3- 4مدهای ذخیره‏ی انرژی درآشکارساز41
3-4-1 ذخیره‏ی انرژی توسط فوتون‏های با MeV 022/1 > E42
3-4-2 ذخیره ی انرژی توسط فوتون‏های با انرژی بزرگ تر از MeV 022/143
3-5 تابع پاسخ و ماتریس پاسخ آشکار ساز47
50……………… فصل چهارم:محاسبه ی ماتریس پاسخ آشکارسازهای 2 اینچی و 3 اینچی یدور سزیم
4-1مقدمه51
4-2اندازه‏گیری طیف چشمه‏های تک انرژی گاما51
4-2-1تعیین رابطه‏ی بین شماره‏ی کانال-انرژی52
4-2-2طیف‏های آزمایشگاهی54
4-2-3محاسبه‏ی پهنا در نیم بیشینه (FWHM)57
4-2-4محاسبه‏ی ضرایب GEB59
4-3شبیه سازی با کدmcnpx61
4-3-1ساختار فایل ورودی62
4-3-2اجرای برنامه63
4-3-3خروجی برنامه64
4-3-4مقایسه‏ی طیف‏های شبیه سازی شده با طیف‏های تجربی64
4-3-4-1مقایسه‏ی طیف‏های شبیه سازی شده با طیف‏های تجربی در آشکارساز2 اینچی………….64
4-3-4-2مقایسه‏ی طیف‏های شبیه سازی شده با طیف‏های تجربی در آشکارساز 3 اینچی67
4-4محاسبه‏ی تابع پاسخ آشکارساز2 اینچی یدور سزیم69
4-4-1محاسبه‏ی ماتریس پاسخ و ماتریس معکوس73
4-4-2واپیچش طیف‏های آزمایشگاهی76
4-4-2-1واپیچش طیف‏های آزمایشگاهی در آشکارساز 2 اینچی یدور سزیم76
4-4-2-2واپیچش طیف‏های آزمایشگاهی در آشکارساز 3 اینچی یدور سزیم81
4-4-3واپیچش طیف زمینه91
4-5جمع بندی مطالب و نتیجه‏گیری87
منابع وماخذ………………………………………………………………………………..89
فهرست شکل‏ها
شکل ‏2-1: فرآیندهای اساسی در یک آشکارسازی سوسوزن10
شکل ‏2-2: طیف‏های گسیلی از CsI(Na)، CsI(Tl)، NaI(Tl) وآنتراسین.15

شکل ‏2-3 :نوارهای مجاز و ممنوع انرژی یک بلور.16
شکل‏2-4: وابستگی نور خروجی NaI(Tl)، CsI(Tl) و CsI(Na) به دما .18
شکل ‏2-5: (الف)تپ ولتاژ از جریان نمایی به دست می‏آید.(ب) شکل تپ برای RC>>T 20
شکل ‏2-6: سیستم آشکارساز سوسوزن و الکترونیک به کار رفته در آن.21
شکل ‏2-7 : نمودار طرز کار تکثیر کننده‏ی فوتونی. .22
شکل ‏2-8: آشکارساز 2 اینچی……………………………………………………………..28
شکل ‏2-9: سیستم آشکارسازی استفاده شده در آزمایشگاه29
شکل ‏3-1: وابستگی سطح مقطع فوتوالکتریک به (الف) انرژی فوتون و (ب) عدد اتمی ماده .32
شکل ‏3-2: اثر کامپتون33
شکل ‏3-3: وابستگی سطح مقطع کامپتون به (الف) انرژی فوتون و (ب) عدد اتمی ماده.34
شکل ‏3-4 : تولید زوج36
شکل ‏3-5: وابستگی سطح مقطع تولید زوج به (الف) انرژی فوتون و (ب) عدد اتمی ماده 37
شکل ‏3-6 اهمیت نسبی سه برهم‏کنش عمده‏ی گاما37
شکل‏3-7: طیف انرژی یک چشمه‏ی تک انرژی گاما 39
شکل‏3-8 : قدرت تفکیک انرژی آشکارساز با ? بیان می‏شود.41
شکل ‏3-9: فرایندهایی که در آشکاسازی پرتو گاما رخ می‏دهند.45
شکل‏3-10: نمونه پاسخ یک آشکارساز به پرتوهای گامای تک انرژی46
شکل‏3-11: طیف ارتفاع تپ اندازه گرفته شده‏ی حاصل از طیف چشمه‏ی تک انرژی 46
شکل‏4-1: نمودار انرژی برحسب کانال اشکار سازin 2× in 2 یدور سزیم54
شکل ‏4-2: طیف ازمایشگاهی Cs13755
شکل‏4-3: طیف آزمایشگاهی Co6055
شکل‏4-4: طیف آزمایشگاهی Na2256
شکل‏4-5: طیف آزمایشگاهی Zn6556
شکل ‏4-6: طیف آزمایشگاهی زمینه57
شکل ‏4-7: فوتوپیک شامل تابع گوسی و پس زمینه58
شکل ‏4-8: فوتوپیک گوسی شکل.58
شکل ‏4-9: نمودار برازش داده‏های تجربیFWHM با رابطه (3-18) در آشکارساز 2 اینچی60
شکل ‏4-10: نمودار برازش داده‏های تجربی FWHM با رابطه (3-18) در آشکارساز 3 اینچی61
شکل‏4-11: مقایسه‏ی طیف شبیه سازی شده CS137 و طیف تجربی65
شکل‏4-12: مقایسه‏ی طیف شبیه سازی شدهNa22با طیف تجربی65
شکل ‏4-13: مقایسه‏ی طیف شبیه سازی شده Co60 با طیف تجربی……………………………..66 شکل ‏4-14: مقایسه‏ی طیف شبیه سازی شده Zn65با طیف تجربی66
