دانشکده علوم پايه- گروه فيزيک
پايان نامه ی دوره کارشناسی ارشد در رشته فيزيک هسته ای
موضوع:
تعيين ماتريس پاسخ آشکارسازهای 2 اينچی و 3 اينچی CsI(Tl) و واپيچش طيف گاماهای زمينه با استفاده از آن
اساتيد راهنما:
دکترعليرضا وجدانی نقره ئيان
دکتر محمود سخائی
استاد مشاور:
دکترعطيه ابراهيمی خانکوک
نگارنده:
بهروز محمدحسن پور
اسفند 1393
سپاسگزاری
نخستين سپاس و ستايش از آن خداوندی است که بنده کوچکش را در دريای بيکران انديشه، قطره ای ساخت تا وسعت آن را از دريچه انديشه‏های ناب آموزگارانی بزرگ به تماشا نشيند. لذا اکنون که در سایه سار بنده نوازی‏هایش پایان نامه حاضر به انجام رسیده است، برخود لازم می‏دانم تا مراتب سپاس را از بزرگوارانی به جا آورم که اگر دست یاریگرشان نبود، هرگز این پایان نامه به انجام نمی‏رسید.
ابتدا از اساتید گرانقدرم جناب آقای دکتر علیرضا وجدانی و جناب آقای دکتر محمود سخائی که زحمت راهنمایی این پایان نامه را بر عهده داشتند، کمال تشکر را دارم.
از استاد گرامی سرکار خانم دکتر عطیه ابراهیمی که زحمت مشاوره این پایان نامه را متحمل شدند، صمیمانه تشکر می‏کنم.
از دوست و همکار ارجمندم جناب آقای محمد درودی و دیگر دوستانی که مرا در انجام این تحقیق یاری نمودند، قدردانی و تشکر می‏نمایم.
سپاس آخر را به مهربانترین همراهان زندگیم، به پدر، مادر و همسر عزیزم تقدیم می‏کنم که حضورشان در فضای زندگیم مصداق بی ریای سخاوت بوده است.
پروردگارا، از تو می‏خواهم همه کسانی را که حتی ذره ای در انجام این امر مرا یاری نموده اند، در سایه لطف و محبت بی‏کرانت، سلامت، شادکام و موفق بداری.
تقدیم به پدرم
کوهی استوار و حامی من در طول تمام زندگی
تقدیم به مادرم
سنگ صبوری که الفبای زندگی را به من آموخت
تقدیم به همسرم
که در سایه همیاری و همدلی او به این منظور نائل شدم
تقدیم به فرزندان دلبندم
امید بخشان جانم که آسایش آنها آرامش من است.
چکيده
علی رغم بازده بالای آشکارسازهای حالت جامد برای آشکارسازی پرتوهای گاما، به دليل قيمت ارزان و مقاومت بالای سوسوزن‏ها، در مجموعه‏های آزمايشگاهی اغلب از آشکارسازهای سوسوزن برای طيف سنجی پرتوهای گاما استفاده مي‏شود، با اين وجود قدرت تفکيک آشکارسازهای سوسوزن چندان زياد نيست و در نتيجه طيف پرتوهای گاما اغلب دارای قله‏های پهنی می‏باشد. به منظور استخراج طيف دقيق چشمه از طيف بدست آمده از آشکارساز سوسوزن استفاده از روش‏های واپيچش طيف لازم و ضروريست. در اين پژوهش از روش ماتريس معکوس برای واپيچش طيف‏ بدست آمده توسط آشکارساز سوسوزن استفاده شده است. ماتريس معکوس مورد استفاده دارای ابعاد 76×76 بوده و در محدوده انرژی MeV 125/0 تا MeV 2 با گام انرژی MeV 025/0 می‏باشد. واپيچش بر روی طيف انرژی بدست آمده از چشمه‏های استانداردCo 60،Na 22، Cs 137 و Zn 65 توسط آشکارسازهای سوسوزن 2 اينچی و 3 اينچی CsI(Tl) انجام شده است. نتايج حاصل از واپيچش با طيف اين چشمه‏ها مطابقت خوبی دارد. در نهايت واپيچش بر روی طيف گامای زمينه بدست آمده با هر دو آشکارساز نيز انجام شده و چشمه‏های انرژی گامای موجود در طيف زمينه مشخص شده‏اند.
واژه های کليدی: آشکاساز CsI، ماتريس پاسخ، کد MCNPX، طيف نگاری گاما، واپيچش طيف گاما.
فهرست مطالب
فصل اول :مقدمه……………..………………………….……………………….1
1-1تاريخچه آشکارسازهای سوسوزن2
1-2بيان مسأله4
1-3سازماندهی مطالب5
فصل دوم:اصول آشکارسازهای سوسوزن…………..……………..…….…………….7
2-1 مقدمه8
2-2انواع سوسوزن‏ها…………………………………………………………………………..10
2-2-1 سوسوزن‏های آلی11
2-2-1-1 انواع سوسوزن‏های آلی……………………………………………………………….11
2-2-2سوسوزن‏های غيرآلی(سوسوزن‏های بلوری)12
2-2-3ويژگي‏های مهم بعضی سوسوزن‏های غير آلی13
2-3مکانيزم فرايند سوسوزنی15
2-3-1وابستگي گسيل فوتون به زمان19
2-4آشکارسازهای سوسوزن20
2-4-1لامپ تکثيرکننده‏ي فوتون21
2-4-1-1 تکثير الکترون در تکثيرکننده‏ی فوتون24
2-4-2پيش تقويت کننده24
2-4-3تقويت کننده25
2-4-4 تحليلگر چند کاناله26
2-5 مشکلات استفاده از آشکارسازهای سوسوزن26
2-5-1 چشمه‏های زمينه در آشکارسازهای سوسوزن26
2-5-2زمان مرگ شمارنده‏های سوسوزن……………………………………………………….27
2-5-3چيدمان آزمايش28
فصل سوم:طيف نگاری اشعه ی گاما………….……..……………………………..30
3-1مقدمه31
3-2بر هم‏کنش تابش گاما با ماده31
3-2-1 اثر فوتو الکتريک32
3-2-2 پراکندگی کامپتون32
3-2-3 توليد زوج35
3-3 طيف نگاری پرتو‏های X و گاما37
3-3-1 رابطه‏ی بين توزيع ارتفاع تپ و طيف انرژی38
3-3-2 قدرت تفکيک انرژی39
3-3-3 تعيين رابطه‏ی کانال-انرژی40
3- 4مدهای ذخيره‏ی انرژی درآشکارساز41
3-4-1 ذخيره‏ی انرژی توسط فوتون‏های با MeV 022/1 > E42
3-4-2 ذخيره ی انرژی توسط فوتون‏های با انرژی بزرگ تر از MeV 022/143
3-5 تابع پاسخ و ماتريس پاسخ آشکار ساز47
50……………… فصل چهارم:محاسبه ی ماتريس پاسخ آشکارسازهای 2 اينچی و 3 اينچی يدور سزيم
4-1مقدمه51
