دتکتورها یا آشکارسازهای تشعشع که به سنسورهای تشعشع نیز معروف هستند، المان هایی می‌باشند که میزان تشعشعات را اندازه‌گیری می‌کنند.
در این مقاله نگاهی گذرا به این نوع سنسورها و طرز کارشان خواهیم داشت، اما پیش از صحبت در مورد انواعسنسورهای تششع، اطلاعات پایه‌ای را در مورد تشعشع و انواع آن در اختیار شما می‌گذاریم.
اصول پایه تشعشع
تشعشع می‌تواند به عنوان یک انرژی در نظر گرفته شود که به صورت پرتو یا ذراتی با سرعت فوق العاده بالا حرکت می‌کند. در مدل کلاسیک ساختار اتم، اتم از ذرات کوچک‌تر دیگری تشکیل شده‌است. مانند پروتون و نوترون که در هسته اتم قرار گرفته اند و الکترون‌ها حول آن می چرخند. اتم ممکن است به تدریج دچار فروپاشی شود و انرژی را به صورت تششع انتشار دهد چرا که ممکن است شرایط هسته ناپایدار باشد و با تشعشع ذرات اضافی بخواهد خودش را به حالت پایدار برساند.
انواع تشعشع
انواع مختلفی از تشعشع در طبیعت وجود دارد که می‌تواند به دو گروه پایه دسته بندی شود:
- تشعشع الکترومغناطیسی: که می‌تواند به صورت انتشار انرژی خالص در نظر گرفته شود. به عنوان مثال، امواج رادیویی، نور خورشید و اشعه x از این دسته می‌باشد.
- تشعشع ذرات: که در آن ذراتی که به سرعت حرکت می‌کنند دارای انرژی و جرم هستند. در این نوع از تشعشع ممکن است ذرات آلفا، بتا یا نوترون رها شوند.
تشعشع یونیزان و غیر یونیزان
اتم می تواند با جذب یک نوترون اضافی ناپایدار شود که به این فرایند شکافت هسته ای (nuclear fission) گفته می‌شود. این فرایند تشعشعات زیادی را به صورت انرژی و ذرات نوترون به وجود می‌آورد.
یک دسته‌بندی دیگر برای تشعشعات، تشعشعات یونیزه‌کننده (یونیزان) و غیر یونیزه‌کننده است. تفاوت بین تشعشع یونیزه کننده و غیر یونیزه کننده در ظرفیت اشعه برای باردار کردن موادی است که از آنها عبور می‌کند. تشعشعات غیریونیزه کننده می‌توانند انرژی را به ماده‌ای که از آن عبور می کنند انتقال دهند، اما از آن جایی که انرژی نسبتا پایینی دارند قابلیت شکستن پیوندهای مولکولی را ندارند و نمی‌توانند الکترون‌ها را از اتم ها جدا کنند.
اما تشعشعات یونیزه کننده، انرژی فوق العاده زیادی دارند و می توانند پیوندهای مولکولی را تخریب کنند. حتی ممکن است الکترون ها از اتم هایشان جدا شوند و در این حالت یون تولید می شود که وجود آن ممکن است برای حیوانات، گیاهان و انسان‌ها مضر باشد.
به دلیل ریسک‌های قرار گرفتن در معرض تششعات یونیزه کننده، اکثر سنسورها نسبت به این نوع تشعشع حساس هستند. به همین دلیل در این مقاله به طور ویژه به سنسورهایی پرداخته شده که نسبت به این نوع تشعشع حساس هستند. بقیه گونه‌های سنسورهای تششع مانند دتکتورهای EMI/EMF، دتکتورهای تشعشعات خورشیدی، UVA/UVB و میدان مغناطیسی در این مقاله گنجانده نشده‌اند.
تشعشعات یونیزه کننده به دو دسته تشعشعات الکترومغناطیسی و ذره‌ای که در بالا به آن اشاره شد تقسیم می‌شوند. اشعه‌های یونیزه ذره‌ای خود به چند زیر دسته تقسیم می شوند:
- ذرات آلفا
- ذرات بتا
- نوترون ها
- اشعه X
- اشعه گاما
ذرات آلفا
ذرات آلفا انرژی پایینی دارند و ذرات دارای بارالکتریکی می توانند از موادی که در طبیعت وجود دارند یا المان هایی مصنوعی تشعشع کنند. اغلب تشعشعات آلفا قابلیت محدودی برای نفوذ به مواد دارند و به راحتی می‌توانند توسط یک برگ کاغذ متوقف شوند یا حتی یک لایه هوا نیز می‌تواند آنها متوقف کند. اما اگر این ذرات استنشاق یا بلعیده شوند، ممکن است انسان را دچار مشکلات زیادی کنند.