شکل ‏4-15:مقایسه‏ی طیف شبیه سازی شده Co60 با طیف تجربی67
شکل ‏4-16: مقایسه‏ی طیف شبیه سازی CS137 با طیف تجربی67
شکل ‏4-17: مقایسه‏ی طیف شبیه سازی شده Na22 با طیف تجربی68
شکل ‏4-18: مقایسه‏ی طیف شبیه سازی شده Zn65 با طیف تجربی68
شکل ‏4-19: مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز 2اینچی برای انرژی keV51170
شکل ‏4-20: مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2 اینچی برای انرژیkeV111570
شکل ‏4-21: مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز 2اینچی برای انرژیkeV 117371
شکل ‏4-22: مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2اینچی برای انرژی keV 127571
شکل‏4-23: مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2اینچی برای انرژی keV 133272
شکل ‏4-24: مقایسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2 اینچی برای انرژی keV 66272
شکل ‏4-25: طیف حاصل از ضرب ماتریس پاسخ در ماتریس چشمه تک انرژی سزیم74
شکل ‏4-26: طیف حاصل از ضرب ماتریس پاسخ در ماتریس چشمه دو انرژی سدیم75
شکل ‏4-27: واپیچش طیف حاصل از ضرب ماتریس پاسخ در ماتریس چشمه تک انرژی سزیم75
شکل ‏4-28: واپیچش طیف حاصل از ضرب ماتریس پاسخ در ماتریس چشمه دوانرژی سدیم76
شکل ‏4-29 الف:طیف آزمایشگاهیCs137 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتریس پاسخ آشکارساز 2 اینچی ب: واپیچش طیف Cs13777
شکل ‏4-30 الف: طیف آزمایشگاهیCo60 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتریس پاسخ آشکارساز 2 اینچی ب: واپیچش طیفCo6078
شکل ‏4-31 الف: طیف آزمایشگاهیNa22 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتریس پاسخ آشکارساز 2 اینچی ب: واپیچش طیفNa2279
شکل ‏4-32 الف: طیف آزمایشگاهی Zn65با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتریس پاسخ آشکارساز 2 اینچی ب: واپیچش طیفZn6580
شکل ‏4-33 الف: طیف آزمایشگاهیCo60 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتریس پاسخ آشکارساز 3 اینچی ب: واپیچش طیفCo6081
شکل ‏4-34 الف:طیف آزمایشگاهیCs137 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتریس پاسخ آشکارساز 3 اینچی ب: واپیچش طیف Cs13782
شکل ‏4-35 الف: طیف آزمایشگاهیNa22 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتریس پاسخ آشکارساز 3 اینچی ب: واپیچش طیفNa2283
شکل ‏4-36 الف: طیف آزمایشگاهی Zn65با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتریس پاسخ آشکارساز 3 اینچی ب: واپیچش طیفZn6584
شکل ‏4-37 الف: طیف آزمایشگاهی زمینه با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتریس پاسخ آشکارساز 2 اینچی ب: واپیچش طیف زمینه85
شکل ‏4-38 الف: طیف آزمایشگاهی زمینه با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتریس پاسخ آشکارساز 3 اینچی ب: واپیچش طیف زمینه86

فهرست جدول‏ها
جدول2-1:ویژگی های بعضی از سوسوزن های غیرآلی………………………………………..19
جدول ‏4-1:چشمه‏های طیف‏گیری شده با آشکاساز 2 اینچی در آزمایشگاه52
جدول ‏4-2: کالیبراسیون چند گانه53
جدول ‏4-3: FWHM برای چشمه‏های تک انرژی59
فصل اول
مقدمه
تاریخچه آشکارسازهای سوسوزن