4-2اندازه‏گيری طيف چشمه‏های تک انرژی گاما51
4-2-1تعيين رابطه‏ی بين شماره‏ی کانال-انرژی52
4-2-2طيف‏های آزمايشگاهی54
4-2-3محاسبه‏ی پهنا در نيم بيشينه (FWHM)57
4-2-4محاسبه‏ی ضرايب GEB59
4-3شبيه سازی با کدmcnpx61
4-3-1ساختار فايل ورودی62
4-3-2اجرای برنامه63
4-3-3خروجی برنامه64
4-3-4مقايسه‏ی طيف‏های شبيه سازی شده با طيف‏های تجربی64
4-3-4-1مقايسه‏ی طيف‏های شبيه سازی شده با طيف‏های تجربی در آشکارساز2 اينچی………….64
4-3-4-2مقايسه‏ی طيف‏های شبيه سازی شده با طيف‏های تجربی در آشکارساز 3 اينچی67
4-4محاسبه‏ی تابع پاسخ آشکارساز2 اينچی يدور سزيم69
4-4-1محاسبه‏ی ماتريس پاسخ و ماتريس معکوس73
4-4-2واپيچش طيف‏های آزمايشگاهی76
4-4-2-1واپيچش طيف‏های آزمايشگاهی در آشکارساز 2 اينچی يدور سزيم76
4-4-2-2واپيچش طيف‏های آزمايشگاهی در آشکارساز 3 اينچی يدور سزيم81
4-4-3واپيچش طيف زمينه91
4-5جمع بندی مطالب و نتيجه‏گيری87
منابع وماخذ………………………………………………………………………………..89
فهرست شکل‏ها
شکل ‏21: فرآيندهای اساسی در يک آشکارسازی سوسوزن10
شکل ‏22: طيف‏های گسيلی از CsI(Na)، CsI(Tl)، NaI(Tl) وآنتراسين.15
شکل ‏23 :نوارهای مجاز و ممنوع انرژی يک بلور.16
شکل‏24: وابستگی نور خروجی NaI(Tl)، CsI(Tl) و CsI(Na) به دما .18
شکل ‏25: (الف)تپ ولتاژ از جريان نمايی به دست می‏آيد.(ب) شکل تپ برای RC>>T 20
شکل ‏26: سيستم آشکارساز سوسوزن و الکترونيک به کار رفته در آن.21
شکل ‏27 : نمودار طرز کار تکثير کننده‏ي فوتونی. .22
شکل ‏28: آشکارساز 2 اينچی……………………………………………………………..28
شکل ‏29: سيستم آشکارسازی استفاده شده در آزمايشگاه29
شکل ‏31: وابستگی سطح مقطع فوتوالکتريک به (الف) انرژی فوتون و (ب) عدد اتمی ماده .32
شکل ‏32: اثر کامپتون33
شکل ‏33: وابستگی سطح مقطع کامپتون به (الف) انرژی فوتون و (ب) عدد اتمی ماده.34
شکل ‏34 : توليد زوج36
شکل ‏35: وابستگی سطح مقطع توليد زوج به (الف) انرژی فوتون و (ب) عدد اتمی ماده 37
شکل ‏36 اهميت نسبی سه برهم‏کنش عمده‏ی گاما37
شکل‏37: طيف انرژی يک چشمه‏ی تک انرژی گاما 39
شکل‏38 : قدرت تفکيک انرژی آشکارساز با Г بيان می‏شود.41
شکل ‏39: فرايندهايی که در آشکاسازی پرتو گاما رخ می‏دهند.45
شکل‏310: نمونه پاسخ يک آشکارساز به پرتوهای گامای تک انرژی46
شکل‏311: طيف ارتفاع تپ اندازه گرفته شده‏ی حاصل از طيف چشمه‏ی تک انرژی 46
شکل‏41: نمودار انرژی برحسب کانال اشکار سازin 2× in 2 يدور سزيم54
شکل ‏42: طيف ازمايشگاهی Cs13755
شکل‏43: طيف آزمايشگاهی Co6055
شکل‏44: طيف آزمايشگاهی Na2256
شکل‏45: طيف آزمايشگاهی Zn6556
شکل ‏46: طيف آزمايشگاهی زمينه57
شکل ‏47: فوتوپيک شامل تابع گوسی و پس زمينه58
شکل ‏48: فوتوپيک گوسی شکل.58
شکل ‏49: نمودار برازش داده‏های تجربیFWHM با رابطه (3-18) در آشکارساز 2 اينچی60
شکل ‏410: نمودار برازش داده‏های تجربی FWHM با رابطه (3-18) در آشکارساز 3 اينچی61
شکل‏411: مقايسه‏ی طيف شبيه سازی شده CS137 و طيف تجربی65
شکل‏412: مقايسه‏ی طيف شبيه سازی شدهNa22با طيف تجربی65
شکل ‏413: مقايسه‏ی طيف شبيه سازی شده Co60 با طيف تجربی……………………………..66 شکل ‏414: مقايسه‏ی طيف شبيه سازی شده Zn65با طيف تجربی66
شکل ‏415:مقايسه‏ی طيف شبيه سازی شده Co60 با طيف تجربی67
شکل ‏416: مقايسه‏ی طيف شبيه سازی CS137 با طيف تجربی67
شکل ‏417: مقايسه‏ی طيف شبيه سازی شده Na22 با طيف تجربی68
شکل ‏418: مقايسه‏ی طيف شبيه سازی شده Zn65 با طيف تجربی68
شکل ‏419: مقايسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز 2اينچی برای انرژی keV51170
شکل ‏420: مقايسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2 اينچی برای انرژیkeV111570
شکل ‏421: مقايسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز 2اينچی برای انرژیkeV 117371
شکل ‏422: مقايسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2اينچی برای انرژی keV 127571
شکل‏423: مقايسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2اينچی برای انرژی keV 133272
شکل ‏424: مقايسه‏ی تابع پاسخ تجربی و محاسباتی آشکارساز2 اينچی برای انرژی keV 66272
شکل ‏425: طيف حاصل از ضرب ماتريس پاسخ در ماتريس چشمه تک انرژی سزيم74
شکل ‏426: طيف حاصل از ضرب ماتريس پاسخ در ماتريس چشمه دو انرژی سديم75
شکل ‏427: واپيچش طيف حاصل از ضرب ماتريس پاسخ در ماتريس چشمه تک انرژی سزيم75
شکل ‏428: واپيچش طيف حاصل از ضرب ماتريس پاسخ در ماتريس چشمه دوانرژی سديم76
شکل ‏429 الف:طيف آزمايشگاهیCs137 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 2 اينچی ب: واپيچش طيف Cs13777
شکل ‏430 الف: طيف آزمايشگاهیCo60 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 2 اينچی ب: واپيچش طيفCo6078
شکل ‏431 الف: طيف آزمايشگاهیNa22 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 2 اينچی ب: واپيچش طيفNa2279