ذرات بتا
تششع ذرات بتا می‌تواند از منابعی مانند استرانتیوم 90 (Strontium 90) صورت بگیرد. این ذرات از ذرات آلفا سبک‌تر می باشد. بنابراین می‌توانند مسافت بیشتری را بپیمایند و به پوست نفوذ کنند اما به راحتی و به وسیله‌ی یک تکه چوب، فلز یا پلاستیک متوقف می‌شوند.
نوترون ها
تشعشعات نوترونی گونه‌ی دیگری از تشعشعات هستند که سرعت فوق العاده زیادی دارند و نه تنها به راحتی به مواد نفوذ می‌کنند,؛ بلکه می‌توانند با فعالسازی نوترون‌های مواد آن ها را نیز رادیواکتیو کنند. اغلب تشعشعات نوترونی در راکتورهای هسته‌ای به وقوع می پیوندد که توسط دیوارهای بتنی متوقف می شوند. البته می‌توان با لایه ضخیمی از آب نیز جلوی تشعشعات راکتورها را گرفت.
اشعه x و گاما
هر دو اشعه x و گاما از دسته‌ی تشعشعات الکترومغناطیسی هستند که با سرعت نور حرکت می‌کنند و به راحتی می‌توانند به مواد نفوذ کنند چرا که سطح انرژی فوق العاده زیادی دارند. در طیف الکترومغناطیسی اشعه x و گاما، طول موجی کمتر از اشعه فرابنفش دارند و فرکانس آنها فوق العاده زیاد است. المان‌های فوق العاده متراکم مانند قلع می‌توانند از این نوع تشعشع‌ها جلوگیری کنند.
اندازه گیری میزان تشعشع
راه های زیادی برای اندازه گیری سطح تششع وجود دارد و با در نظر گرفتن وسیله و نوع تششعی که اندازه گیری می شود، یکاهای مختلفی برای اندازه گیری به وجود آمده. اندازه گیری های رایج برای تششع شامل موارد زیر می شود:
- سطوح اختصاصی انرژی تشعشع ( واحد اندازه‌گیری MV یا KV)
- CPS یا تعداد بر واحد زمان (ثانیه یا دقیقه)
- تعداد Roentgen ها در هوا در حسب زمان (milliRoentgen-nR/hr) (یک Ronetgen میزان اشعه گاما یا x می باشد که برای تولید یون‌هایی که بتوانند یک واحد بارالکتریکی را در یک سانتی‌متر مکعب هوای خشک جابه جا کنند کافی است.
- نرخ دوز که واحد آن gray یا rad می باشد. یک gray (Gy) برابر با یک ژول بر کیلوگرم یا 100rad می‌باشد.
- دوز کلی تجمع پیدا کرده که بر حسب grays یا rads اندازه گیری می‌شود.
- خطر بیولوژیکی در معرض تشعشعات رادیواکتیو قرار گرفتن که بر حسب rem یا sevart(sv) اندازه گیری می‌شود.
انواع سنسور تشعشع
سنسورهای تشعشع می‌توانند بر اساس نوع تشعشعی که قرار است تشخیص دهند طبقه‌بندی شوند. همچنین شیوه‌ی دیگر طبقه‌بندی؛ اصول و طرز کار آنها می‌باشد. دتکتورهای تششع شامل شمارنده‌ها، اسپکترومترها و دوزمترها هستند.
3 نوع رایج سنسورهای تشعشع شامل موارد زیر می‌باشد:
- سنسورهای تشعشع پر شده از گاز
- سنسوهای تشعشع حالت جامد
- سنسورهای تشعشع که از خود اشعه ساطع می‌کنند
سنسورهای تشعشع که با گاز پر شده اند (Gas Filled Detectors)
این نوع سنسورها بر اساس تاثیر یونیزاسیونی عمل می‌کنند. در هنگام عبور تشعشعات از هوا یا گازی خالص به وجود می‌آید. اگر یک اختلاف پتانسیل فوق العاده زیاد به اتاقکی که حاوی هوا یا گازی خالص می باشد اعمال شود، تشعشعات یونیزه کننده باعث ساخت یون‌های مثبت و الکترون‌های آزاد می‌شوند که از اتم‌های گاز در فرایند یونیزاسیون جدا شده.