در یک بلور جسم جامد، برهم‏کنش میان ذره باردار حامل انرژی و الکترون‏ها باعث کنده شدن الکترون از محل خود در شبکه بلور می‏شود. الکترون جابجا شده از خود حفره‏ای باقی می‏گذارد. هنگامی که الکترونی در این حفره می‏افتد نور گسیل می‏شود. بعضی از بلورها نسبت به این نور شفاف هستند. بنابراین عبور ذره باردار حامل انرژی در بلور با سنتیلاسیون یا سوسوزنی نور گسیل شده از بلور علامت داده می‏شود. این نور در یک آشکارساز سوسوزن به یک تپ الکتریکی تبدیل می‏شود. نخستین جامدی که با استفاده از این روش به عنوان یک آشکارساز ذره به کار رفت سوسوزنی بود که رادرفورد در سال 1910 میلادی، در آزمایش‏های خود در زمینه‏ی پراکندگی ذرات آلفا مورد استفاده قرار داد. در وسیله مورد استفاده او، ذرات آلفا به یک صفحه‏ی سولفور روی برخورد کرده و تولید نور می‏کردند، و به کمک یک میکروسکوپ شمرده می‏شدند. این روش فوق العاده ناکارا، بی دقت و وقت‏گیر بود و حدود 30 سال کنار گذاشته شد و روش استفاده از شمارنده‏های گازی که در آن شمارش به طور الکترونیکی انجام می‏شد، جانشین آن گردید. عیب شمارنده‏های گازی بازده کم آنها برای بسیاری از تابش‏های مورد نظر در فیزیک هسته‏ای است. دلیل اصلی آن هم این است که برد یک فوتون گامایMeV1 در هوا حدودm100 می‏شود. در آشکارسازهای حالت جامد به دلیل چگالی‏های بیشتر نسبت به آشکارسازهای گازی، احتمال جذب در آشکارسازی با اندازه معقول افزایش می‏یابد. لذا با پیشرفت الکترونیک و دستگاه‏های تقویت نور، استفاده از سوسوزن‏های جامد رونق یافت [1]. در سال 1944 میلادی لوکان و بیکر فتومولتی‏پلایر را جانشین روش استفاده از چشم غیر مسلح نمودند و کمی بعد کالمن نفتالین را جانشین کریستال کوچک و نازک zns نمود. این دو تغییر انقلابی را در آشکارسازی با استفاده از سوسوزن‏ها، ثبت و تجزیه و تحلیل پالس‏هایی که توسط هر یک از ذرات تابش به وجود می‏آیند، امکان پذیر ساخت[2]. در سال 1948 رابرت هافستادر1 برای اولین بار ثابت کرد کریستال یدور سدیم، که مقدار ناچیزی تالیم به عنوان ناخالصی به آن اضافه شده است، در مقایسه با مواد آلی که ابتدا مورد توجه بودند، نور بیشتری تولید می‏کند[3]. به دنبال این کشف آشکارسازهای سوسوزن در دهه 1950 ساخته شدند و مورد استفاده قرار گرفتند. از زمان کشف رابرت هافستادر تاکنون ترکیبات سوسوزنی مختلفی اعم از سوسوزن‏های آلی وغیر آلی که دارای بهره‏ نوری و زمان واپاشی سریع هستند، در آزمایشگاه‏های مختلف مورد مطالعه قرار گرفتند2. به دلیل اهمیت کاربرد سوسوزن‏ها در صنعت و پزشکی دامنه تحقیق در زمینه کشف ترکیبات سوسوزنی جدید گسترده است. امروزه طیف سنجی پرتوهای گاما با استفاده از سوسوزن‏ها به یک علم جامع و پرکاربرد در بسیاری از حوزه‏های تکنیکی تبدیل شده است. NaI(Tl) تقریباً اولین محیط آشکارسازی جامدی بود که برای طیف سنجی پرتوهای گاما مورد استفاده قرار گرفت، و همچنان رایج‏ترین ماده سوسوزنی برای طیف سنجی پرتوهای گاماست. یدور سزیم نیز هالید قلیایی دیگری است که شهرت زیادی به عنوان یک ماده سوسوزن دارد. این ماده به صورت تجاری هم با فعال ساز سدیم و هم تالیم موجود است و ویژگی‏های سوسوزنی حاصل از این دو حالت با یکدیگر متفاوت است. مزیت CsI(Tl) نسبت به NaI(Tl) این است که حساسیت کمتری نسبت به رطوبت داشته و سخت‏تر است،و در نتیجه توان تحمل بیشتری در برابرقرارگیری در معرض شوک‏ها و ارتعاشات شدیدتر را دارد[4]. از آنجا که آشکارسازهای سوسوزن از جمله NaI(Tl) وCsI(Tl) نسبت به آشکارسازهای حالت جامد مقاوم‏تر و ارزان‏تر بوده و برای پرتو گاما ی پر انرژی کارآمد هستند و همچنین می‏توان آنها را بدون خنک سازی در دمای اتاق مورد استفاده قرار داد، بنابراین می‏توانند در زمینه کاربردهای مختلف تحت شرایط آب و هوای نامطلوب استفاده شوند[5]. لذا این سوسوزن‏ها در بسیاری از کاربردهایی که قدرت تفکیک انرژی و مشخصات زمانی خوب مد نظر نیست، به وفور مورد استفاده قرار می‏گیرند[6].
