موضوع مقاله: شمارنده تناسبی | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # شمارنده تناسبی | مقدمه: ویژگی کلیدی این آشکارسازها، توانایی اندازه‌گیری انرژی تابش ورودی است، زیرا پالس خروجی آشکارساز متناسب با انرژی جذب‌شده توسط آشکارساز در اثر رویداد یونیزاسیون است. | ## بخش 1: شمارنده تناسبی | این آشکارسازها در جایی که نیاز به دانستن سطوح انرژی تابش ورودی وجود دارد، مانند تمایز بین ذرات آلفا و بتا یا اندازه‌گیری دقیق دوز پرتو ایکس، کاربرد گسترده دارند. شمارنده‌های تناسبی از ترکیب مکانیسم‌های لوله گایگر-مولر و اتاقک یونیزاسیون استفاده می‌کنند و در ناحیه ولتاژ میانی بین این دو عمل می‌کنند. گازی که در محفظه پر شده، معمولاً گاز نجیب مانند آرگون با افزودنی خاموش‌کننده مانند متان (مخلوط P-10: ۹۰٪ آرگون، ۱۰٪ متان) است. نکته کلیدی ۱: شمارنده‌های تناسبی انرژی تابش را با تولید پالس‌های متناسب اندازه‌گیری می‌کنند، اما رزولوشن انرژی آنها به دلیل نوسانات آماری محدود است (فاکتور فانو حدود ۰٫۲ برای آرگون). نکته کلیدی ۲: آنها در دو ناحیه عمل می‌کنند: ناحیه رانش یون (برای ایجاد جفت یون‌ها) و ناحیه بهمن (برای تقویت سیگنال)، که این امر سیگنال به نویز را بهبود می‌بخشد. نکته کلیدی ۳: کاربردها شامل طیف‌نگاری ذرات باردار، تشخیص پرتوهای ایکس و گاما، و نظارت بر آلودگی رادیواکتیو است، اما برای ذرات آلفا به دلیل تضعیف در پنجره ورودی، کارایی کمتری دارند. نکته کلیدی ۴: تحقیقات نشان می‌دهد که انواع پیشرفته مانند شمارنده‌های میکروالگوی گازی (MPGDs) عملکرد بهتری در نرخ شمارش بالا و رزولوشن مکانی ارائه می‌دهند، هرچند حساس به اکسیژن و آسیب پنجره هستند. نکته کلیدی ۵: شواهد حاکی از آن است که شمارنده‌های تناسبی در فیزیک هسته‌ای و پزشکی هسته‌ای ضروری هستند، اما برای کاربردهای خاص، ممکن است نیاز به تنظیم گاز و ولتاژ باشد تا از ورود به ناحیه تناسبی محدود جلوگیری شود. در نزدیکی سیم آند، میدان الکتریکی قوی باعث بهمن تاونسند می‌شود که سیگنال را تقویت می‌کند. برای جزئیات فرمول تقویت (M)، به معادله زیر توجه کنید: که در آن a شعاع سیم آند، b شعاع محفظه، p فشار گاز، V ولتاژ اعمال‌شده، K ویژگی گاز، و ΔV_λ تغییر ولتاژ بهمن است. تغییرات شامل شمارنده‌های فشار بالا برای تشخیص نوترون و شمارنده‌های معادل بافت برای دوزیمتری هستند. کاربردها طیف‌نگاری: اندازه‌گیری انرژی ذرات باردار با رزولوشن محدود توسط نوسانات آماری. تشخیص فوتون: برای پرتوهای ایکس زیر ۱ keV و گاما، با استفاده از گازهای سنگین‌تر مانند کریپتون یا زنون. نظارت بر آلودگی: آشکارسازهای مسطح بزرگ برای تشخیص آلفا و بتا در پرسنل و سطوح، با کارایی بالا برای بتا. معایب: حساس به اکسیژن، آسیب‌پذیری پنجره، و نیاز به تامین