معکوس بايد محدوده‏ي انرژي چشمه هاي تک انرژي استفاده شده و بازه بندي انرژي در شبيه سازي مونت کارلو را در نظر گرفت در اين کار ابعاد 76×76 براي ماتريس پاسخ و ماتريس وارون در نظر گرفته شده است.
سازماندهي مطالب
در فصل اول تلاش شد که تاريخه مختصري در رابطه با ساخته شدن آشکارسازهاي سوسوزن ودلايل استفاده از اين آشکارسازها بيان شود. در ادامه لزوم محاسبه ماتريس پاسخ و ماتريس معکوس هر آشکارساز سوسوزن براي واپيچش طيف‏ها و هدف اين پايان نامه بيان شده است.
در فصل دوم اصول آشکارسازهاي سوسوزن و مکانيزم فرايند سوسوزني در آنها به اختصار توضيح داده مي‏شود. در فصل سوم نيز تلاش مي‏شود برهم‏کنش‏هاي اشعه گاما با ماده و همچنين طيف نگاري پرتوهاي X و گاما بررسي شود.
فصل چهارم به ذکر فعاليت‏هاي تجربي انجام شده در حيطه اين پايان نامه اختصاص دارد. اين فصل با ذکرآزمايش‏هاي انجام شده جهت گرفتن طيف حاصل از چشمه‏هاي استاندارد گاماي موجود در آزمايشگاه هسته‏اي دانشگاه با آشکارسازهاي 2 اينچي و 3 اينچي يدور سزيم شروع مي‏شود. در ادامه نحوه محاسبه پهناي قله در نيم بيشينه (FWHM3) وضرايب پهن شدگي گاوسي انرژي(GEB4) بيان مي‏شود. سپس با مقايسه طيف‏هاي حاصل از شبيه سازي با کدmcnpx وطيف‏هاي آزمايشگاهي چشمه‏ها از صحت ضرايب GEB اطمينان حاصل کرده وبا استفاده از FWHM هر چشمه، تابع پاسخ آشکارسازها به ازاي انرژي‏هاي مختلف تعيين شده است. نهايتاً ماتريس پاسخ آشکارسازها محاسبه و واپيچش طيف گاماهاي استاندارد و گاماهاي زمينه با استفاده از معکوس ماتريس پاسخ بدست آمده انجام شده است. براي جلوگيري از تکرار مطالب روند کار در رابطه با آشکارساز 2 اينچي به طور کامل شرح داده شده و فقط نتايج حاصل از آشکارساز 3 اينجي بيان شده است. درآخر اين فصل به جمع بندي مطالب و نتايج حاصله پرداخته مي‏شود.
فصل دوم
اصول آشکارسازهاي سوسوزن
مقدمه
آشکارسازي پرتوهاي يوننده توسط نور سوسوزني ايجاد شده در برخي از مواد، يکي از قديمي‏ترين روش‏هاي ثبت اين پرتوهاست. فرايند سوسوزني يکي از مفيدترين روش‏هاي موجود براي آشکارسازي و طيف نگاري طبقه وسيعي از پرتوها به شمار مي‏آيد. در اين فصل، انواع مختلف سوسوزن‏ها مورد بررسي قرار مي‏گيرند. همچنين توضيحاتي در باره لامپ‏هاي تکثيرکننده‏ي فوتون، فوتوديودها که براي تبديل نور مرئي به پالس الکتريکي مورد نياز هستند و تقويت کننده‏ها که در آشکارسازهاي سوسوزن مورد استفاده قرار مي‏گيرند ارائه مي‏شود.
يک سوسوزن ايده‏آل، بايد داراي ويژگي‏هاي زير باشد:
انرژي جنبشي ذرات باردار را با بازده سوسوزني بالايي به نور قابل آشکارسازي تبديل کند.
اين تبديل بايد خطي باشد (بهره نوري بايد تا حد امکان در يک باز? وسيع، متناسب با انرژي ذخيره شده باشد).
براي جمع‏آوري مناسب نور، محيط سوسوزني بايد نسبت به طول موج گسيلي خود شفاف باشد.