بیان مسأله
یکی ار کاربردهای آشکارسازهای سوسوزن به دست آوردن طیف گاماهای حاصل از چشمه‏های مجهول، آنالیز طیف حاصل از فعال سازی نوترونی و به دست آوردن طیف گاماهای زمینه است. این در حالی است که هر آشکارساز به ازای هر چشمه تک انرژی گاما طیفی به دست می‏دهد که متناظر با انرژی فرودی و تابع پاسخ آشکار ساز است. برای به دست آوردن طیف گاماهای وارد شده به آشکارساز با استفاده از طیف حاصل از آشکارساز نیاز به دانستن ماتریس پاسخ آشکارساز است. با توجه به این که خصوصیات آشکارسازهای سوسوزن مختلف با یکدیگر متفاوت است و با توجه به تاثیر ساختمان آشکارساز بر طیف، لازم است که برای هر آشکارساز، ماتریس پاسخ آن معین شود. برای تعیین ماتریس پاسخ آشکارساز با انجام آزمایش‏های طیف نگاری چشمه‏های استاندارد گاما، می‏توان ضرایب گوسی شکل را به دست آورد. سپس با استفاده از این ضرایب و اعمال آنها در شبیه سازی مونت کارلو برای طیف گسترده‏ای از انرژی‏ها عناصر ماتریس پاسخ آشکارساز به دست می‏آید. صحت نتایج حاصل شده را می‏توان با بررسی نتیجه حاصل از واپیچش طیف انرژی به دست آمده از چشمه‏های استاندارد گاما با استفاده از معکوس ماتریس پاسخ ارزیابی کرد. پس از اطمینان از صحت نتایج، می‏توان طیف گاماهای زمینه را با استفاده از ماتریس پاسخ آشکارساز واپیچش نمود. هدف این پژوهش تعیین ماتریس پاسخ آشکارسازهای 2 اینچی و 3 اینچی یدور سزیم و واپیچش طیف گاماهای استاندارد و گاماهای زمینه با استفاده از معکوس ماتریس پاسخ‏های بدست آمده است. با توجه به اینکه برای تعیین ابعاد ماتریس پاسخ و ماتریس معکوس باید محدوده‏ی انرژی چشمه های تک انرژی استفاده شده و بازه بندی انرژی در شبیه سازی مونت کارلو را در نظر گرفت در این کار ابعاد 76×76 برای ماتریس پاسخ و ماتریس وارون در نظر گرفته شده است.
سازماندهی مطالب
در فصل اول تلاش شد که تاریخه مختصری در رابطه با ساخته شدن آشکارسازهای سوسوزن ودلایل استفاده از این آشکارسازها بیان شود. در ادامه لزوم محاسبه ماتریس پاسخ و ماتریس معکوس هر آشکارساز سوسوزن برای واپیچش طیف‏ها و هدف این پایان نامه بیان شده است.
در فصل دوم اصول آشکارسازهای سوسوزن و مکانیزم فرایند سوسوزنی در آنها به اختصار توضیح داده می‏شود. در فصل سوم نیز تلاش می‏شود برهم‏کنش‏های اشعه گاما با ماده و همچنین طیف نگاری پرتوهای X و گاما بررسی شود.
فصل چهارم به ذکر فعالیت‏های تجربی انجام شده در حیطه این پایان نامه اختصاص دارد. این فصل با ذکرآزمایش‏های انجام شده جهت گرفتن طیف حاصل از چشمه‏های استاندارد گامای موجود در آزمایشگاه هسته‏ای دانشگاه با آشکارسازهای 2 اینچی و 3 اینچی یدور سزیم شروع می‏شود. در ادامه نحوه محاسبه پهنای قله در نیم بیشینه (FWHM3) وضرایب پهن شدگی گاوسی انرژی(GEB4) بیان می‏شود. سپس با مقایسه طیف‏های حاصل از شبیه سازی با کدmcnpx وطیف‏های آزمایشگاهی چشمه‏ها از صحت ضرایب GEB اطمینان حاصل کرده وبا استفاده از FWHM هر چشمه، تابع پاسخ آشکارسازها به ازای انرژی‏های مختلف تعیین شده است. نهایتاً ماتریس پاسخ آشکارسازها محاسبه و واپیچش طیف گاماهای استاندارد و گاماهای زمینه با استفاده از معکوس ماتریس پاسخ بدست آمده انجام شده است. برای جلوگیری از تکرار مطالب روند کار در رابطه با آشکارساز 2 اینچی به طور کامل شرح داده شده و فقط نتایج حاصل از آشکارساز 3 اینجی بیان شده است. درآخر این فصل به جمع بندی مطالب و نتایج حاصله پرداخته می‏شود.
فصل دوم
اصول آشکارسازهای سوسوزن
مقدمه
آشکارسازی پرتوهای یوننده توسط نور سوسوزنی ایجاد شده در برخی از مواد، یکی از قدیمی‏ترین روش‏های ثبت این پرتوهاست. فرایند سوسوزنی یکی از مفیدترین روش‏های موجود برای آشکارسازی و طیف نگاری طبقه وسیعی از پرتوها به شمار می‏آید. در این فصل، انواع مختلف سوسوزن‏ها مورد بررسی قرار می‏گیرند. همچنین توضیحاتی در باره لامپ‏های تکثیرکننده‏ی فوتون، فوتودیودها که برای تبدیل نور مرئی به پالس الکتریکی مورد نیاز هستند و تقویت کننده‏ها که در آشکارسازهای سوسوزن مورد استفاده قرار می‏گیرند ارائه می‏شود.
یک سوسوزن ایده‏آل، باید دارای ویژگی‏های زیر باشد:
انرژی جنبشی ذرات باردار را با بازده سوسوزنی بالایی به نور قابل آشکارسازی تبدیل کند.
این تبدیل باید خطی باشد (بهره نوری باید تا حد امکان در یک باز? وسیع، متناسب با انرژی ذخیره شده باشد).
برای جمع‏آوری مناسب نور، محیط سوسوزنی باید نسبت به طول موج گسیلی خود شفاف باشد.
زمان واپاشی لیانی القا شده باید کوتاه باشد تا پالس‏های سریعی تولید شود.
ماده سوسوزنی باید کیفیت نوری خوبی داشته باشد و در ابعاد به اندازه کافی بزرگ ساخته شود تا به عنوان یک آشکارساز عملی مد نظر قرار گیرد.
ضریب شکست آن باید نزدیک به ضریب شکست شیشه باشد (حدود 5/1) تا نور سوسوزنی به طور مؤثری با لامپ تکثیرکننده فوتون یا هر حسگر نوری دیگر جفت شود.
