آشکارساز بیسموت ژرمانات

بیسموت ژرمانات (با فرمول شیمیایی Bi₄Ge₃O₁₂ و مخفف BGO) یک سرامیک اکسیدی سنتتیک و یک بلور سینتیلاتور با چگالی بالا و عدد اتمی مؤثر بالا است که به‌طور گسترده در آشکارسازی پرتوهای گاما، پوزیترون (در توموگرافی گسیل پوزیترون یا PET) و ذرات پرانرژی در فیزیک پرانرژی، فیزیک هسته‌ای، امنیت و تصویربرداری پزشکی استفاده می‌شود. این مقاله به بررسی خواص فیزیکی، مکانیزم آشکارسازی، مزایا، معایب، کاربردهای کلیدی و تحولات اخیر در زمینه آشکارسازهای BGO می‌پردازد.۳. Kobayashi, M., et al. (2004). Growth and luminescence properties of Ce-doped Bi4Ge3O12 crystals. Journal of Crystal Growth, 270(3-4), 505-511. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2004.06.033

 خواص فیزیکی و نوری کلیدی 
BGO یک ماده غیرهیگرومورفیک و ایزوتوپیک است که در ساختار کریستالی کوبیک (مکعبی) از خانواده سیلنیت متبلور می‌شود. خواص اساسی آن که آن را برای آشکارسازی مناسب می‌سازد عبارتند از:

 چگالی بالا: ۷.۱۳ گرم بر سانتی‌متر مکعب. این چگالی بالا باعث ضریب تضعیف جرمی عالی برای پرتوهای گاما (به‌ویژه در محدوده انرژی ۰.۱ تا ۱۰ مگاالکترون‌ولت) می‌شود. ۱. Melcher, C. L. (2000). Scintillation crystals for PET. Journal of Nuclear Medicine, 41(6), 1051-1055..

عدد اتمی مؤثر (Z_eff): حدود ۷۴. عدد اتمی بالا باعث افزایش احتمال برهم‌کنش فوتوالکتریک می‌شود که برای رزولوشن انرژی بالا در طیف‌سنجی گاما حیاتی است.

بازده نوردهی (Light Yield): حدود ۸۰۰۰ تا ۹۰۰۰ فوتون بر مگاالکترون‌ولت (راه‌انداز استاندارد: NaI(Tl)). اگرچه این بازده کمتر از سینتیلاتورهای جدید مانند LSO:Ce است، اما برای بسیاری از کاربردها کافی و پایدار است.

طول تابش (Emission Wavelength): پیک گسیل در حدود ۴۸۰ نانومتر، که به خوبی با حساسیت فتومالتی‌پلایرهای دوپ شده با بیسموت (Bialkali) همخوانی دارد.

زمان واخنش (Decay Constant): حدود ۳۰۰ نانوثانیه. این زمان نسبتاً طولانی، نرخ شمارش بسیار بالا را محدود می‌کند، که یک نقطه ضعف برای آزمایش‌های با شدت پرتو زیاد یا PET سریع محسوب می‌شود.

شفافیت نوری به خود (Self-absorption): کم، که امکان ساخت بلورهای بزرگ و شفاف برای جذب کامل پرتوهای پرانرژی را فراهم می‌کورد.

بی‌حساسیتی به رطوبت: برخلاف NaI(Tl)، BGO نیاز به محفظه‌بندی خلا یا خشک ندارد.

 مکانیزم آشکارسازی 
BGO یک سینتیلاتور غیرآلی است. مکانیزم تولید نور (سینتیلاسیون) آن به این شرح است:
پرتو گاما یا ذره پرانرژی وارد کریستال می‌شود و از طریق برهم‌کنش‌های فوتوالکتریک، کامپتون یا تولید جفت، انرژی خود را از دست می‌دهد و حامل‌های بار (الکترون‌ها و حفره‌ها) ایجاد می‌کند.
این حامل‌های بار به سمت مراکز تابش (مراکز لومینسانس) که در ساختار بلور وجود دارند، مهاجرت می‌کنند.
 بازترکیب در این مراکز منجر به گسیل فوتون‌های نور مرئی (اسینتیلاسیون) می‌شود.
این فوتون‌ها از طریق فتومالتی‌پلایر (PMT) یا فتودیودهای آوالانژی (APD) و SiPM به سیگنال الکتریکی تبدیل و تقویت می‌شوند.
 دامنه سیگنال خروجی متناسب با انرژی ذوبیدهنده پرتو گامای ورودی است.