زمان واپاشي لياني القا شده بايد کوتاه باشد تا پالس‏هاي سريعي توليد شود.
ماده سوسوزني بايد کيفيت نوري خوبي داشته باشد و در ابعاد به اندازه کافي بزرگ ساخته شود تا به عنوان يک آشکارساز عملي مد نظر قرار گيرد.
ضريب شکست آن بايد نزديک به ضريب شکست شيشه باشد (حدود 5/1) تا نور سوسوزني به طور مؤثري با لامپ تکثيرکننده فوتون يا هر حسگر نوري ديگر جفت شود.
هيچ ماده‏اي همزمان داراي تمامي اين معيارها نيست و انتخاب يک سوسوزن خاص توافقي بين اين معيارها و عوامل ديگر است. گسترده‏ترين سوسوزن‏هاي مورد استفاده شامل کريستال‏هاي هاليد قليايي5 غيرآلي که در بين آنها يدور سديم و يدور سزيم بيشتر مورد نظر هستند، مايع‏ها و پلاستيک‏ها آلي مي‏باشند. مواد غير آلي از نظر نور خروجي و خطي بودن بهترين هستند، اما عموماً داراي زمان پاسخ نسبتاً کندي مي‏باشند. سوسوزن‏هاي آلي نسبتاً سريع‏تر هستند، اما داراي بهره نوري کمتري مي‏باشند. به طور کلي کاربرد مورد نظر نيز تاثير زيادي بر انتخاب سوسوزن مورد استفاده دارد[6].
کل فرآيندهاي اساسي در يک آشکارساز سوسوزن را مي‏توان با توجه به شکل (2-1) به طريق زير درک کرد:
تابش فرودي وارد آشکارساز مي‏شود وطي برهم‏کنش‏هاي بسيار متعدد سبب برانگيزش اتم‏ها به حالات بر انگيخته مي‏شود.
حالات برانگيخته به سرعت نور مرئي (يا نزديک به مرئي) گسيل مي‏کنند؛ چنين ماده‏اي را فلوئورسان مي‏نامند.
نور به سطحي که نسبت به فوتون‏ها حساسيت دارد مي‏تابد و حداکثر يک فوتوالکترون به ازاي هر فوتون توليد مي‏شود.
اين الکترون‏هاي ثانويه تکثير مي‏شوند، شتاب مي‏گيرند، ودر لوله تکثير کننده فوتوني (PMT6) به صورت تپ خروجي در مي‏آيند[1].
شکل ‏2-1: فرآيندهاي اساسي در يک آشکارسازي سوسوزن[1].
انواع سوسوزن‏ها
مواد سوسوزن از نظر فيزيکي به صورت جامدهاي بلوري، مايع و گاز وجود دارند که هر کدام ويژگي‏هاي مختص به خود را دارند؛ مثلاً بلورهاي سوسوزن از بازده آشکارسازي بالايي براي پرتوهاي گاما برخوردارند. در عوض سوسوزن‏هاي گازي، که مخلوط‏هايي از گازهاي بي اثر هستند، براي آشکارسازي ذرات باردار سنگين مانند ذرات آلفا و پاره‏هاي شکافت مفيد هستند. سوسوزن‏هاي مايع براي اندازه‏گيري‏هايي که در آنها به آشکارساز با حجم بالا براي افزايش بازده آشکارسازي مورد نياز است، مانند آشکارسازي پرتوهاي کيهاني واندازه‏گيري طيف انرژي نوترون‏هاي پرانرژي، بسيار مفيد هستند[7].
از نظر شيميايي سوسوزن‏ها به دو دسته سوسوزن‏هاي آلي و غيرآلي تقسيم مي‏شوند. با توجه به اينکه در اين پژوهش از سوسوزن غيرآلي استفاده شده است، لذا سوسوزن‏هاي آلي به طور مختصر توضيح داده شده و سعي مي‏شود مکانيزم فرايند سوسوزني در سوسورن‏هاي غيرآلي بطور کامل بيان شود.
