جرقه سنج

یک جرقه سنج، ابزاری برای تشخیص و اندازه‌گیری تشعشعات یونیزه‌شده با استفاده از اثر برانگیختگی تابشی بر روی یک ماده جرقه‌زننده و تشخیص پالس‌های نوری حاصل است.

این دستگاه، شامل  یک جرقه‌زننده است که در پاسخ به تابش، فوتون‌، یک آشکارساز نوری حساس (معمولا یک محفظه ضرب کننده نوری(PMT)، یک دوربین تزویج -باری(CCD)، و یا یک دیود نوری ) تولید می‌کند، که نور را به سیگنال های الکتریکی و الکترونیکی برای پردازش این سیگنال تبدیل می‌کند.

جرقه سنج‌ها به طور گسترده برای حفاظت در برابر پرتوها، سنجش مواد رادیواکتیو و تحقیقات فیزیک مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا می‌توان آن‌ها را با هزینه کم تولید کرد و با راندمان کوانتومی خوبی ساخت و می‌توانند همزمان شدت و میزان انرژی تابشی را اندازه‌گیری کنند.

تاریخچه 
جرقه سنج الکترونیکی مدرن در سال 1944 توسط سر ساموئل کوران   اختراع شد، که او روی پروژه منهتن در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی کار می کرد . نیاز به اندازه‌گیری تشعشعات مقادیر کم اورانیوم وجود داشت و ابتکار او، استفاده از یکی از محفظه ضرب کننده نوری بود که بر اسا شمارش فلش‌های نوری که از سوسوزن ساطع می‌شد کار می‌کرد .این پژوهش بر اساس کار محققان قبلی مانند Antoine Henri Becquerel بنا شد که رادیواکتیویته را در حین کار بر روی فسفرسانس نمک های اورانیوم در سال 1896 کشف کرد. رویدادهای سوسوزنی پیش از این باید به سختی با چشم با استفاده از یک اسپینتاریزکوپ که یک میکروسکوپ ساده برای مشاهده فلاش های نور در سوسوزن بود، شناسایی می شد.

عملیات 

هنگامی که یک ذزه یونیزه کننده از داخل ماده سوسوزن عبور می کند، اتم ها در طول مسیر برانگیخته می شوند. برای ذرات باردار، مسیر، همان مسیر خود ذره است. در رابطه با پرتوهای گاما (بدون بار)، انرژی آن‌ها از طریق اثر فوتوالکتریک ، پراکندگی کامپتون یا تولید جفت به یک الکترون پرانرژی منتقل می شود.

شیمی وا انگیزشی اتمی در جرقه سنج، انبوهی از فوتون‌های کم‌انرژی تولید می‌کند که معمولاً نزدیک طیف آبی در انتهای طیف مرئی است. این کمیت با انرژی ذخیره‌شده توسط ذرات یونیزه کننده متناسب است. این فوتون ها را می توان به کاتد نوری یک محفظه ضرب کننده نوری هدایت کرد که به دلیل اثر فوتوالکتریک حداکثر یک الکترون به ازای هر فوتون وارد شده ساطع می کند. این گروه از الکترون‌های اولیه توسط پتانسیل الکتریکی، شتاب گرفته و متمرکز می شوند به طوری که به اولین داینود در محفظه برخورد می کنند. برخورد تک الکترون به داینود، تعدادی الکترون ثانویه آزاد می کند که هرکدام برای ضربه‌زدن به داینود دوم شتاب می گیرند. در هر ضربه به داینود بعدی، الکترون های بیشتری آزاد می شوند، بنابراین اثر تقویت کننده جریان در هر مرحله داینودی ایجاد می‌شود. هر مرحله برای فراهم کردن میدان شتاب دهنده در پتانسیل بالاتری قرار دارد.

سیگنال خروجی حاصل در آند، یک پالس قابل اندازه‌گیری برای هر گروه از فوتون‌ها از یک پدیده یونیزه کننده اصلی در جرقه زن است که به کاتد نوری رسیده و اطلاعات مربوط به انرژی تابش اشعه اصلی را حمل می‌کند. هنگامی که تقویت کننده شارژ که اطلاعات انرژی را یکپارچه می کند، تغذیه می شود ، یک پالس خروجی به دست می آید که متناسب با انرژی ذره‌ای است که جرقه زن را تحریک می کند.