گاز مداوم در انواع جریان. | ## بخش 2: شمارنده تناسبی | مقدمه شمارنده‌های تناسبی به عنوان یکی از ابزارهای کلیدی در تشخیص تشعشعات یونیزان، نقش مهمی در فیزیک هسته‌ای، پزشکی هسته‌ای، و نظارت محیطی ایفا می‌کنند. این آشکارسازها، که نخستین بار در دهه ۱۹۴۰ توسعه یافتند، بر پایه اصول یونیزاسیون گازی عمل می‌کنند و توانایی تولید سیگنال‌های متناسب با انرژی تابش را دارند. در ادامه، به بررسی جامع تاریخچه، اصول فیزیکی، طراحی، عملکرد، انواع، کاربردها، و پیشرفت‌های اخیر می‌پردازیم، با تمرکز بر فصل ۶ کتاب "تشخیص و اندازه‌گیری تشعشعات" نوشته گلن اف. تاریخچه شمارنده‌های تناسبی ریشه در توسعه آشکارسازهای گازی در اوایل قرن بیستم دارند. اولین آشکارسازهای گازی توسط ارنست رادرفورد در ۱۹۰۸ معرفی شدند، اما مفهوم تناسبی توسط جان تاونسند در مطالعات بهمن‌های الکتریکی توسعه یافت. در دهه ۱۹۴۰، جورج شارپاک و دیگران شمارنده‌های چندسیمی را معرفی کردند که منجر به جایزه نوبل فیزیک ۱۹۹۲ برای شارپاک شد. کتاب نول در فصل ۶ به جزئیات این تکامل می‌پردازد، از جمله نقش گازهای نجیب در بهبود عملکرد. اصول فیزیکی شمارنده‌های تناسبی در دسته آشکارسازهای یونیزاسیون گازی قرار می‌گیرند و بین اتاقک یونیزاسیون (ولتاژ پایین) و لوله گایگر-مولر (ولتاژ بالا) عمل می‌کنند. فرآیند اصلی شامل موارد زیر است: یونیزاسیون اولیه: ذره تابشی با گاز برخورد کرده و جفت یون تولید می‌کند. برای ذره ۱ MeV، حدود ۳۰٬۰۰۰ جفت یون ایجاد می‌شود.تعداد جفت یون اولیه: N = E / W، که E انرژی ذره و W انرژی متوسط برای جفت یون (حدود ۳۰ eV برای آرگون). بهمن تاونسند: نزدیک آند (سیم نازک)، میدان قوی (تا چند کیلوولت بر سانتی‌متر) باعث تکثیر الکترون‌ها می‌شود. هر جفت یون یک بهمن مستقل تولید می‌کند، که سیگنال را ۱۰^۳ تا ۱۰^۵ برابر تقویت می‌کند. منحنی ولتاژ نشان‌دهنده ناحیه تناسبی است، جایی که جریان متناسب با ولتاژ است تا ناحیه تناسبی محدود آغاز نشود. گاز پرکننده: گازهای نجیب (آرگون، نئون) با خاموش‌کننده (متان، هالوژن) برای جلوگیری از تخلیه مداوم. پنجره ورودی: مایلار فلزی‌شده برای پرتوهای کم‌انرژی، که برای آلفا تضعیف ایجاد می‌کند. | ## بخش 3: شمارنده تناسبی | کارایی برای بتا بالا (نزدیک ۱۰۰٪)، برای آلفا کمتر (به دلیل فاصله <۱۰ mm از منبع). انواع و تغییرات شمارنده‌های چندسیمی (MWPC): برای ردیابی ذرات در فیزیک انرژی بالا. + انواع شمارنده‌های تناسبینوع ویژگی ها کاربردها استوانه‌ای استاندارد سیم تک آند طیف‌نگاری پایه MWPC چندین سیم ردیابی ذرات (مانند در LHC) GEM لایه‌های فویل سوراخ‌دار نرخ بالا، رزولوشن مکانی Micromegas مش میکرو تابش سخت، فیزیک هسته‌ای فشار بالا گاز فشرده تشخیص نوترون، گاما کاربردها طیف‌نگاری ذرات باردار: تمایز آلفا/بتا با اندازه‌گیری شارژ کل. تشخیص فوتون: پرتوهای ایکس و گاما، با کارایی وابسته به گاز (زنون برای انرژی بالا). بررسی جامع پیشرفت‌های اخیر در شمارنده‌های تناسبی شمارنده‌های تناسبی، به عنوان آشکارسازهای یونیزاسیون گازی، در دهه‌های اخیر شاهد پیشرفت‌های قابل توجهی بوده‌اند که عمدتاً بر بهبود رزولوشن انرژی، کارایی تشخیص، مقاومت در محیط‌های سخت و ادغام با فناوری‌های نوین تمرکز دارد. این پیشرفت‌ها، که اغلب از تحقیقات در فیزیک هسته‌ای، پزشکی هسته‌ای و نظارت محیطی ناشی می‌شوند، به ویژه از سال ۲۰۲۰ به بعد شتاب گرفته‌اند. در ادامه، به تفصیل به این پیشرفت‌ها می‌پردازیم، با تمرکز بر جنبه‌های فنی، چالش‌ها و کاربردها. این طراحی‌ها، با شبیه‌سازی میدان الکتریکی و مینیاتوریزاسیون (قطر کمتر از ۱.۵ میلی‌متر)، امکان نظارت در-core در راکتورهای سریع خنک‌شده با سدیم را فراهم می‌کنند. از سال ۲۰۲۳، سنسورهای چندآندی مانند ACHINOS (با پوشش DLC) اجازه فشارهای تا ۱.۸ بار و ولتاژهای کمتر از ۶ کیلوولت را می‌دهند، بدون ناپایداری. نوآوری در مواد و گازها ادغام نانوذرات، مانند B₄C پراکنده در مخلوط Ar/CH₄ (۹۰/۱۰)، جایگزینی برای شمارنده‌های هلیوم-۳ در تشخیص نوترون ارائه می‌دهد. + جدول مقایسه پیشرفت‌ها با انواع سنتی ویژگی شمارنده‌های سنتی پیشرفت‌های اخیر (۲۰۲۰-۲۰۲۵) بهبود درصد تقریبی مقاومت دمایی تا ۲۰۰°C تا ۸۵۰°C +۳۲۵% رزولوشن انرژی متوسط (F≈۰.۲) بهبود با ACHINOS و شبیه‌سازی +۲۰-۵۰% کارایی نوترون محدود به هلیوم-۳ با نانوذرات B₄C +۳۰% اندازه بزرگ مینیاتوری (قطر <۱.۵ mm) -۹۰% حجم کاربرد پایه پزشکی، راکتورها، توزیع‌شده گسترش‌یافتهشمارنده‌های تناسبی به عنوان ابزارهای کلیدی در تشخیص تابش، با پیشرفت‌های اخیر در طراحی کروی و مواد مقاوم، نقش خود را در علم و صنعت تقویت کرده‌اند. این نوآوری‌ها، اگرچه امیدوارکننده، نیاز به تحقیقات بیشتر برای غلبه بر محدودیت‌ها دارند و آینده‌ای روشن با ادغام فناوری‌های نوین را نوید می‌دهند. شمارنده‌های تناسبی، که از دهه 1940 توسعه یافته‌اند، در سال‌های اخیر (2024-2026) تحولات قابل توجهی را تجربه کرده‌اند، به ویژه در زمینه‌های فیزیک هسته‌ای، جستجوی ماده تاریک و نظارت محیطی. این پیشرفت‌ها، بر اساس گزارش‌های بازار و مقالات علمی، نشان‌دهنده رشد پایدار فناوری است که کارایی، رزولوشن و کاربردها را گسترش می‌دهد. بازار جهانی شمارنده‌های تناسبی از حدود 250 میلیون دلار در 2024 به 450 میلیون تا 2033 پیش‌بینی می‌شود، با CAGR حدود 6-7%، عمدتاً به دلیل تقاضا در بخش‌های هسته‌ای و پزشکی. | ## جمع‌بندی | بازار گسترده‌تر تشخیص تابش نیز از 1.8 میلیارد در 2025 به 3.44 میلیارد تا 2034 رشد خواهد کرد، که شمارنده‌های تناسبی نقش مهمی در آن ایفا می‌کنند.