سوسوزن‏هاي آلي
مواد سوسوزن آلي از ترکيبات هيدروکربني، که غالباً شامل حلقه‏هاي بنزني هستند، تشکيل شده اند. از نظر فيزيکي به سه شکل مايع آلي، بلورهاي آلي و پلاستيکي وجود دارند. يکي از مهمترين وجوه تمايز آنها با سوسوزن‏هاي غير آلي در زمان پاسخ بسيار کوتاه سوسوزن‏هاي آلي است[3].
انواع سوسوزن‏هاي آلي
1.کريستال‏هاي آلي خاص
سوسوزن‏هاي آلي بلورين به صورت خالص ساخته مي‏شوند، چون ورود ناخواسته هرگونه ناخالصي مي‏تواند موجب کاهش نور خروجي شود. براي تقويت نور خروجي سوسوزن و همچنين تغيير طول موج گسيلي آن جهت ايجاد همخواني با حساسيت فوتوکاتد گاهي مقدار کمي ناخالصي به ساختار بلور وارد مي‏کنند[8]. آنتراسين يکي از قديمي‏ترين مواد آلي مورد استفاده در اهداف سوسوزني است و داراي بالاترين بازده سوسوزني در بين مواد آلي است (بيشترين نور خروجي به ازاي واحد انرژي). ترانس استيلبن نمونه ديگري از سوسوزن‏هاي آلي بلوري است که پاسخ زماني خيلي کوتاه حدود 4 تا 8 نانوثانيه دارد. هر دو ماده نسبتاً شکننده بوده و ساخت آن‏ها در ابعاد بزرگ سخت است[6].
2. محلول‏هاي آلي مايع
سوسوزن‏هاي مايع آلي محلول‏هاي از يک حلال و يک يا چند محلول تشکيل شده‏اند. تولوئن و زايلن7 از حلال‏هاي متداول، و پاراترفنيل8، PBD و POPOP مواد محلول متداول هستند. در سوسوزن‏هاي دوتايي انرژي تابش فرودي غالباً توسط حلال جذب شده و طي يک انتقال انرژي موثر به محلول، موجب لياني ترکيب مي‏شود(مانند مورد بلور سوسوزن و فعال ساز در مواد غير آلي). افزودن يک محلول ثانويه مي‏تواند موجب جابجايي در طول موج گسيل ماکزيمم و همچنين افزايش نور خروجي شود. سوسوزن تجاري NE213 نمونه‏اي از سوسوزن‏هاي مايع است[4].
3. سوسوزن‏هاي پلاستيک
سوسوزن‏هاي پلاستيکي به صورت محلول‏هاي جامدي از مواد آلي هستند که به صورت پليمر در آورده مي‏شوند. به دليل سهولت در شکل‏ دهي و ساخت آنها، سوسوزن‏هاي پلاستيکي شکل مفيدي از سوسوزن‏هاي آلي هستند، سوسوزن‏هاي NE102و NE110از جمله پلاستيک‏هاي متداول هستند. چون اين مواد نسبتاً ارزان هستند، در صورت نياز به سوسوزن‏هاي جامد در حجم بالا، تنها گزينه عملي، سوسوزن‏هاي پلاستيکي هستند[4, 6].
سوسوزن‏هاي غيرآلي(سوسوزن‏هاي بلوري)
بيشتر سوسوزن‏هاي غيرآلي، بلورهاي فلزات قليايي به ويژه يدروهاي قليايي هستند، که مقدار کمي از يک ناخالصي را در بر دارند. ترکيب‏هاي NaI(Tl)، CsI(Tl)، CaI(Na)، LiI(Eu)، CaF2(Eu) از اين دسته مي‏باشند. سوسوزن بايد بسبت به تابش خود شفاف باشد. براي حصول به شفافيت بايد با تک بلور سروکار داشته باشيم، زيرا وجود بازتاب و جذب در سطوح بلور، سوسوزن چند بلوري را بي‏مصرف مي‏کند. عنصر داخل پرانتز همان ناخالصي يا فعال ساز است که عموماً غلظت نسبتاً کمي دارد. مثلاً غلظت تاليوم در NaI(Tl) برپايه‏ي3-10 بر مول است. با اين حال، وجود ناخالصي سبب لياني بلور مي‏شود. فعال کننده باعث مي‏شود حالت‏هاي جديدي در گاف انرژي ايجاد شده وگسيل نور بين اين حالات صورت بگيرد. در موردNaI، طول موج بيشينه گسيل از nm 303 (ناحيه فرابنفش)در NaI خالص به nm 410 (ناحيه مرئي) در NaI(Tl) منتقل مي‏شود. اين انرژي نمي‏تواند در NaI(Tl) جذب شود، زيرا حالات پايه فعال کننده الکترون ندارند، و تغيير طول موج از فرابنفش به مرئي سبب بهتر شدن همپوشي با بيشترين حساسيت در اغلب لوله‏هاي تکثير کننده فوتوني مي‏شود[1].