وجود اختلاف پتانسیل در اتاقک باعث می شود که یون های مثبت به کاتد بچسبند و الکترون های آزاد جذب آند دتکتور شوند. تجمع ذرات باردار روی الکترودها باعث می شود که جریان کمی از واسط عبور کند که می تواند توسط دتکتور احساس شود و به صورت یک سیگنال خروجی یا شماره نمایش داده شود. سطح جریان وابسته به سطح تشعشعات بر روی سنسور دارد فراموش نکنید که دتکتورهای تشعشعی که با گاز پرشده اند، هر ذره‌ای را تشخیص نمی دهند چرا که برخی تشعشعات ممکن است بدون ایجاد تاثیر کافی بر یونیزه کردن ذرات اتاقک از آن خارج شوند.
همچنین این نوع دتکتورها به طور کلی اطلاعات در مورد سطح انرژی، بارالکتریکی الکتریکی و نوع تشعشع را به ما ارائه نمی‌دهند.
اکثر سنسورهای اتاقک گاز از نوع Geiger-Muller هستند.
سنسورهای تشعشع که از خود اشعه ساطع می کنند (Scintillation Detector)
این نوع سنسورها از موادی استفاده می‌کنند که در برخورد با تشعشعات یونیزه کننده از خود نور ساطع می‌کنند. فلش‌های scintillator می‌تواند تعداد زیادی ذرات متشعشع را در یک بازه زمانی کوتاه تشخیص دهند. موادی که قابلیت scintillating را دارند ممکن است به صورت جامد یا مایع باشند و هنگامی که تشعشعات با یک ماده برخورد می‌کند، فوتون‌ها داخل یک المان لوله‌ای شکل به نام تیوب ضرب‌کننده فوتون قرار می گیرند. این تیوب شامل یک سری صفحه می باشد که dynode نام دارد. صفحه‌ها به طور پیشرونده دارای اختلاف پتانسیل مثبت بیشتری نسبت به صفحه قبل هستند و هنگامی که تشعشعات باعث رها‌سازی یک فوتون در تیوب می‌شود، به اولین dynode برخورد خواهد کرد و یک الکترون رها خواهد شد. این الکترون آزاد با سرعت به سمت dynode بعدی حرکت می کند و باعث رها سازی الکترون های بیشتری می شود. این فرایند چندین بار تکرار می شود و هر بار تعداد الکترون های آزاد شده از دفعه قبل بیشتر خواهد بودو در نهایت یک پالس خورجی به وجود می آید که با میزان نوری که وارد تیوب شده نسبت مستقیم دارد.
دتکتورهای نورانی قابلیت زیادی برای دستیابی به اطلاعات در مورد میزان انرژی، بار الکتریکی، ذرات منبع تشعشع دارند.
سنسورهای تشعشع حالت جامد (Solid State Detectors)
سنسورهای تشعشع حالت جامد المان‌هایی نیمه رسانا هستند که دارای دو نوع نیمه رسانای N وP می باشند. این مواد شامل اتم هایی هستند که دارای حامل های باردار (الکترون یا حفره) می باشند ( منظور از حفره خلا الکترون است) نیمه رساناهای نوع N دارای الکترون های بیشتری نسبت به پروتون هستند. در حالیکه نیمه رساناهای نوع P دارای حفره های بیشتری نسبت به الکترون ها هستند. هنگامی که این مواد نیمه رسانا در داخل یک دتکتور حالت جامد قرار می گیرند، ناحیه تخلیه توسط رفتن الکترون ها از ناحیه N به ناحیه P به وجود خواهد آمد و اگر تششعات به ماده نیمه رسانا برخورد کند، الکترون ها و حفره ها آزاد می شوند. تعداد جفت های الکترون-حفره با سطح تشعشع رابطه ی مستقیم دارد. هنگامی که حامل های بار الکتریکی در داخل دتکتور حرکت می‌کنند، یک پالس جریان به وجود می آید که از آن می توان برای تثبیت سطح تشعشع استفاده کرد.
دتکتورهای تشعشع حالت جامد می‌توانند با استفاده از عناصری مانند سیلیکون، ژرمانیوم، کادمیوم تلوراید و کادمیوم زینک تلوراید ساخته شوند. سنسورهایی که بر پایه ژرمانیوم ساخته شده‌اند در دماهای فوق العاده پایین عمل می‌کنند. در حالیکه دتکتورهای کادمیوم تلوراید و کادمیوم زینک تلوراید قادر هستند در دمای اتاق به فعالیت بپردازند.