هیچ ماده‏ای همزمان دارای تمامی این معیارها نیست و انتخاب یک سوسوزن خاص توافقی بین این معیارها و عوامل دیگر است. گسترده‏ترین سوسوزن‏های مورد استفاده شامل کریستال‏های هالید قلیایی5 غیرآلی که در بین آنها یدور سدیم و یدور سزیم بیشتر مورد نظر هستند، مایع‏ها و پلاستیک‏ها آلی می‏باشند. مواد غیر آلی از نظر نور خروجی و خطی بودن بهترین هستند، اما عموماً دارای زمان پاسخ نسبتاً کندی می‏باشند. سوسوزن‏های آلی نسبتاً سریع‏تر هستند، اما دارای بهره نوری کمتری می‏باشند. به طور کلی کاربرد مورد نظر نیز تاثیر زیادی بر انتخاب سوسوزن مورد استفاده دارد[6].
کل فرآیندهای اساسی در یک آشکارساز سوسوزن را می‏توان با توجه به شکل (2-1) به طریق زیر درک کرد:
تابش فرودی وارد آشکارساز می‏شود وطی برهم‏کنش‏های بسیار متعدد سبب برانگیزش اتم‏ها به حالات بر انگیخته می‏شود.
حالات برانگیخته به سرعت نور مرئی (یا نزدیک به مرئی) گسیل می‏کنند؛ چنین ماده‏ای را فلوئورسان می‏نامند.
نور به سطحی که نسبت به فوتون‏ها حساسیت دارد می‏تابد و حداکثر یک فوتوالکترون به ازای هر فوتون تولید می‏شود.
این الکترون‏های ثانویه تکثیر می‏شوند، شتاب می‏گیرند، ودر لوله تکثیر کننده فوتونی (PMT6) به صورت تپ خروجی در می‏آیند[1].
شکل ‏2-1: فرآیندهای اساسی در یک آشکارسازی سوسوزن[1].
انواع سوسوزن‏ها
مواد سوسوزن از نظر فیزیکی به صورت جامدهای بلوری، مایع و گاز وجود دارند که هر کدام ویژگی‏های مختص به خود را دارند؛ مثلاً بلورهای سوسوزن از بازده آشکارسازی بالایی برای پرتوهای گاما برخوردارند. در عوض سوسوزن‏های گازی، که مخلوط‏هایی از گازهای بی اثر هستند، برای آشکارسازی ذرات باردار سنگین مانند ذرات آلفا و پاره‏های شکافت مفید هستند. سوسوزن‏های مایع برای اندازه‏گیری‏هایی که در آنها به آشکارساز با حجم بالا برای افزایش بازده آشکارسازی مورد نیاز است، مانند آشکارسازی پرتوهای کیهانی واندازه‏گیری طیف انرژی نوترون‏های پرانرژی، بسیار مفید هستند[7].
از نظر شیمیایی سوسوزن‏ها به دو دسته سوسوزن‏های آلی و غیرآلی تقسیم می‏شوند. با توجه به اینکه در این پژوهش از سوسوزن غیرآلی استفاده شده است، لذا سوسوزن‏های آلی به طور مختصر توضیح داده شده و سعی می‏شود مکانیزم فرایند سوسوزنی در سوسورن‏های غیرآلی بطور کامل بیان شود.
سوسوزن‏های آلی
مواد سوسوزن آلی از ترکیبات هیدروکربنی، که غالباً شامل حلقه‏های بنزنی هستند، تشکیل شده اند. از نظر فیزیکی به سه شکل مایع آلی، بلورهای آلی و پلاستیکی وجود دارند. یکی از مهمترین وجوه تمایز آنها با سوسوزن‏های غیر آلی در زمان پاسخ بسیار کوتاه سوسوزن‏های آلی است[3].
انواع سوسوزن‏های آلی
1.کریستال‏های آلی خاص
سوسوزن‏های آلی بلورین به صورت خالص ساخته می‏شوند، چون ورود ناخواسته هرگونه ناخالصی می‏تواند موجب کاهش نور خروجی شود. برای تقویت نور خروجی سوسوزن و همچنین تغییر طول موج گسیلی آن جهت ایجاد همخوانی با حساسیت فوتوکاتد گاهی مقدار کمی ناخالصی به ساختار بلور وارد می‏کنند[8]. آنتراسین یکی از قدیمی‏ترین مواد آلی مورد استفاده در اهداف سوسوزنی است و دارای بالاترین بازده سوسوزنی در بین مواد آلی است (بیشترین نور خروجی به ازای واحد انرژی). ترانس استیلبن نمونه دیگری از سوسوزن‏های آلی بلوری است که پاسخ زمانی خیلی کوتاه حدود 4 تا 8 نانوثانیه دارد. هر دو ماده نسبتاً شکننده بوده و ساخت آن‏ها در ابعاد بزرگ سخت است[6].