ويژگي‏هاي مهم بعضي سوسوزن‏هاي غير آلي
NaI(Tl)
NaI(Tl) ، متداولترين سوسوزن براي پرتوهاي گاماست اين بلور که حاوي کسر مولي کوچک (1/0 درصد) تاليوم است اولين بار در سال 1948 ميلادي توسط رابرت هافستاتر ساخته شده است [6] . تک بلورهاي آن تا قطر cm 75و ضخامت cm 25 ساخته شده‏اند. چگالي وعدد اتمي بالاهمراه با حجم زياد اين بلور، آن را به صورت يک آشکار ساز با بازده بسيار بالا براي پرتوهاي گاما در مي‏آورد. طيف گسيلي NaI(Tl) داراي يک قله در nm 410 است، وبازده همگرايي نوري آن از همه‏ي سوسوزن‏هاي غير آلي بالاتر است جدول (2-1). اين ماده داراي چند ويژگي نامطلوب است. از جمله اينکه شکننده بوده وبه تغييرات دما و شوک‏هاي گرمايي حساس است. و نيز چنان جاذب رطوبت است که همواره بايد آنرا در کپسول سر بسته‏اي نگهداشت. NaI هميشه يک مقدار کمي پتاسيوم دارد، که به دليل وجود 40kپرتوزا در آن ، مقداري زمينه ايجاد مي‏شود[4, 6].
CsI(Tl)
CsI(Tl) نسبت به NaI داراي چگالي و عدد اتمي بالاتري است، لذا بازده آن براي آشکارسازي گاما بالاتر است. در دماي اتاق، بازده تبديل نور CsI(Tl) تقريباً 45% بازده NaI(Tl) است، در دماي نيتروژن مايع 77 درجه کلوين ، CsI خالص داراي يک نور خروجي برابر با خروجي NaI(Tl) دردماي اتاق و يک ثابت واپاشي 8-10 ثانيه است. طيف گسيلي CsI(Tl) از nm 420 تا حدودnm 600 است. CsI جاذب رطوبت نيست و بدليل انعطاف پذيري آن نسبت به NaI، مي‏تواند شوک‏ها، شتاب‏ها، وارتعاش‏هاي شديد ونيز شيب‏هاي بزرگ و تغييرهاي ناگهاني دما را تحمل کند. همچنين در CsI پتاسيوم وجود ندارد و بنابراين آشکارساز به خودي خود داراي تابش زمينه نخواهد بود. اين ويژگي‏ها، CsI را براي آزمايش‏هاي فضايي مناسب مي‏سازند[4, 6, 9].
CsI(Na)
چگالي و عدد اتمي CsI(Na) با چگالي و عدد اتمي CsI(Tl) برابراست. بازده تبديل نور آن تقريباً 85 %بازده NaI(Tl) است. طيف گسيلي آن ازnm 320 تا nm 540 گسترده است( شکل2-2). CsI(Na) تا اندازه‏اي جاذب رطوبت است[4].
CaF2(Eu)
CaF2(Eu) شامل مواد با عدد اتمي پايين است، واز اين رو بازده آن براي آشکارسازي ذرات ? وپرتوهايx خوب، وحساسيت آن نسبت به گاما پايين است. اين ترکيب همانند پيرکس است و مي‏توان با ساييدن و جلا دادن آنرا به هر شکلي در آورد. بازده تبديل نور CaF2(Eu) تقريباً 50 ? بازده NaI(Tl) است. طيف گسيلي آن تقريباً ازnm 405 تاnm 490 است[4].