شکل ‏432 الف: طيف آزمايشگاهی Zn65با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 2 اينچی ب: واپيچش طيفZn6580
شکل ‏433 الف: طيف آزمايشگاهیCo60 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 3 اينچی ب: واپيچش طيفCo6081
شکل ‏434 الف:طيف آزمايشگاهیCs137 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 3 اينچی ب: واپيچش طيف Cs13782
شکل ‏435 الف: طيف آزمايشگاهیNa22 با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 3 اينچی ب: واپيچش طيفNa2283
شکل ‏436 الف: طيف آزمايشگاهی Zn65با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 3 اينچی ب: واپيچش طيفZn6584
شکل ‏437 الف: طيف آزمايشگاهی زمينه با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 2 اينچی ب: واپيچش طيف زمينه85
شکل ‏438 الف: طيف آزمايشگاهی زمينه با انتخاب انرژی‏های موجود در ماتريس پاسخ آشکارساز 3 اينچی ب: واپيچش طيف زمينه86

فهرست جدول‏ها
جدول2-1:ويژگی های بعضی از سوسوزن های غيرآلی………………………………………..19
جدول ‏41:چشمه‏های طيف‏گيری شده با آشکاساز 2 اينچی در آزمايشگاه52
جدول ‏42: کاليبراسيون چند گانه53
جدول ‏43: FWHM برای چشمه‏های تک انرژی59
فصل اول
مقدمه
تاريخچه آشکارسازهای سوسوزن
در يک بلور جسم جامد، برهم‏کنش ميان 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 اين حفره می‏افتد نور گسيل می‏شود. بعضی از بلورها نسبت به اين نور شفاف هستند. بنابراين عبور ذره باردار حامل انرژی در بلور با سنتيلاسيون يا سوسوزنی نور گسيل شده از بلور علامت داده می‏شود. اين نور در يک آشکارساز سوسوزن به يک تپ الکتريکی تبديل می‏شود. نخستين جامدی که با استفاده از اين روش به عنوان يک آشکارساز ذره به کار رفت سوسوزنی بود که رادرفورد در سال 1910 ميلادی، در آزمايش‏های خود در زمينه‏ی پراکندگی ذرات آلفا مورد استفاده قرار داد. در وسيله مورد استفاده او، ذرات آلفا به يک صفحه‏ی سولفور روی برخورد کرده و توليد نور می‏کردند، و به کمک يک ميکروسکوپ شمرده می‏شدند. اين روش فوق العاده ناکارا، بی دقت و وقت‏گير بود و حدود 30 سال کنار گذاشته شد و روش استفاده از شمارنده‏های گازی که در آن شمارش به طور الکترونيکی انجام می‏شد، جانشين آن گرديد. عيب شمارنده‏های گازی بازده کم آنها برای بسياری از تابش‏های مورد نظر در فيزيک هسته‏ای است. دليل اصلی آن هم اين است که برد يک فوتون گامایMeV1 در هوا حدودm100 می‏شود. در آشکارسازهای حالت جامد به دليل چگالی‏های بيشتر نسبت به آشکارسازهای گازی، احتمال جذب در آشکارسازی با اندازه معقول افزايش می‏يابد. لذا با پيشرفت الکترونيک و دستگاه‏های تقويت نور، استفاده از سوسوزن‏های جامد رونق يافت [1]. در سال 1944 ميلادی لوکان و بيکر فتومولتی‏پلاير را جانشين روش استفاده از چشم غير مسلح نمودند و کمی بعد کالمن نفتالين را جانشين کريستال کوچک و نازک zns نمود. اين دو تغيير انقلابی را در آشکارسازی 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 برای اولين بار ثابت کرد کريستال يدور سديم، که مقدار ناچيزی تاليم به عنوان ناخالصی به آن اضافه شده است، در مقايسه با مواد آلی که ابتدا مورد توجه بودند، نور بيشتری توليد می‏کند[3]. به دنبال اين کشف آشکارسازهای سوسوزن در دهه 1950 ساخته شدند و مورد استفاده قرار گرفتند. از زمان کشف رابرت هافستادر تاکنون ترکيبات سوسوزنی مختلفی اعم از سوسوزن‏های آلی وغير آلی که دارای بهره‏ نوری و زمان واپاشی سريع هستند، در آزمايشگاه‏های مختلف مورد مطالعه قرار گرفتند2. به دليل اهميت کاربرد سوسوزن‏ها در صنعت و پزشکی دامنه تحقيق در زمينه کشف ترکيبات سوسوزنی جديد گسترده است. امروزه طيف سنجی پرتوهای گاما با استفاده از سوسوزن‏ها به يک علم جامع و پرکاربرد در بسياری از حوزه‏های تکنيکی تبديل شده است. NaI(Tl) تقريباً اولين محيط آشکارسازی جامدی بود که برای طيف سنجی پرتوهای گاما مورد استفاده قرار گرفت، و همچنان رايج‏ترين ماده سوسوزنی برای طيف سنجی پرتوهای گاماست. يدور سزيم نيز هاليد قليايی ديگری است که شهرت زيادی به عنوان يک ماده سوسوزن دارد. اين ماده به صورت تجاری هم با فعال ساز سديم و هم تاليم موجود است و ويژگی‏های سوسوزنی حاصل از اين دو حالت با يکديگر متفاوت است. مزيت CsI(Tl) نسبت به NaI(Tl) اين است که حساسيت کمتری نسبت به رطوبت داشته و سخت‏تر است،و در نتيجه توان تحمل بيشتری در برابرقرارگيری در معرض شوک‏ها و ارتعاشات شديدتر 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 همچنين می‏توان آنها را بدون خنک سازی در دمای اتاق مورد استفاده قرار داد، بنابراين می‏توانند در زمينه کاربردهای مختلف تحت شرايط آب و هوای نامطلوب استفاده شوند[5]. لذا اين سوسوزن‏ها در بسياری از کاربردهايی که قدرت تفکيک انرژی و مشخصات زمانی خوب مد نظر نيست، به وفور مورد استفاده قرار می‏گيرند[6].