دیگر انواع دتکتورهای تششع شامل موارد زیر می شوند:
- سنسورهای تشعشع شخصی (PRDs) (Personal Radiation Detectors)
- سنسورهای تشعشع دستی برای بازرسان
- دستگاه‌های تشخیص ایزوتوپ‌های دارای تشعشع (RIIDs)
- مانیتورهای تشعشع پورتال (RPMs) (Radiation Portal Monitors)
سنسورهای تشعشع شخصی (PRDs) (Personal Radiation Detectors)
این نوع دسنسورها که به PRD معروف می باشند، دستگاه هایی قابل پوشیدن هستند که از آن ها برای تشخیص اشعه‌ی گاما یا تشعشعات نوترونی استفاده می‌شود. این نوع دستگاه‌ها شامل دوزمترها می‌شوند که می‌توانند به لباس افراد الصاق گردند. این دستگاه‌ها می توانند توسط ماموران پلیس یا بازرسان برای تشخیص انتقال قانونی مواد رادیواکتیو مورد استفاده قرار گیرند.
همچنین دستگاه های مشابهی توسط پرسنل بیمارستان، محققان علمی و پرسنل سایت های هسته‌ای مورد استفاده قرار می گیرد. این دوزمترها به صورت ورق یک بار مصرف یا پیجرهای الکترونیکی هستند.
گروهی از PRD ها دتکتورهای شخصی طیفی (SPRD) Spectroscopic Personal Radiation) Dectection) می باشند که می‌توانند طیف انرژی تشعشعات موجود را شناسایی کنند و بر حسب آن تشخیص دهند که تشعشعات از چه ماده ای ساطع شده است.
سنسورهای تشعشع دستی برای بازرسان
این دستگاه‌ها سطح تشعشعات موجود را اندازه‌گیری می کنند و مقادیر را بر روی یک صفحه نمایش عددی نمایش می‌دهند. یک نوع از این دستگاه ها Telector نامیده می‌شود که به صورت یک میله باریک تلسکوپ است و می‌تواند سطوح بالای تششع را از 4 متری تشخیص دهد. بنابراین نیازی نیست کسی که از دستگاه ها استفاده می‌کند خیلی به منبع تششع نزدیک شود.
دستگاه‌های تشخیص ایزوتوپ‌های دارای تشعشع (RIIDs)
یک RIID (Radiation Isotope Identification Device) قابلیت این را دارد که طیف انرژی تشعشع را نمایش دهد بنابراین می تواند نوع ماده‌ی رادیو اکتیو را نیز تعیین کند.
مانیتورهای پورتال تشعشع (PRMs)
یک مانیتور پرتال تشعشع یا PRM یک دتکتور در ابعاد بزرگ می باشد که می توان از آن برای مانیتور کردن میزان تشعشع اشیا بزرگ مانند ماشین‌ها، کامیون‌ها، کانتینرها، جعبه‌ها و افراد استفاده کرد.
انتخاب سنسور تشعشع مناسب
برای انتخاب دتکتور باید چند فاکتور را در نظر داشته باشید که برخی از آن ها در زیر ذکر شده. سازندگان این دستگاه ها اطلاعات زیادی در مورد تولیدات شان دارند و می توانید از توصیه های آن ها در جهت انتخاب بهترین سنسور برای هدفتان بهره مند شوید.
مواردی که برای انتخاب سنسور تشعشع باید در نظر گرفته شوند عبارتند از:
- نوع تشعشعی که گمان می کنید با آن سروکار خواهید داشت (آلفا، بتا، گاما، نوترون، اشعه ی X و…)
- عملکرد دلخواه: آیا تنها برایتان میزان تشعشع مهم است؟ ( می توانید از دوزمتر استفاده کنید.) یا به اطلاعات بیشتری نیاز دارید؟
- زمان پاسخ دهی: برخی دتکتورها مانند کریستال های Scintiilator زمان پاسخ دهی سریعی دارند اما زمان پاسخ دهی دتکتورهای حالت جامد کند می‌باشد.
- نیاز به تشخیص نوع ماده رادیواکتیو: برخی سنسورها مانند RIID هامی توانند تشعشعات خاصی را تشخیص دهند در حالیکه برخی دیگر قادر به تشخیص نوع تشعشع نیستند.
- قابلیت حمل و نقل: در حالیکه خیلی از دستگاه ها قابل جابه‌جایی هستند، برخی دستگاه ها نیاز به شرایط ویژه ای برای نگه داری دارند و نمی توان مدام آن ها را جابه جا کرد.