LiI(Eu)
LiI(Eu) يک آشکار ساز کارآمد براي نوترون‏هاي گرمايي حاصل از طريق واکنش 63Li(n,?)31H است. ذره‏ي آلفا و تريتيم که هر دو ذرات باداري هستند، توليد سوسوزني مي‏کنند. چگالي آن kg/m3 3 10× 06/4و زمان واپاشي آن حدود µs1/1 است. اين ماده بسيار جاذب رطوبت است و بر اثر تابش نوترون به آن دستخوش آسيب تابشي مي‏شود[4].
شکل ‏2-2: طيف‏هاي گسيلي از CsI(Na)، CsI(Tl)، NaI(Tl) وآنتراسين، درمقايسه با پاسخ طيفي دو ماده‏ي کاتد (از گزارش آزمايشگاه تحقيقاتي هارشا)[4].
مکانيزم فرايند سوسوزني
لياني سوسوزن‏هاي غيرآلي را مي‏توان بر مبناي نوارهاي مجاز و ممنوع انرژي بلور درک کرد. حالت‏هاي انرژي الکتروني يک اتم در ترازهاي گسسته‏اي قرار دارند که در نمودار تراز انرژي به صورت خط‏هاي گسسته‏اي نمايش داده مي‏شوند. در يک بلور، حالت‏هاي مجاز انرژي پهن شده و به صورت نوارهاي درمي‏آيند(شکل2-3). در حالت پايه‏ي بلور، بالاترين نوار مجاز که شامل الکترون‏هاست کاملاً پر است؛ اين نوار را نوار ظرفيت مي‏نامند. نوار مجاز بعدي خالي است (در حالت پايه) و نوار رسانش خوانده مي‏شود. يک الکترون ممکن است انرژي کافي از تابش فرودي دريافت کند و از نوار ظرفيت به نوار رسانش برود. در آنجا، الکترون آزاد است که در هر جاي در درون شبکه حرکت کند. الکترون جابجا شده از خود در نوار ظرفيت حفره‏اي باقي مي‏گذارد، که آن نيز مي‏تواند حرکت کند. گاهي، انرژي داده شده به الکترون کافي نيست تا آن را به نوار رسانش برساند. در عوض، از نظر الکترواستاتيکي، الکترون ياد شده در قيد حفره در نوار ظرفيت باقي مي‏ماند. زوج الکترون-حفره‏اي که به اين ترتيب بوجود مي‏آيد اکسيتون نام دارد.
شکل ‏2-3 :نوارهاي مجاز و ممنوع انرژي يک بلور[4].
بر حسب حالت‏هاي انرژي، اکسيتون با بالارفتن الکترون به حالتي بالاتر از نوار ظرفيت اما پايين‏تر از نوار رسانش هم‏خوان است. به اين ترتيب، حالت‏هاي اکسيتوني تشکيل نوار سومي مي‏دهند که بخش بالايي آن منطبق بر بخش زيرين نوار رسانش است (شکل2-3). پهناي نوار اکسيتوني از مرتبه eV1 است، در حاليکه گاف بين نوارهاي ظرفيت و رسانش از مرتبه‏ي eV 8 مي‏باشد. علاوه برنوار اکسيتوني، ممکن است بر اثر نقص‏ها، ناخالصي‏هاي بلور، حالت‏هاي انرژي‏اي بين نوارهاي ظرفيت و رسانش خلق شوند. از همه مهم‏تر حالت‏هايي هستند که از اتم‏هاي فعال ساز مثل تاليوم خلق مي‏شوند. اتم فعال ساز ممکن است در حالت پايه يا در يکي از حالت‏هاي بر انگيخته‏اش باشد. بالا رفتن به يک حالت بر انگيخته ممکن است نتيجه‏ي جذب يک فوتون يا گيراندازي يک اکسيتون يا گيراندازي پي در پي يک الکترون و يک حفره باشد. گذار اتم ناخالص از حالت بر انگيخته به حالت پايه، در صورتيکه مجاز باشد، منجر به گسيل يک فوتون در زمان‏هايي از مرتبه 8-10 ثانيه مي‏شود. اگر اين فوتون داراي طول موجي درناحيه مرئي الکترومغناطيسي باشد، در سوسوزني شرکت مي‏کند. بنابراين، مي‏توان رويدادهايي که منجر به سوسوزني مي‏شوند را به صورت زير خلاصه کرد[4]:
عبور تابش يون ساز از بلور
2- رفتن الکترون‏ها به نوار رسانش بالاتر
3- خلق حفره‏ها در نوار ظرفيت
4- تشکيل اکسيتون‏ها
5- جذب الکترون، حفره و اکسيتون از طرف مراکز فعال ساز و بالا رفتن به حالت‏هاي برانگيخته
6- گسيل فوتون و واانگيزش
نوري که بر اثر سوسوزدن گسيل مي‏شود بيشتر نتيجه‏ي گذارهاي اتم‏هاي فعال ساز است، نه اتم‏هاي بلور. چون بيشتر انرژي فرودي به شبکه‏ي بلور مي‏رود-وسرانجام تبديل به گرما مي‏شود-پيدايش لياني توليد شده از اتم‏هاي فعال ساز به معناي اين است که انرژي از بلور ميزبان به ناخالصي انتقال مي‏يابد. براي سوسوزن‏هاي NaI(Tl) ، تقريباً 12% انرژي فرودي به صورت لياني تاليوم ظاهر مي‏شود[4].
مقدار نور خروجي و طول موج نور گسيل شده دو ويژگي مهم هر سوسوزن است. مقدار نور خروجي بر تعداد فوتوالکترون‏هاي توليد شده در ورودي لوله تکثير کننده‏ي فوتوني اثر مي‏گذارد، که اين خود بر ارتفاع تپ توليد شده در خروجي دستگاه شمارنده موثر است. اطلاع از طول موج، براي همساز کردن سوسوزن با تکثير کننده‏ي فوتون متناسب ضرورت دارد. جدول (2-1)مهمترين ويژگي‏هاي بعضي از سوسوزن‏هاي غير آلي را نشان مي‏دهد.
ميزان نور خروجي سوسوزن‏ها به دما وابسته است[4, 6]. شکل(2-4)وابستگيNaI(Tl) ، CsI(Tl) وCsI(Na) را به دما نشان مي‏دهد.
شکل‏2-4: وابستگي نور خروجي NaI(Tl)، CsI(Tl) و CsI(Na) به دما،(اقتباس از گزارش آزمايشگاه تحقيقاتي هرشا)[4] .
وابستگي گسيل فوتون به زمان
چون فوتون‏ها بر اثر واپاشي‏هاي حالت‏هاي بر انگيخته گسيل مي شوند، زمان گسيل آنها بستگي به ثابت‏هاي واپاشي حالت‏هاي مختلف درگير دارد. تجربه نشان مي‏دهد که گسيل نور از يک قانون واپاشي نمايي به شکل
N(t)=N_0 e^(-t/T) (1-2)
پيروي مي‏کند[4]، که در آن N(t) تعداد فوتون‏هاي گسيل شده در زمان t وT زمان واپاشي سوسوزن مي‏باشد(جدول 2-1).

جدول ‏2-1:ويژگي هاي بعضي از سوسوزن هاي غيرآلي
ماده
زمان واپاشي(s?)بازده سوسوزني
(نسبي%)بيشينه طول موج
گسيل(nm)چگالي
(kg/m3 103)NaI(Tl)23/010041067/3CaF_2(Eu)94/05043518/3CsI(Na)63/08042051/4CsI(Tl)80/14556551/4Bi4Ge3O1230/0848013/7CdWO1290/02053090/76Lil(Eu)94/03047049/3
در يک دستگاه شمارنده‏ي شامل سوسوزن، نورتوليد شده توسط بلور به کمک يک تکثير کننده‏ي فوتون تقويت مي‏شود و تبديل به يک جريان الکتريکي خواهد شد که رفتار نهايي داده شده با معادله‏ي (2-1) را دارد. اين جريان به مدار RC شکل (2-5) داده مي‏شود، و يک تپ ولتاژ به صورت زير توليد مي‏شود[4].