بيان مسأله
يکی ار کاربردهای آشکارسازهای سوسوزن به دست آوردن طيف گاماهای حاصل از چشمه‏های مجهول، آناليز طيف حاصل از فعال سازی نوترونی و به دست آوردن طيف گاماهای زمينه است. اين در حالی است که هر آشکارساز به ازای هر چشمه تک انرژی گاما طيفی به دست می‏دهد که متناظر با انرژی فرودی و تابع پاسخ آشکار ساز است. برای به دست آوردن طيف گاماهای وارد شده به آشکارساز با استفاده از طيف حاصل از آشکارساز نياز به دانستن ماتريس پاسخ آشکارساز است. با توجه به اين که خصوصيات آشکارسازهای سوسوزن مختلف با يکديگر متفاوت است و با توجه به تاثير ساختمان آشکارساز بر طيف، لازم است که برای هر آشکارساز، ماتريس پاسخ آن معين شود. برای تعيين ماتريس پاسخ آشکارساز با انجام آزمايش‏های طيف نگاری چشمه‏های استاندارد گاما، می‏توان ضرايب گوسی شکل را به دست آورد. سپس با استفاده از اين ضرايب و اعمال آنها در شبيه سازی مونت کارلو برای طيف گسترده‏ای از انرژی‏ها عناصر ماتريس پاسخ آشکارساز به دست می‏آيد. صحت نتايج حاصل شده را می‏توان با بررسی نتيجه حاصل از واپيچش طيف انرژی به دست آمده از چشمه‏های استاندارد گاما با استفاده از معکوس ماتريس پاسخ ارزيابی کرد. پس از اطمينان از صحت نتايج، می‏توان طيف گاماهای زمينه را با استفاده از ماتريس پاسخ آشکارساز واپيچش نمود. هدف اين پژوهش تعيين ماتريس پاسخ آشکارسازهای 2 اينچی و 3 اينچی يدور سزيم و واپيچش طيف گاماهای استاندارد و گاماهای زمينه با استفاده از معکوس ماتريس پاسخ‏های بدست آمده است. با توجه به اينکه برای تعيين ابعاد ماتريس پاسخ و ماتريس معکوس بايد محدوده‏ی انرژی چشمه های تک انرژی استفاده شده و بازه بندی انرژی در شبيه سازی مونت کارلو را در نظر گرفت در اين کار ابعاد 76×76 برای ماتريس پاسخ و ماتريس وارون در نظر گرفته شده است.
سازماندهی مطالب
در فصل اول تلاش شد که تاريخه مختصری در رابطه با ساخته شدن آشکارسازهای سوسوزن ودلايل استفاده از اين آشکارسازها بيان شود. در ادامه لزوم محاسبه ماتريس پاسخ و ماتريس معکوس هر آشکارساز سوسوزن برای واپيچش طيف‏ها و هدف اين پايان نامه بيان شده است.
در فصل دوم اصول آشکارسازهای سوسوزن و مکانيزم فرايند سوسوزنی در آنها به اختصار توضيح داده می‏شود. در فصل سوم نيز تلاش می‏شود برهم‏کنش‏های اشعه گاما با ماده و همچنين طيف نگاری پرتوهای X و گاما بررسی شود.
فصل چهارم به ذکر فعاليت‏های تجربی انجام شده در حيطه اين پايان نامه اختصاص دارد. اين فصل با ذکرآزمايش‏های انجام شده جهت گرفتن طيف حاصل از چشمه‏های استاندارد گامای موجود در آزمايشگاه هسته‏ای دانشگاه با آشکارسازهای 2 اينچی و 3 اينچی يدور سزيم شروع می‏شود. در ادامه نحوه محاسبه پهنای قله در نيم بيشينه (FWHM3) وضرايب پهن شدگی گاوسی انرژی(GEB4) بيان می‏شود. سپس با مقايسه طيف‏های حاصل از شبيه سازی با کدmcnpx وطيف‏های آزمايشگاهی چشمه‏ها از صحت ضرايب GEB اطمينان حاصل کرده وبا استفاده از FWHM هر چشمه، تابع پاسخ آشکارسازها به ازای انرژی‏های مختلف تعيين شده است. نهايتاً ماتريس پاسخ آشکارسازها محاسبه و واپيچش طيف گاماهای استاندارد و گاماهای زمينه با استفاده از معکوس ماتريس پاسخ بدست آمده انجام شده است. برای جلوگيری از تکرار مطالب روند کار در رابطه با آشکارساز 2 اينچی به طور کامل شرح داده شده و فقط نتايج حاصل از آشکارساز 3 اينجی بيان شده است. درآخر اين فصل به جمع بندی مطالب و نتايج حاصله پرداخته می‏شود.
فصل دوم
اصول آشکارسازهای سوسوزن
مقدمه
آشکارسازی پرتوهای يوننده توسط نور سوسوزنی ايجاد شده در برخی از مواد، يکی از قديمی‏ترين روش‏های ثبت اين پرتوهاست. فرايند سوسوزنی يکی از مفيدترين روش‏های موجود برای آشکارسازی و طيف نگاری طبقه وسيعی از پرتوها به شمار مي‏آيد. در اين فصل، انواع مختلف سوسوزن‏ها مورد بررسی قرار می‏گيرند. همچنين توضيحاتی در باره لامپ‏های تکثيرکننده‏ی فوتون، فوتوديودها که برای تبديل نور مرئي به پالس الکتريکی مورد نياز هستند و تقويت کننده‏ها که در آشکارسازهای سوسوزن مورد استفاده قرار می‏گيرند ارائه می‏شود.
يک سوسوزن ايده‏آل، بايد دارای ويژگی‏های زير باشد:
انرژی جنبشی ذرات باردار را با بازده سوسوزنی بالايی به نور قابل آشکارسازی تبديل کند.