 مزایا و معایب آشکارسازهای BGO 

+ جدول مقایسه۴. Weber, M. J., & Monchamp, R. R. (1973). Luminescence of Bi4Ge3O12: Spectral and decay properties. Journal of Applied Physics, 44(12), 5495-5499. https://doi.org/10.1063/1.1662175 معایب 
مزایا بازده نوردهی متوسط (پایین‌تر از NaI(Tl) و به مراتب پایین‌تر از سینتیلاتورهای لوتتیم-بیسموت) راندمان جذب بالا برای گاماهای پرانرژی (به دلیل چگالی و Z بالا) زمان واخنش نسبتاً طولانی (~۳۰۰ ns)، محدودیت در نرخ شمارش بالا رزولوشن انرژی خوب برای طیف‌سنجی (به‌ویژه در انرژی‌های بالا) قطبش نوری (Optical Anisotropy) در برخی بلورهای با کیفیت پایین که یکنواختی پاسخ را مختل می‌کند مقاومت شیمیایی و مکانیکی خوب، نیاز به محفظه مهر و موم شده ندارد هزینه نسبتاً بالای تولید بلور با کیفیت عالی امکان رشد بلورهای بسیار بزرگ و یکنواخت (قطر تا ۳۰ سانتی‌متر) حساسیت به تغییرات دما در بازده نوردهی (نیاز به تثبیت دمایی در کاربردهای دقیق) نسبت سیگنال به زمینه (Background) مناسب در برخی کاربردها

 کاربردهای اصلی 
 تصویربرداری پزشکی: توموگرافی گسیل پوزیترون (PET): BGO یکی از اولین و گسترده‌ترین مواد مورد استفاده در حلقه‌های PET بود. بازده جذب بالا برای فوتون‌های ۵۱۱ کیلوالکترون‌ولتی ناشی از نابودی پوزیترون-الکترون، کلید موفقیت آن بود. اگرچه امروزه سینتلاتورهای سریع‌تر مانند L(Y)SO در سیستم‌های PET جدید رایج‌ترند، BGO هنوز در سیستم‌های تمام بدن (Whole-body) یا با میدان دید گسترده به دلیل هزینه-کارایی مطلوب استفاده می‌شود. .
 فیزیک پرانرژی و تجهیزات بزرگمقیاس: به عنوان کالریمتر الکترومغناطیسی در آزمایش‌هایی مانند L3 در سرن و Belle در KEK استفاده گسترده‌ای داشته است. چگالی بالا و رزولوشن انرژی خوب، آن را برای اندازه‌گیری دقیق انرژی الکترون‌ها و فوتون‌های پرانرژی ایده‌آل می‌ساخت.
 طیف‌سنجی گامای محیطی و امنیتی: در سیستم‌های شناسایی مواد هسته‌ای و رادیولوژیکی (مونیتورینگ مرزها، بندرها) به دلیل راندمان جذب بالا برای منابع پنهان و توانایی شناسایی ایزوتوپ‌ها از طریق طیف‌سنجی استفاده می‌شود.
 ژئوفیزیک و اکتشاف نفت: در دستگاه‌های لاگینگ هسته‌ای (Nuclear Logging) برای آنالیز سازندهای زمین‌شناسی بر اساس انتشار پرتوهای گامای طبیعی یا القا شده به کار می‌رود.۲. Moszynski, M., et al. (1997). Properties of the BGO, BaF2, CeF3, GSO, LSO and YAP scintillators. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment, 385(1), 123-131. https://doi.org/10.1016/S0168-9002(96)00843-7

 تحولات و بهبودهای اخیر 
با وجود ظهور سینتلاتورهای جدید (مانند LaBr₃:Ce ، GAGG:Ce)، تحقیق بر روی BGO متوقف نشده است:

بهبود رزولوشن زمانی: دوپ کردن با سریم (Ce) یا کربن (C) برای کاهش زمان واخنش بررسی شده، هرچند اغلب با کاهش بازده نوردهی همراه است.

بهبود یکنواختی و کیفیت بلور: تکنیک‌های رشد پیشرفته مانند روش چکرالسکی (Czochralski) یا بریجمن (Bridgman) منجر به تولید بلورهای بزرگ با قطبش نوری کم و یکنواختی بالا شده‌اند.

ادغام با فوتودیودهای حالت جامد: جفت‌کردن BGO با SiPM/MPPC (فتومالتی‌پلایرهای حالت جامد) به جای PMTهای سنتی، امکان ساخت سیستم‌های جمع‌وجورتر، مقاوم‌تر در برابر میدان‌های مغناطیسی و با ولتاژ کاری پایین‌تر را فراهم کرده است، که برای PET/MRI ترکیبی امیدبخش است.

بیسموت ژرمانات (BGO) با وجود رقابت فزاینده از سوی سینتلاتورهای سریع‌تر و پرنورتر، به دلیل ترکیب منحصربه‌فرد چگالی بسیار بالا، عدد اتمی بالا، پایداری شیمیایی و امکان تولید در ابعاد بزرگ، همچنان یک ماده اساس و قابل‌اعتماد در زرادخانه آشکارسازهای پرتو باقی مانده است. نقش تاریخی آن در توسعه PET و کالریمترهای فیزیک پرانگی انکارناپذیر است و با بهبودهای فنی و ادغام با فناوری‌های خوانش جدید، کاربردهای تخصصی خود را در طیف‌سنجی و تصویربرداری ادامه خواهد داد.۵. Lecoq, P., et al. (Eds.). (2017). Inorganic Scintillators for Detector Systems: Physical Principles and Crystal Engineering (2nd ed.). Springer International Publishing. 

 منابع 

رده:آشکارسازها