(2-2) e^((-t)?RC)-e^((-t)?T)) V(t)=V_? (

شکل ‏2-5: (الف)تپ ولتاژ از جريان نمايي به دست مي‏آيد.(ب) شکل تپ براي RC>>T [4].
در عمل مقدار RC طوري انتخاب مي‏شود که از مرتبه‏ي چند صد ميکروثانيه باشد. بنابراين، براي زمان‏هاي کوتاه، يعني t<<RC ، که گستره‏ي زماني مورد نظر است. معادله (2-2) به شکل زير در مي‏آيد.
(2-2-1) V(t)=(1-e^((-t)?T))آشکارسازهاي سوسوزن
اساس کار آشکارسازهاي سوسوزن، به طور خلاصه، مبتني بر جذب انرژي از تابش يوننده و گسيل نور در ناحيه مرئي مي‏باشد. مثلاً پرتو گاما از طريق برهم‏کنش‏هايي که با ماده دارد،( که در فصل بعدي توضيح داده خواهد شد)، انرژي خود را از طريق اکترون ها در محيط سوسوزن مي‏گذارد. سپس انرژي الکترون‏هاي توليدي به سرعت صرف يونش و تحريک ماده شده و در پي اين تحريکات ماده سوسوزن با گسيل نور به حالت پايه خود باز مي‏گردد. در نهايت نور توليد شده به وسيله‏ي يک لامپ تکثيرکننده‏ي فوتوني (PMT) به يک تپ الکتريکي تبديل مي‏شود که اين علامت به عنوان پاسخ آشکارساز سوسوزن شناخته مي‏شود. شکل (2-6) سيستم يک آشکارساز سوسوزن و الکترونيک به‏کار رفته در آن را نشان مي‏دهد. در ادامه توضيح مختصري در رابطه با کار برخي از اجزاي يک آشکارساز سوسوزن بيان مي‏شود.
شکل ‏2-6: سيستم آشکارساز سوسوزن و الکترونيک به کار رفته در آن [1].
لامپ تکثيرکننده‏ي فوتون
لامپ تکثيرکننده‏ي فوتون يا لامپ نور بخشي از يک شمارنده‏ي سوسوزن است که وظيفه تقويت نور حاصل از سوسوزني را بر عهده دارد. تکثير کننده‏ي فوتون اصولاً يک تقويت کننده‏ي سريع است، که در زماني در حدود s 9-10 يک تپ فرودي نور مرئي را با ضريب 106 يا بيشتر تقويت مي‏کند. تکثير کننده‏ي فوتون از يک لوله‏ي شيشه‏اي تهي از هوا، يک فوتو کاتد در ورودي، و چندين داينود در درون ساخته مي‏شود(شکل2-7). فوتون‏هاي توليد شده در سوسوزن، وارد لامپ شده و به صفحه‏ي فوتوکاتد برخورد مي‏کند. فوتوکاتد از ماده‏اي ساخته مي‏شود که نور را دريافت کرده و الکترون گسيل مي‏کند. الکترون‏هاي گسيلي از فوتوکاتد به ياري يک ميدان الکتريکي به سوي اولين داينود که با يک ماده تکثير کننده الکترون اندود شده است، راهنمايي مي‏شوند.
شکل ‏2-7 : نمودار طرز کار تکثير کننده‏ي فوتوني. الکترون‏هاي رها شده از کاتد در اولين داينود جذب و چند برابر مي‏شوند . هر داينود در پتانسيلي بالاتر از داينود قبلي قرار دارد ، يک لوله مي‏تواند 10 تا 14 داينود داشته باشد. در هر مرحله ، تعداد الکترون‏ها با ضريبي از مرتبه 5 افزايش مي‏يابد[1].


دیدگاهتان را بنویسید