اين تبديل بايد خطي باشد (بهره نوری بايد تا حد امکان در يک بازۀ وسيع، متناسب با انرژی ذخيره شده باشد).
برای جمع‏آوری مناسب نور، محيط سوسوزنی بايد نسبت به طول موج گسيلی خود شفاف باشد.
زمان واپاشی ليانی القا شده بايد کوتاه باشد تا پالس‏های سريعی توليد شود.
ماده سوسوزنی بايد کيفيت نوری خوبی داشته باشد و در ابعاد به اندازه کافی بزرگ ساخته شود تا به عنوان يک آشکارساز عملی مد نظر قرار گيرد.
ضريب شکست آن بايد نزديک به ضريب شکست شيشه باشد (حدود 5/1) تا نور سوسوزنی به طور مؤثری با لامپ تکثيرکننده فوتون يا هر حسگر نوری ديگر جفت شود.
هيچ ماده‏ای همزمان دارای تمامی اين معيارها نيست و انتخاب يک سوسوزن خاص توافقی بين اين معيارها و عوامل ديگر است. گسترده‏ترين سوسوزن‏های مورد استفاده شامل کريستال‏های هاليد قليايی5 غيرآلي که در بين آنها يدور سديم و يدور سزيم بيشتر مورد نظر هستند، مايع‏ها و پلاستيک‏ها آلی می‏باشند. مواد غير آلی از نظر نور خروجی و خطي بودن بهترين هستند، اما عموماً دارای زمان پاسخ نسبتاً کندی می‏باشند. سوسوزن‏های آلی نسبتاً سريع‏تر هستند، اما دارای بهره نوری کمتری می‏باشند. به طور کلی کاربرد مورد نظر نيز تاثير زيادی بر انتخاب سوسوزن مورد استفاده دارد[6].
کل فرآيندهای اساسی در يک آشکارساز سوسوزن را می‏توان با توجه به شکل (2-1) به طريق زير درک کرد:
تابش فرودی وارد آشکارساز می‏شود وطی برهم‏کنش‏های بسيار متعدد سبب برانگيزش اتم‏ها به حالات بر انگيخته مي‏شود.
حالات برانگيخته به سرعت نور مرئی (يا نزديک به مرئی) گسيل می‏کنند؛ چنين ماده‏ای را فلوئورسان می‏نامند.
نور به سطحی که نسبت به فوتون‏ها حساسيت دارد می‏تابد و حداکثر يک فوتوالکترون به ازای هر فوتون توليد می‏شود.
اين الکترون‏های ثانويه تکثير می‏شوند، شتاب می‏گيرند، ودر لوله تکثير کننده فوتونی (PMT6) به صورت تپ خروجی در می‏آيند[1].
شکل ‏21: فرآيندهای اساسی در يک آشکارسازی سوسوزن[1].
انواع سوسوزن‏ها
مواد سوسوزن از نظر فيزيکی به صورت جامدهای بلوری، مايع و گاز وجود دارند که هر کدام ويژگي‏های مختص به خود را دارند؛ مثلاً بلورهای سوسوزن از بازده آشکارسازی بالايی برای پرتوهای گاما برخوردارند. در عوض سوسوزن‏های گازی، که مخلوط‏هايی از گازهای بی اثر هستند، برای آشکارسازی ذرات باردار سنگين مانند ذرات آلفا و پاره‏های شکافت مفيد هستند. سوسوزن‏های مايع برای اندازه‏گيري‏هايی که در آنها به آشکارساز با حجم بالا برای افزايش بازده آشکارسازی مورد نياز است، مانند آشکارسازی پرتوهای کيهانی واندازه‏گيری طيف انرژی نوترون‏های پرانرژی، بسيار مفيد هستند[7].
از نظر شيميايی سوسوزن‏ها به دو دسته سوسوزن‏های آلی و غيرآلی تقسيم می‏شوند. با توجه به اينکه در اين پژوهش از سوسوزن غيرآلی استفاده شده است، لذا سوسوزن‏های آلی به طور مختصر توضيح داده شده و سعی می‏شود مکانيزم فرايند سوسوزنی در سوسورن‏های غيرآلی بطور کامل بيان شود.
سوسوزن‏های آلی
مواد سوسوزن آلی از ترکيبات هيدروکربنی، که غالباً شامل حلقه‏های بنزنی هستند، تشکيل شده اند. از نظر فيزيکی به سه شکل مايع آلی، بلورهای آلی و پلاستيکی وجود دارند. يکی از مهمترين وجوه تمايز آنها با سوسوزن‏های غير آلی در زمان پاسخ بسيار کوتاه سوسوزن‏های آلی است[3].
انواع سوسوزن‏های آلی
1.کريستال‏های آلی خاص
سوسوزن‏های آلی بلورين به صورت خالص ساخته می‏شوند، چون ورود ناخواسته هرگونه ناخالصی می‏تواند موجب کاهش نور خروجی شود. برای تقويت نور خروجی سوسوزن و همچنين تغيير طول موج گسيلی آن جهت ايجاد همخوانی با حساسيت فوتوکاتد گاهی مقدار کمی ناخالصی به ساختار بلور وارد می‏کنند[8]. آنتراسين يکی از قديمی‏ترين مواد آلی مورد استفاده در اهداف سوسوزنی است و دارای بالاترين بازده سوسوزنی در بين مواد آلی است (بيشترين نور خروجی به ازای واحد انرژی). ترانس استيلبن نمونه ديگری از سوسوزن‏های آلی بلوری است که پاسخ زمانی خيلی کوتاه حدود 4 تا 8 نانوثانيه دارد. هر دو ماده نسبتاً شکننده بوده و ساخت آن‏ها در ابعاد بزرگ سخت است[6].
2. محلول‏های آلی مايع
سوسوزن‏های مايع آلی محلول‏های از يک حلال و يک يا چند محلول تشکيل شده‏اند. تولوئن و زايلن7 از حلال‏های متداول، و پاراترفنيل8، PBD و POPOP مواد محلول متداول هستند. در سوسوزن‏های دوتايی انرژی تابش فرودی غالباً توسط حلال جذب شده و طي يک انتقال انرژی موثر به محلول، موجب ليانی ترکيب می‏شود(مانند مورد بلور سوسوزن و فعال ساز در مواد غير آلی). افزودن يک محلول ثانويه می‏تواند موجب جابجايی در طول موج گسيل ماکزيمم و همچنين افزايش نور خروجی شود. سوسوزن تجاری NE213 نمونه‏ای از سوسوزن‏های مايع است[4].