تعداد چنین پالس هایی در واحد زمان نیز اطلاعاتی در مورد شدت تشعشع به ما  می‌دهد. در بعضی از کاربردها، پالس‌های مجزا و منفرد شمارش نمی‌شوند، بلکه فقط میانگین جریان در آند به عنوان معیاری برای شدت تابش مورد استفاده قرار می‌گیرد.

جرقه زن باید در برابر تمام نورهای محیط عایق باشد تا فوتون های خارجی، در اثر تشعشع یونیزه نشوند. برای دستیابی به این هدف، اغلب یک فویل مات نازک، مانند مایلار آلومینیومی مورد استفاده قرار می‌گیرد، با این حال باید جرم کافی برای به حداقل رساند نتضعیف بیش از حد تشعشعات اندازه گیری شده داشته باشد 

مقاله شرح مفصلی از محفظه ضرب‌کننده نوری دارد.

جرقه زنشامل یک کریستال شفاف، معمولاً فسفر، پلاستیک (معمولاً حاوی آنتراسن ) یا مایع آلی (به شمارش سوسوزن مایع مراجعه کنید) می‌باشد که هنگام برخورد اشعه‌های یونیزه شده، فلورسانس می شود.

سزیم یدید (CsI) در فرم کریستالی به عنوان جرقه زن برای شناسایی پروتون‌ها و ذرات آلفا استفاده می شود. سدیم یدید (NaI) که حاوی مقادیر کمی از تالیم است، به عنوان جرقه زن برای تشخیص امواج گاما به کار برده می‌شود و روی سولفید (ZnS) به طور گسترده به عنوان آشکارساز ذرات آلفا استفاده می شود. روی سولفید ماده‌ای است که رادرفورد،آن زا برای انجام آزمایش پراکنش خود به کار برد. لیتیم یدید (LiI) نیز در آشکارسازهای نوترونی استفاده می شود.

بازده آشکارساز

گاما 
بازده کوانتومی یک آشکارساز اشعه گاما (در واحد حجم) به چگالی الکترون‌ها در آشکارساز بستگی دارد و در برخی مواد جرقه زن مانند سدیم یدید و ژرمنات بیسموت ،برخی از عناصری تشکیل‌دهنده آن به دلیل داشتن اعداد اتمی بالا، به چگالی الکترونی‌ بالایی دست می‌یابند. با این حال، آشکارسازهای مبتنی بر نیمه‌هادی‌ها ، به ویژه ژرمانیوم خالص، قدرت تفکیک انرژی درونی بهتری نسبت به جرقه زن‌ها دارند و برای طیف سنجی اشعه گاما ترجیح داده می شوند.

نوترون 
در مورد آشکارسازهای نوترونی ، بازده بالا از طریق استفاده از مواد جرقه زن غنی از هیدروژن حاصل می‌شود که نوترون ها را به طور کارامد پراکنده می کند. جرقه سنج‌های مایع، وسیله ای کارآمد و کاربردی برای تعیین مقدار تابش اشعه بتا هستند .

کاربردها 

جرقه سنج‌ها برای اندازه‌گیری میزان تابش در انواعی از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند. به عنوان مثال اندازه‌گیری میزان تشعشع بطور دستی،(میزان تشعشع بر روی) کارکنان و نظارت محیطی برای آلودگی رادیواکتیوی، تصویربرداری پزشکی، سنجش رادیومتریک، امنیت هسته ای و ایمنی نیروگاه هسته ای.

چندین محصول در بازار با استفاده از جرقه سنج‌ها برای تشخیص مواد بالقوه خطرناک ساطع کننده گاما در طول حمل و نقل معرفی شده اند. این (محصولات) شامل جرقه سنج‌هایی هستند که برای پایانه های حمل و نقل، امنیت مرزی، بنادر، کاربردهای توزین پل، محوطه های ضایعات فلزی و نظارت بر آلودگی زباله های هسته ای  طراحی شده اند. انواعی از جرقه سنج وجود دارد که بر روی کامیون‌ها و هلیکوپترها نصب شده اند که در صورت بروز وضعیت امنیتی به دلیل بمب های آلوده یا زباله های رادیواکتیو واکنش سریعی از خود نشان دهند.   دستگاه های دستی نیز معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند.

راهنمای استفاده از برنامه‌های کاربردی 
در بریتانیا، اداره بهداشت و امنیت، یا HSE، یک یادداشت راهنمای کاربری برای  انتخاب ابزار اندازه‌گیری تشعشع مناسب برای کاربرد‌های مربوطه منتشر کرده است.  این یادداشت، تمام ابزارها با تکنولوژی‌ تشعشع را پوشش می‌دهد و یک راهنمای مقایسه‌ای مفید برای استفاده از جرقه سنج‌ها است.