2. محلول‏های آلی مایع
سوسوزن‏های مایع آلی محلول‏های از یک حلال و یک یا چند محلول تشکیل شده‏اند. تولوئن و زایلن7 از حلال‏های متداول، و پاراترفنیل8، PBD و POPOP مواد محلول متداول هستند. در سوسوزن‏های دوتایی انرژی تابش فرودی غالباً توسط حلال جذب شده و طی یک انتقال انرژی موثر به محلول، موجب لیانی ترکیب می‏شود(مانند مورد بلور سوسوزن و فعال ساز در مواد غیر آلی). افزودن یک محلول ثانویه می‏تواند موجب جابجایی در طول موج گسیل ماکزیمم و همچنین افزایش نور خروجی شود. سوسوزن تجاری NE213 نمونه‏ای از سوسوزن‏های مایع است[4].
3. سوسوزن‏های پلاستیک
سوسوزن‏های پلاستیکی به صورت محلول‏های جامدی از مواد آلی هستند که به صورت پلیمر در آورده می‏شوند. به دلیل سهولت در شکل‏ دهی و ساخت آنها، سوسوزن‏های پلاستیکی شکل مفیدی از سوسوزن‏های آلی هستند، سوسوزن‏های NE102و NE110از جمله پلاستیک‏های متداول هستند. چون این مواد نسبتاً ارزان هستند، در صورت نیاز به سوسوزن‏های جامد در حجم بالا، تنها گزینه عملی، سوسوزن‏های پلاستیکی هستند[4, 6].
سوسوزن‏های غیرآلی(سوسوزن‏های بلوری)
بیشتر سوسوزن‏های غیرآلی، بلورهای فلزات قلیایی به ویژه یدروهای قلیایی هستند، که مقدار کمی از یک ناخالصی را در بر دارند. ترکیب‏های NaI(Tl)، CsI(Tl)، CaI(Na)، LiI(Eu)، CaF2(Eu) از این دسته می‏باشند. سوسوزن باید بسبت به تابش خود شفاف باشد. برای حصول به شفافیت باید با تک بلور سروکار داشته باشیم، زیرا وجود بازتاب و جذب در سطوح بلور، سوسوزن چند بلوری را بی‏مصرف می‏کند. عنصر داخل پرانتز همان ناخالصی یا فعال ساز است که عموماً غلظت نسبتاً کمی دارد. مثلاً غلظت تالیوم در NaI(Tl) برپایه‏ی3-10 بر مول است. با این حال، وجود ناخالصی سبب لیانی بلور می‏شود. فعال کننده باعث می‏شود حالت‏های جدیدی در گاف انرژی ایجاد شده وگسیل نور بین این حالات صورت بگیرد. در موردNaI، طول موج بیشینه گسیل از nm 303 (ناحیه فرابنفش)در NaI خالص به nm 410 (ناحیه مرئی) در NaI(Tl) منتقل می‏شود. این انرژی نمی‏تواند در NaI(Tl) جذب شود، زیرا حالات پایه فعال کننده الکترون ندارند، و تغییر طول موج از فرابنفش به مرئی سبب بهتر شدن همپوشی با بیشترین حساسیت در اغلب لوله‏های تکثیر کننده فوتونی می‏شود[1].
ویژگی‏های مهم بعضی سوسوزن‏های غیر آلی
NaI(Tl)
NaI(Tl) ، متداولترین سوسوزن برای پرتوهای گاماست این بلور که حاوی کسر مولی کوچک (1/0 درصد) تالیوم است اولین بار در سال 1948 میلادی توسط رابرت هافستاتر ساخته شده است [6] . تک بلورهای آن تا قطر cm 75و ضخامت cm 25 ساخته شده‏اند. چگالی وعدد اتمی بالاهمراه با حجم زیاد این بلور، آن را به صورت یک آشکار ساز با بازده بسیار بالا برای پرتوهای گاما در می‏آورد. طیف گسیلی NaI(Tl) دارای یک قله در nm 410 است، وبازده همگرایی نوری آن از همه‏ی سوسوزن‏های غیر آلی بالاتر است جدول (2-1). این ماده دارای چند ویژگی نامطلوب است. از جمله اینکه شکننده بوده وبه تغییرات دما و شوک‏های گرمایی حساس است. و نیز چنان جاذب رطوبت است که همواره باید آنرا در کپسول سر بسته‏ای نگهداشت. NaI همیشه یک مقدار کمی پتاسیوم دارد، که به دلیل وجود 40kپرتوزا در آن ، مقداری زمینه ایجاد می‏شود[4, 6].
CsI(Tl)
CsI(Tl) نسبت به NaI دارای چگالی و عدد اتمی بالاتری است، لذا بازده آن برای آشکارسازی گاما بالاتر است. در دمای اتاق، بازده تبدیل نور CsI(Tl) تقریباً 45% بازده NaI(Tl) است، در دمای نیتروژن مایع 77 درجه کلوین ، CsI خالص دارای یک نور خروجی برابر با خروجی NaI(Tl) دردمای اتاق و یک ثابت واپاشی 8-10 ثانیه است. طیف گسیلی CsI(Tl) از nm 420 تا حدودnm 600 است. CsI جاذب رطوبت نیست و بدلیل انعطاف پذیری آن نسبت به NaI، می‏تواند شوک‏ها، شتاب‏ها، وارتعاش‏های شدید ونیز شیب‏های بزرگ و تغییرهای ناگهانی دما را تحمل کند. همچنین در CsI پتاسیوم وجود ندارد و بنابراین آشکارساز به خودی خود دارای تابش زمینه نخواهد بود. این ویژگی‏ها، CsI را برای آزمایش‏های فضایی مناسب می‏سازند[4, 6, 9].