3. سوسوزن‏های پلاستيک
سوسوزن‏های پلاستيکی به صورت محلول‏های جامدی از مواد آلی هستند که به صورت پليمر در آورده می‏شوند. به دليل سهولت در شکل‏ دهی و ساخت آنها، سوسوزن‏های پلاستيکی شکل مفيدی از سوسوزن‏های آلی هستند، سوسوزن‏های NE102و NE110از جمله پلاستيک‏های متداول هستند. چون اين مواد نسبتاً ارزان هستند، در صورت نياز به سوسوزن‏های جامد در حجم بالا، تنها گزينه عملی، سوسوزن‏های پلاستيکی هستند[4, 6].
سوسوزن‏های غيرآلی(سوسوزن‏های بلوری)
بيشتر سوسوزن‏های غيرآلی، بلورهای فلزات قليايی به ويژه يدروهای قليايی هستند، که مقدار کمی از يک ناخالصی را در بر دارند. ترکيب‏های NaI(Tl)، CsI(Tl)، CaI(Na)، LiI(Eu)، CaF2(Eu) از اين دسته می‏باشند. سوسوزن بايد بسبت به تابش خود شفاف باشد. برای حصول به شفافيت بايد با تک بلور سروکار داشته باشيم، زيرا وجود بازتاب و جذب در سطوح بلور، سوسوزن چند بلوری را بی‏مصرف می‏کند. عنصر داخل پرانتز همان ناخالصی يا فعال ساز است که عموماً غلظت نسبتاً کمی دارد. مثلاً غلظت تاليوم در NaI(Tl) برپايه‏ی3-10 بر مول است. با اين حال، وجود ناخالصی سبب ليانی بلور می‏شود. فعال کننده باعث می‏شود حالت‏های جديدی در گاف انرژی 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 مرئی) در NaI(Tl) منتقل می‏شود. اين انرژی نمی‏تواند در NaI(Tl) جذب شود، زيرا حالات پايه فعال کننده الکترون ندارند، و تغيير طول موج از فرابنفش به مرئی سبب بهتر شدن همپوشی با بيشترين حساسيت در اغلب لوله‏های تکثير کننده فوتونی می‏شود[1].
ويژگي‏های مهم بعضی سوسوزن‏های غير آلی
NaI(Tl)
NaI(Tl) ، متداولترين سوسوزن برای پرتوهای گاماست اين بلور که حاوی کسر مولی کوچک (1/0 درصد) تاليوم است اولين بار در سال 1948 ميلادی 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 زياد اين بلور، آن را به صورت يک آشکار ساز با بازده بسيار بالا برای پرتوهای گاما در می‏آورد. طيف گسيلی NaI(Tl) دارای يک قله در nm 410 است، وبازده همگرايی نوری آن از همه‏ی سوسوزن‏های غير آلی بالاتر است جدول (2-1). اين ماده دارای چند ويژگی نامطلوب است. از جمله اينکه شکننده بوده وبه تغييرات دما و شوک‏های گرمايی حساس است. و نيز چنان جاذب رطوبت است که همواره بايد آنرا در کپسول سر بسته‏ای نگهداشت. NaI هميشه يک مقدار کمی پتاسيوم دارد، که به دليل وجود 40kپرتوزا در آن ، مقداری زمينه ايجاد 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 تبديل نور CsI(Tl) تقريباً 45% بازده NaI(Tl) است، در دمای نيتروژن مايع 77 درجه کلوين ، CsI خالص دارای يک نور خروجی برابر با خروجی NaI(Tl) دردمای اتاق و يک ثابت واپاشی 8-10 ثانيه است. طيف گسيلی CsI(Tl) از nm 420 تا حدودnm 600 است. CsI جاذب رطوبت نيست و بدليل انعطاف پذيری آن نسبت به NaI، می‏تواند شوک‏ها، شتاب‏ها، وارتعاش‏های شديد ونيز شيب‏های بزرگ و تغييرهای ناگهانی دما را تحمل کند. همچنين در CsI پتاسيوم وجود ندارد و بنابراين آشکارساز به خودی خود دارای تابش زمينه نخواهد بود. اين ويژگي‏ها، CsI را برای آزمايش‏های فضايی مناسب می‏سازند[4, 6, 9].
CsI(Na)
چگالی و عدد اتمی CsI(Na) با چگالی و عدد اتمی CsI(Tl) برابراست. بازده تبديل نور آن تقريباً 85 %بازده NaI(Tl) است. طيف گسيلی 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 پايين است، واز اين رو بازده آن برای آشکارسازی ذرات ر وپرتوهایx خوب، وحساسيت آن نسبت به گاما پايين است. اين ترکيب همانند پيرکس است و می‏توان با ساييدن و جلا دادن آنرا به هر شکلی در آورد. بازده تبديل نور CaF2(Eu) تقريباً 50 بازده NaI(Tl) است. طيف گسيلی آن تقريباً ازnm 405 تاnm 490 است[4].
LiI(Eu)
LiI(Eu) يک آشکار ساز کارآمد برای نوترون‏های گرمايی حاصل از طريق واکنش 63Li(n,L)31H است. ذره‏ی آلفا و تريتيم که هر دو ذرات باداری هستند، توليد سوسوزنی می‏کنند. چگالی آن kg/m3 3 10× 06/4و زمان واپاشی آن حدود µs1/1 است. اين ماده بسيار جاذب رطوبت است و بر اثر تابش نوترون به آن دستخوش آسيب تابشی می‏شود[4].
شکل ‏22: طيف‏های گسيلی از CsI(Na)، CsI(Tl)، NaI(Tl) وآنتراسين، درمقايسه با پاسخ طيفی دو ماده‏ی کاتد (از گزارش آزمايشگاه تحقيقاتی هارشا)[4].