حفاظت در برابر اشعه

آلودگی آلفا و بتا 

مانیتورهای آلودگی رادیواکتیو، برای بررسی های منطقه ای یا شخصی نیازمند یک منطقه تشخیصی بزرگ است تا از پوشش کارآمد و سریع سطوح پایش، اطمینان حاصل کند. برای این کار، یک جرقه زن نازک با پنجره‌ای بزرگ و یک محفظه ضرب کننده نوری یکپارچه مناسب است. آنها برنامه‌های کاربردی گسترده‌ای در زمینه نظارت بر آلودگی رادیواکتیو بر پرسنل و محیط زیست پیدا می کنند. آشکارسازها به گونه ای طراحی شده اند که بسته به کاربرد، یک یا دو ماده جرقه زن داشته باشند. آشکارسازهای "تک فسفر" برای آلفا یا بتا و آشکارسازهای "فسفر دوگانه" برای تشخیص هر دو استفاده می‌شوند. 

جرقه زن ‌هایی مانند روی سولفید برای تشخیص ذرات آلفا استفاده می شود، در حالی که جرقه زن‌های پلاستیکی برای تشخیص بتا مورد استفاده قرار می‌گیرند. انرژی جرقه حاصل را می توان آنالیز کرد به طوری که شمارش آلفا و بتا می‌تواند به طور جداگانه با یک آشکارساز اندازه گیری شود.  این روش در استفاده از هر دو روش دستی و تجهیزات مانیتورینگ ثابت استفاده می شود  و چنین ابزارهایی در مقایسه با آشکارساز گازی تناسبی، نسبتا ارزان هستند.

گاما 
از مواد جرقه زن برای اندازه‌گیری دز گامای محیط استفاده می‌شود، اگرچه ساختاری متفاوت از آن برای تشخیص آلودگی استفاده می‌شود، بنابراین نیازی به صفحه نازک نیست.

به عنوان یک طیف سنج 

جرقه زن‌ها معمولاً تک فوتون حاصل از تابشی پرانرژی را به تعداد زیادی فوتون  کم‌انرژی تبدیل می کنند که در آن تعداد فوتون‌ها در هر مگاالکترون‌ولت انرژی ورودی تقریباً ثابت است. بنابراین با اندازه گیری شدت فلاش (تعداد فوتون های تولید شده توسط فوتون اشعه ایکس یا گاما) می‌توان انرژی فوتون اصلی را تشخیص داد.

این طیف سنج از یک کریستال جرقه زن مناسب، یک محفظه ضرب کننده نوری و یک مدار برای اندازه گیری ارتفاع پالس های تولید شده توسط ضرب کننده نوری تشکیل شده است. پالس‌ها بر اساس ارتفاعشان شمارش و طبقه‌بندی می‌شوند و نمودار x-y تشکیل می‌شود که در آن، محور عمودی، روشنایی فلاش سوسوزن و محور افقی تعداد فلاش‌ها است که طیف انرژی تابشی را با برخی خطاهای تکنیکی تخمین می‌زند. تابش گامای تک رنگ در انرژی خود پیک نوری ایجاد می کند. آشکارساز همچنین پاسخ در انرژی‌های پایین‌تر، ناشی از اثر پراکندگی کامپتون، دو قله فرار کوچکتر در انرژی‌های 0.511 و 1.022 مگا ولت زیر پیک نوری برای ایجاد جفت‌ الکترون-پوزیترون ها در هنگام فرار یک یا هر دو فوتون نابودی و یک قله را نشان می‌دهد. وقتی دو یا چند فوتون تقریباً به طور همزمان به آشکارساز برخورد می‌کنند، انرژی‌های بالاتر را می‌توان اندازه‌گیری کرد، که به صورت مجموع پیک‌ها با انرژی‌هایی تا مقدار دو یا چند پیک نوری اضافه شده ظاهر می‌شوند

همچنین ببینید 

 طیف سنجی گاما
 شمارشگر گایگر
 شمارش سوسوزن مایع
 سلول لوکاس
 اثر پاندمونیوم
 شمارش فوتون
 سینتی گرافی
 طیف سنجی جذب کل

منابع

آشکارسازهای پرتویی یونی
طیف‌سنج‌ها
آشکارسازهای ذرات