CsI(Na)
چگالی و عدد اتمی CsI(Na) با چگالی و عدد اتمی CsI(Tl) برابراست. بازده تبدیل نور آن تقریباً 85 %بازده NaI(Tl) است. طیف گسیلی آن ازnm 320 تا nm 540 گسترده است( شکل2-2). CsI(Na) تا اندازه‏ای جاذب رطوبت است[4].
CaF2(Eu)
CaF2(Eu) شامل مواد با عدد اتمی پایین است، واز این رو بازده آن برای آشکارسازی ذرات ? وپرتوهایx خوب، وحساسیت آن نسبت به گاما پایین است. این ترکیب همانند پیرکس است و می‏توان با ساییدن و جلا دادن آنرا به هر شکلی در آورد. بازده تبدیل نور CaF2(Eu) تقریباً 50 ? بازده NaI(Tl) است. طیف گسیلی آن تقریباً ازnm 405 تاnm 490 است[4].
LiI(Eu)
LiI(Eu) یک آشکار ساز کارآمد برای نوترون‏های گرمایی حاصل از طریق واکنش 63Li(n,?)31H است. ذره‏ی آلفا و تریتیم که هر دو ذرات باداری هستند، تولید سوسوزنی می‏کنند. چگالی آن kg/m3 3 10× 06/4و زمان واپاشی آن حدود µs1/1 است. این ماده بسیار جاذب رطوبت است و بر اثر تابش نوترون به آن دستخوش آسیب تابشی می‏شود[4].
شکل ‏2-2: طیف‏های گسیلی از CsI(Na)، CsI(Tl)، NaI(Tl) وآنتراسین، درمقایسه با پاسخ طیفی دو ماده‏ی کاتد (از گزارش آزمایشگاه تحقیقاتی هارشا)[4].
مکانیزم فرایند سوسوزنی
لیانی سوسوزن‏های غیرآلی را می‏توان بر مبنای نوارهای مجاز و ممنوع انرژی بلور درک کرد. حالت‏های انرژی الکترونی یک اتم در ترازهای گسسته‏ای قرار دارند که در نمودار تراز انرژی به صورت خط‏های گسسته‏ای نمایش داده می‏شوند. در یک بلور، حالت‏های مجاز انرژی پهن شده و به صورت نوارهای درمی‏آیند(شکل2-3). در حالت پایه‏ی بلور، بالاترین نوار مجاز که شامل الکترون‏هاست کاملاً پر است؛ این نوار را نوار ظرفیت می‏نامند. نوار مجاز بعدی خالی است (در حالت پایه) و نوار رسانش خوانده می‏شود. یک الکترون ممکن است انرژی کافی از تابش فرودی دریافت کند و از نوار ظرفیت به نوار رسانش برود. در آنجا، الکترون آزاد است که در هر جای در درون شبکه حرکت کند. الکترون جابجا شده از خود در نوار ظرفیت حفره‏ای باقی می‏گذارد، که آن نیز می‏تواند حرکت کند. گاهی، انرژی داده شده به الکترون کافی نیست تا آن را به نوار رسانش برساند. در عوض، از نظر الکترواستاتیکی، الکترون یاد شده در قید حفره در نوار ظرفیت باقی می‏ماند. زوج الکترون-حفره‏ای که به این ترتیب بوجود می‏آید اکسیتون نام دارد.
شکل ‏2-3 :نوارهای مجاز و ممنوع انرژی یک بلور[4].
بر حسب حالت‏های انرژی، اکسیتون با بالارفتن الکترون به حالتی بالاتر از نوار ظرفیت اما پایین‏تر از نوار رسانش هم‏خوان است. به این ترتیب، حالت‏های اکسیتونی تشکیل نوار سومی می‏دهند که بخش بالایی آن منطبق بر بخش زیرین نوار رسانش است (شکل2-3). پهنای نوار اکسیتونی از مرتبه eV1 است، در حالیکه گاف بین نوارهای ظرفیت و رسانش از مرتبه‏ی eV 8 می‏باشد. علاوه برنوار اکسیتونی، ممکن است بر اثر نقص‏ها، ناخالصی‏های بلور، حالت‏های انرژی‏ای بین نوارهای ظرفیت و رسانش خلق شوند. از همه مهم‏تر حالت‏هایی هستند که از اتم‏های فعال ساز مثل تالیوم خلق می‏شوند. اتم فعال ساز ممکن است در حالت پایه یا در یکی از حالت‏های بر انگیخته‏اش باشد. بالا رفتن به یک حالت بر انگیخته ممکن است نتیجه‏ی جذب یک فوتون یا گیراندازی یک اکسیتون یا گیراندازی پی در پی یک الکترون و یک حفره باشد. گذار اتم ناخالص از حالت بر انگیخته به حالت پایه، در صورتیکه مجاز باشد، منجر به گسیل یک فوتون در زمان‏هایی از مرتبه 8-10 ثانیه می‏شود. اگر این فوتون دارای طول موجی درناحیه مرئی الکترومغناطیسی باشد، در سوسوزنی شرکت می‏کند. بنابراین، می‏توان رویدادهایی که منجر به سوسوزنی می‏شوند را به صورت زیر خلاصه کرد[4]:
عبور تابش یون ساز از بلور
2- رفتن الکترون‏ها به نوار رسانش بالاتر
3- خلق حفره‏ها در نوار ظرفیت
4- تشکیل اکسیتون‏ها
5- جذب الکترون، حفره و اکسیتون از طرف مراکز فعال ساز و بالا رفتن به حالت‏های برانگیخته
6- گسیل فوتون و واانگیزش
نوری که بر اثر سوسوزدن گسیل می‏شود بیشتر نتیجه‏ی گذارهای اتم‏های فعال ساز است، نه اتم‏های بلور. چون بیشتر انرژی فرودی به شبکه‏ی بلور می‏رود-وسرانجام تبدیل به گرما می‏شود-پیدایش لیانی تولید شده از اتم‏های فعال ساز به معنای این است که انرژی از بلور میزبان به ناخالصی انتقال می‏یابد. برای سوسوزن‏های NaI(Tl) ، تقریباً 12% انرژی فرودی به صورت لیانی تالیوم ظاهر می‏شود[4].
مقدار نور خروجی و طول موج نور گسیل شده دو ویژگی مهم هر سوسوزن است. مقدار نور خروجی بر تعداد فوتوالکترون‏های تولید شده در ورودی لوله تکثیر کننده‏ی فوتونی اثر می‏گذارد، که این خود بر ارتفاع تپ تولید شده در خروجی دستگاه شمارنده موثر است. اطلاع از طول موج، برای همساز کردن سوسوزن با تکثیر کننده‏ی فوتون متناسب ضرورت دارد. جدول (2-1)مهمترین ویژگی‏های بعضی از سوسوزن‏های غیر آلی را نشان می‏دهد.
میزان نور خروجی سوسوزن‏ها به دما وابسته است[4, 6]. شکل(2-4)وابستگیNaI(Tl) ، CsI(Tl) وCsI(Na) را به دما نشان می‏دهد.
شکل‏2-4: وابستگی نور خروجی NaI(Tl)، CsI(Tl) و CsI(Na) به دما،(اقتباس از گزارش آزمایشگاه تحقیقاتی هرشا)[4] .
وابستگی گسیل فوتون به زمان
چون فوتون‏ها بر اثر واپاشی‏های حالت‏های بر انگیخته گسیل می شوند، زمان گسیل آنها بستگی به ثابت‏های واپاشی حالت‏های مختلف درگیر دارد. تجربه نشان می‏دهد که گسیل نور از یک قانون واپاشی نمایی به شکل
N(t)=N_0 e^(-t/T) (1-2)
پیروی می‏کند[4]، که در آن N(t) تعداد فوتون‏های گسیل شده در زمان t وT زمان واپاشی سوسوزن می‏باشد(جدول 2-1).
جدول ‏2-1:ویژگی های بعضی از سوسوزن های غیرآلی
ماده
زمان واپاشی(s?)بازده سوسوزنی
(نسبی%)بیشینه طول موج
گسیل(nm)چگالی
(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 یک دستگاه شمارنده‏ی شامل سوسوزن، نورتولید شده توسط بلور به کمک یک تکثیر کننده‏ی فوتون تقویت می‏شود و تبدیل به یک جریان الکتریکی خواهد شد که رفتار نهایی داده شده با معادله‏ی (2-1) را دارد. این جریان به مدار RC شکل (2-5) داده می‏شود، و یک تپ ولتاژ به صورت زیر تولید می‏شود[4].
(2-2) e^((-t)?RC)-e^((-t)?T)) V(t)=V_? (

شکل ‏2-5: (الف)تپ ولتاژ از جریان نمایی به دست می‏آید.(ب) شکل تپ برای RC>>T [4].
در عمل مقدار RC طوری انتخاب می‏شود که از مرتبه‏ی چند صد میکروثانیه باشد. بنابراین، برای زمان‏های کوتاه، یعنی t<<RC ، که گستره‏ی زمانی مورد نظر است. معادله (2-2) به شکل زیر در می‏آید.

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

(2-2-1) V(t)=(1-e^((-t)?T))آشکارسازهای سوسوزن
اساس کار آشکارسازهای سوسوزن، به طور خلاصه، مبتنی بر جذب انرژی از تابش یوننده و گسیل نور در ناحیه مرئی می‏باشد. مثلاً پرتو گاما از طریق برهم‏کنش‏هایی که با ماده دارد،( که در فصل بعدی توضیح داده خواهد شد)، انرژی خود را از طریق اکترون ها در محیط سوسوزن می‏گذارد. سپس انرژی الکترون‏های تولیدی به سرعت صرف یونش و تحریک ماده شده و در پی این تحریکات ماده سوسوزن با گسیل نور به حالت پایه خود باز می‏گردد. در نهایت نور تولید شده به وسیله‏ی یک لامپ تکثیرکننده‏ی فوتونی (PMT) به یک تپ الکتریکی تبدیل می‏شود که این علامت به عنوان پاسخ آشکارساز سوسوزن شناخته می‏شود. شکل (2-6) سیستم یک آشکارساز سوسوزن و الکترونیک به‏کار رفته در آن را نشان می‏دهد. در ادامه توضیح مختصری در رابطه با کار برخی از اجزای یک آشکارساز سوسوزن بیان می‏شود.
شکل ‏2-6: سیستم آشکارساز سوسوزن و الکترونیک به کار رفته در آن [1].
لامپ تکثیرکننده‏ی فوتون

دسته بندی : پایان نامه ها

پاسخ دهید