مکانيزم فرايند سوسوزنی
ليانی سوسوزن‏های غيرآلی را مي‏توان بر مبنای نوارهای مجاز و ممنوع انرژی بلور درک کرد. حالت‏های انرژی الکترونی يک اتم در ترازهای گسسته‏ای قرار دارند که در نمودار تراز انرژی به صورت خط‏های گسسته‏ای نمايش داده می‏شوند. در يک بلور، حالت‏های مجاز انرژی پهن شده و به صورت نوارهای درمی‏آيند(شکل2-3). در حالت پايه‏ی بلور، بالاترين نوار مجاز که شامل الکترون‏هاست کاملاً پر است؛ اين نوار را نوار ظرفيت می‏نامند. نوار مجاز بعدی خالی است (در حالت پايه) و نوار رسانش خوانده می‏شود. يک الکترون ممکن است انرژی کافی از تابش فرودی دريافت کند و از نوار ظرفيت 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 ظرفيت حفره‏ای باقی می‏گذارد، که آن نيز می‏تواند حرکت کند. گاهی، انرژی داده شده به الکترون کافی نيست تا آن را به نوار رسانش برساند. در عوض، از نظر الکترواستاتيکی، الکترون ياد شده در قيد حفره در نوار ظرفيت باقی می‏ماند. زوج الکترون-حفره‏ای که به اين ترتيب بوجود می‏آيد اکسيتون نام دارد.
شکل ‏23 :نوارهای مجاز و ممنوع انرژی يک بلور[4].
بر حسب حالت‏های انرژی، اکسيتون با بالارفتن الکترون به حالتی بالاتر از نوار ظرفيت اما پايين‏تر از نوار رسانش هم‏خوان است. به اين ترتيب، حالت‏های اکسيتونی تشکيل نوار سومی می‏دهند که بخش بالايی آن منطبق بر بخش زيرين نوار رسانش است (شکل2-3). پهنای نوار اکسيتونی از مرتبه eV1 است، در حاليکه گاف بين نوارهای ظرفيت و رسانش از مرتبه‏ی eV 8 می‏باشد. علاوه برنوار اکسيتونی، ممکن است بر اثر نقص‏ها، ناخالصی‏های بلور، حالت‏های انرژی‏ای بين نوارهای ظرفيت و رسانش خلق شوند. از همه مهم‏تر حالت‏هايی هستند که از اتم‏های فعال ساز مثل تاليوم خلق می‏شوند. اتم فعال ساز ممکن است در حالت پايه يا در يکی از حالت‏های بر انگيخته‏اش باشد. بالا رفتن به يک حالت بر انگيخته ممکن است نتيجه‏ی جذب يک فوتون يا گيراندازی يک اکسيتون يا گيراندازی پی در پی 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 زمان‏هايی از مرتبه 8-10 ثانيه می‏شود. اگر اين فوتون دارای طول موجی درناحيه مرئی الکترومغناطيسی باشد، در سوسوزنی شرکت می‏کند. بنابراين، می‏توان رويدادهايی که منجر به سوسوزنی می‏شوند 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 حالت‏های برانگيخته
6- گسيل فوتون و واانگيزش
نوری که بر اثر سوسوزدن گسيل می‏شود بيشتر نتيجه‏ی گذارهای اتم‏های فعال ساز است، نه اتم‏های بلور. چون بيشتر انرژی فرودی به شبکه‏ی بلور می‏رود-وسرانجام تبديل به گرما می‏شود-پيدايش ليانی توليد شده از اتم‏های فعال ساز به معنای اين است که انرژی از بلور ميزبان به ناخالصی انتقال می‏يابد. برای سوسوزن‏های NaI(Tl) ، تقريباً 12% انرژی فرودی به صورت ليانی تاليوم ظاهر می‏شود[4].
مقدار نور خروجی و طول موج نور گسيل شده دو ويژگی مهم هر سوسوزن است. مقدار نور خروجی بر تعداد فوتوالکترون‏های توليد شده در ورودی لوله تکثير کننده‏ی فوتونی اثر می‏گذارد، که اين خود بر ارتفاع تپ توليد شده در خروجی دستگاه شمارنده موثر است. اطلاع از طول موج، برای همساز کردن سوسوزن با تکثير کننده‏ی فوتون متناسب ضرورت دارد. جدول (2-1)مهمترين ويژگي‏های بعضی از سوسوزن‏های غير آلی را نشان می‏دهد.
ميزان نور خروجی سوسوزن‏ها به دما وابسته است[4, 6]. شکل(2-4)وابستگیNaI(Tl) ، CsI(Tl) وCsI(Na) را به دما نشان می‏دهد.
شکل‏24: وابستگی نور خروجی NaI(Tl)، CsI(Tl) و CsI(Na) به دما،(اقتباس از گزارش آزمايشگاه تحقيقاتی هرشا)[4] .
وابستگي گسيل فوتون به زمان
چون فوتون‏ها بر اثر واپاشی‏های حالت‏های بر انگيخته گسيل می شوند، زمان گسيل آنها بستگی به ثابت‏های واپاشی حالت‏های مختلف درگير دارد. تجربه نشان می‏دهد که گسيل نور از يک قانون واپاشی نمايی به شکل
N(t)=N_0 e^(-t/T) (1-2)
پيروی می‏کند[4]، که در آن N(t) تعداد فوتون‏های گسيل شده در زمان t وT زمان واپاشی سوسوزن می‏باشد(جدول 2-1).
جدول ‏21:ويژگی های بعضی از سوسوزن های غيرآلی
ماده
زمان واپاشی(sμ)بازده سوسوزنی
(نسبی%)بيشينه طول موج
گسيل(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 يک دستگاه شمارنده‏ی شامل سوسوزن، نورتوليد شده توسط بلور به کمک يک تکثير کننده‏ی فوتون تقويت می‏شود و تبديل به يک جريان الکتريکی خواهد شد که رفتار نهايی داده شده با معادله‏ی (2-1) را دارد. اين جريان به مدار RC شکل (2-5) داده می‏شود، و يک تپ ولتاژ به صورت زير توليد می‏شود[4].
(2-2) e^((-t)⁄RC)-e^((-t)⁄T)) V(t)=V_∞ (

شکل ‏25: (الف)تپ ولتاژ از جريان نمايی به دست می‏آيد.(ب) شکل تپ برای RC>>T [4].
در عمل مقدار RC طوری انتخاب می‏شود که از مرتبه‏ی چند صد ميکروثانيه باشد. بنابراين، برای زمان‏های کوتاه، يعنی t<<RC ، که گستره‏ی زمانی مورد نظر است. معادله (2-2) به شکل زير در می‏آيد.
