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.

## 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. .

*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

## 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.

## 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.

## منابع

رده:آشکارسازها