(2-2-1) V(t)=(1-e^((-t)⁄T))آشکارسازهای سوسوزن
اساس کار آشکارسازهای سوسوزن، به طور خلاصه، مبتنی بر جذب انرژی از تابش يوننده و گسيل نور در ناحيه مرئی مي‏باشد. مثلاً پرتو گاما از طريق برهم‏کنش‏هايی که با ماده دارد،( که در فصل بعدی توضيح داده خواهد شد)، انرژی خود را از طريق اکترون ها در محيط سوسوزن می‏گذارد. سپس انرژی الکترون‏های توليدی به سرعت صرف يونش و تحريک ماده شده و در پی اين تحريکات ماده سوسوزن با گسيل نور به حالت پايه خود باز مي‏گردد. در نهايت نور توليد شده به وسيله‏ی يک لامپ تکثيرکننده‏ی فوتونی (PMT) به يک تپ الکتريکی 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 می‏دهد. در ادامه توضيح مختصری در رابطه با کار برخی از اجزای يک آشکارساز سوسوزن بيان می‏شود.
شکل ‏26: سيستم آشکارساز سوسوزن و الکترونيک به کار رفته در آن [1].
لامپ تکثيرکننده‏ي فوتون
لامپ تکثيرکننده‏ی فوتون يا لامپ نور بخشی از يک شمارنده‏ی سوسوزن است که وظيفه تقويت نور حاصل از سوسوزنی را بر عهده دارد. تکثير کننده‏ی فوتون اصولاً يک تقويت کننده‏ی سريع است، که در زمانی در حدود s 9-10 يک تپ فرودی نور مرئی را با ضريب 106 يا بيشتر تقويت می‏کند. تکثير کننده‏ی فوتون از يک لوله‏ی شيشه‏ای تهی از هوا، يک فوتو کاتد در ورودی، و چندين داينود در درون ساخته می‏شود(شکل2-7). فوتون‏های توليد شده در سوسوزن، وارد لامپ شده و به صفحه‏ی فوتوکاتد برخورد می‏کند. فوتوکاتد از ماده‏ای ساخته می‏شود که نور را دريافت کرده و الکترون گسيل می‏کند. الکترون‏های گسيلی از فوتوکاتد به ياری يک ميدان الکتريکی به سوی اولين داينود که با يک ماده تکثير کننده الکترون اندود شده است، راهنمايی می‏شوند.
شکل ‏27 : نمودار طرز کار تکثير کننده‏ي فوتونی. الکترون‏های رها شده از کاتد در اولين داينود جذب و چند برابر می‏شوند . هر داينود در پتانسيلی بالاتر از داينود قبلی قرار دارد ، يک لوله می‏تواند 10 تا 14 داينود داشته باشد. در هر مرحله ، تعداد الکترون‏ها با ضريبی از مرتبه 5 افزايش می‏يابد[1].
الکترون‏های ثانويه از اولين داينود به سوی داينود دوم، وازآنجا به سومی حرکت می‏کنند اين روند تا رسيدن الکترون به آخرين داينود ادامه دارد. لامپ‏های تکثير کننده‏ی تجارتی ممکن است تا 15 داينود داشته باشند. الکترون‏های توليد شده در لامپ تکثير کننده توسط يک ميدان الکتريکی، که با اعمال يک پتانسيل مثبت بر هر داينود تامين می‏شود، از يک داينود به داينود ديگر راهنمايی می‏شوند. اختلاف پتانسيل بين دو داينود متوالی از مرتبه‏ی 80 تا 120 ولت است.
ماده‏ی فوتوکاتد که در بيشتر لامپ‏های تکثيرکننده‏ی تجاری به کار می‏رود ترکيبی از سزيم و آنتيموان (Cs – Sb) می‏باشد. ماده‏ای که برای اندودن داينودها به کار می‏رود يا (Cs – Sb)يا نقره و منيزيم (Ag- Mg) است. آهنگ گسيل الکترون‏های ثانوی داينودها نه تنها به نوع سطح بستگی دارد بلکه به ولتاژ اعمال شده هم وابسته است. يک پارامتر مهم هر لامپ تکثير کننده، حساسيت طيفی فوتوکاتد آن است. برای رسيدن به بهترين نتيجه‏ها، طيف سوسوزن بايد با حساسيت فوتوکاتد هم‏خوانی داشته باشد. ترکيب سزيم و آنتيموان درnm 440 دارای بيشترين حساسيت است که به خوبی با پاسخ طيفی بيشتر سوسوزن‏ها همساز است.
پارامتر مهم ديگر تکثيرکننده‏ی فوتون، اندازه‏ی جريان در تاريکی آن است. جريان در تاريکی بيشتر از الکترون‏هايی تشکيل می‏شود که پس از جذب انرژی گرمايی به وسيله‏ی کاتد تشکيل می‏شوند. اين فرايند به گسيل گرمايونی معروف است، و يک فوتوکاتد به قطر mm 50 ممکن است درتاريکی و در دمای اتاق تا 105 الکترون در هر ثانيه آزاد کند. سرد کردن کاتد، اين چشمه نوفه را به ازای هر 10 تا 15 درجه کاهش در دما، تقريباً نصف می‏کند.
يادآوری می‏شود که الکترون‏ها از يک داينود به داينود ديگر توسط يک ميدان الکتريکی راهنمايی می‏شوند. اگر ميدان مغناطيسی حضور داشته باشد، ممکن است الکترون‏ها را به گونه‏ای منحرف کند که همه‏ی آن‏ها به داينود ديگر برخورد نکنند، و تقويت کاهش يابد. حتی ميدان مغناطيسی ضعيف زمين ممکن است گاهی موجب اين اثر ناخواسته شود. تاثير ميدان مغناطيسی را می‏توان با پوشاندن لامپ تکثير کننده با يک ورقه‏ی استوانه‏ای فلزی موسوم به فلز µ ، به کمينه رساند. فلز µ را می‏شود در شکل‏ها و اندازه‏های مختلف از بازار تهيه نمود[4].
تکثير الکترون در تکثيرکننده‏ی فوتون
ضريب تکثير را در يک لامپ تکثير کننده‏ی فوتون می‏توان به صورت زير نوشت.
M=(θϵ)n (2-3)
که در آن n تعداد داينودها می‏باشد. کميت ϵ به شکل هندسی داينودها وکميت θ به ولتاژ بين داينودهای پی در پی و جنس داينودها بستگی دارد. در لامپ‏های تجاری، تعداد داينودها 10 يا بيشتر است. اگر فرض کنيم 10n= و4 ϵθ= باشد. مقدار M برابر 106 می‏شود.
برای طيف سنجي‏های انرژی، دو ويژگی مهم خطی بودن و پايداری را بايد مورد توجه قرار داد. خطی بودن به



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید