شمارنده تناسبی

شمارنده‌های تناسبی (به انگلیسی: Proportional Counters) نوعی ازآشکارسازهای یونیزاسیون گازی هستند که برای اندازه‌گیری ذرات تابندگی یونیزان استفاده می‌شوند. 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. 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.

## اصول کار
شمارنده‌های تناسبی بر اساس یونیزاسیون گاز توسط تابش عمل می‌کنند. ذره یونیزان با اتم‌های گاز برخورد کرده و جفت یون تولید می‌کند. در ناحیه رانش، یون‌های مثبت به سمت کاتد و الکترون‌ها به سمت آند حرکت می‌کنند. در نزدیکی سیم آند، میدان الکتریکی قوی باعث بهمن تاونسند می‌شود که سیگنال را تقویت می‌کند. این تقویت متناسب با انرژی اولیه است.

برای جزئیات فرمول تقویت (M)، به معادله زیر توجه کنید:
: \ln M=\frac{V}{\ln(b/a)}\frac{\ln 2}{\Delta V_{\lambda}}\left[\ln\left(\frac{V}{pa\ln(b/a)}\right)-\ln K\right] 

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.

## انواع و تغییرات
انواع اصلی شامل شمارنده‌های استوانه‌ای کواکسیال، شمارنده‌های چندسیمی (MWPC)، و انواع میکروالگو مانند GEM و Micromegas هستند. تغییرات شامل شمارنده‌های فشار بالا برای تشخیص نوترون و شمارنده‌های معادل بافت برای دوزیمتری هستند. شمارنده‌های جریان گاز برای نظارت مداوم بر آلودگی استفاده می‌شوند.

## 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.

## مزایا و معایب
مزایا: اندازه‌گیری انرژی، کارایی بالا برای سطوح بزرگ، تمایز ذرات.
 
معایب: حساس به اکسیژن، آسیب‌پذیری پنجره، و نیاز به تامین گاز مداوم در انواع جریان.

برای راهنمایی کاربرد، به راهنمای HSE انگلستان مراجعه کنید: HSE Guidance.
## 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. نول (ویرایش چهارم، ۲۰۱۰)، و منابع مرتبط مانند مقالات آرشیو و بررسی‌های علمی.

## 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).
# رانش یون: در ناحیه خارجی محفظه، میدان الکتریکی ضعیف یون‌ها را جدا می‌کند.
# 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.

(Gas Multiplication) این فرآیند را توصیف می‌کند، با معادلات مانند ضریب تکثیر آلفا (α) که تعداد الکترون‌های جدید در واحد طول است. منحنی ولتاژ نشان‌دهنده ناحیه تناسبی است، جایی که جریان متناسب با ولتاژ است تا ناحیه تناسبی محدود آغاز نشود.
## طراحی و ویژگی‌ها
بر اساس (Design Features of Proportional Counters)، طراحی استاندارد استوانه‌ای کواکسیال است: سیم آند مرکزی (قطر ۲۰-۵۰ میکرومتر) و کاتد استوانه‌ای. 

گاز پرکننده: گازهای نجیب (آرگون، نئون) با خاموش‌کننده (متان، هالوژن) برای جلوگیری از تخلیه مداوم.

فشار: معمولاً ۱ اتمسفر، اما در انواع فشار بالا تا ۱۰ اتمسفر برای افزایش کارایی.

پنجره ورودی: مایلار فلزی‌شده برای پرتوهای کم‌انرژی، که برای آلفا تضعیف ایجاد می‌کند.

## جدول مقایسه‌ای انواع گازها

## عملکرد و منحنی‌های شمارش
بخش (Detection Efficiency and Counting Curves) منحنی پلاتو را توصیف می‌کند: نرخ شمارش ثابت در ناحیه تناسبی. کارایی برای بتا بالا (نزدیک ۱۰۰٪)، برای آلفا کمتر (به دلیل فاصله ۵۰ μs برای رویدادهای (n,α))، سیگنال‌های نوترونی را از γ-ray جدا می‌کنند. شبیه‌سازی‌های GEANT4 + GARFIELD++ با MAGBOLTZ، پیش‌بینی دقیق توزیع‌های amplitude و risetime را امکان‌پذیر کرده، که برای کاربرد در آزمایشگاه‌های زیرزمینی مانند LSM مفید است. تا سال ۲۰۲۵، عملیات با readout انفرادی آندها، ردیابی و تمایز زمینه را ارتقا داده است.

### 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. آزمایش‌ها در سال ۲۰۲۰ در Paul Scherrer Institute، توزیع‌های pulse-height با پیک‌های انرژی کامل را نشان داد، که پیشرفتی در تشخیص نوترون سرد است. همچنین، گازهای نیتروژن برای طیف‌نگاری نوترون تا ده‌ها MeV استفاده می‌شود، با واکنش‌هایی مانند ¹⁴N(n,p)¹⁴C (Q-value ۶۲۵.۸۷ keV)، اگرچه اثرات دیواره در فشارهای پایین چالش‌برانگیز است.

در زمینه پزشکی، resistive plate chambers (RPCs) به عنوان detectorهای گازی، با طراحی چندلایه برای بهبود کارایی جذب فوتون‌های ۵۱۱ keV در PET/SPECT توسعه یافته‌اند. سیستم‌هایی مانند PETALO با xenon مایع، زمان‌بندی زیرنانوثانیه ارائه می‌دهند، اگرچه کارایی پایین همچنان مسئله‌ای است. پیشرفت‌های پس از ۲۰۲۰ شامل دوربین‌های Compton مونولیتیک برای تشخیص همزمان چندین γ-ray است.

### کاربردهای نوین و سیستم‌های هیبریدی
سیستم‌های توزیع‌شده مانند Distributed Optical Fiber Radiation Sensor (DOFRS) در CERN، از سال ۲۰۱۷ اما با بهبودهای تا ۲۰۲۵، نقشه‌های یک‌بعدی دوز تابش را در صدها متر ارائه می‌دهند. این سیستم، با ترکیب dosimetry فعال و غیرفعال، نظارت آنلاین در شتاب‌دهنده‌ها را ممکن می‌سازد و با شبیه‌سازی‌ها برای پیش‌بینی سطوح نزدیک beam line ادغام می‌شود.

در پزشکی، chipهای جدید مانند ACCURATE 2A ASIC از CERN، جریان‌های معادل هزاران الکترون را اندازه‌گیری می‌کنند، برای نظارت تابش در ionisation chambers. همچنین، detectorهای مینیاتوری scintillator برای therapy تابش خارجی، و روش‌های جدید برای اندازه‌گیری Ra-226 با RaDeCC، دقت را در محیط‌های آبی بهبود می‌بخشند.

در چین، تولید انبوه chip برای تشخیص X-ray و gamma با محدوده ۱۰۰ nSv/h تا ۱۰ mSv/h، نویدبخش برای نظارت محیطی است. همچنین، پیشرفت در photon-counting CT برای تصویربرداری ریه با دوز پایین، دقت چگالی و مورفولوژی راه‌های هوایی را افزایش می‌دهد.

### چالش‌ها و روندهای آینده
علی‌رغم پیشرفت‌ها، چالش‌هایی مانند نویز در دماهای بالا، کارایی پایین برای فوتون‌های پرenergy و نیاز به مدل‌سازی دقیق ionization (مانند فاکتورهای quenching) وجود دارد. روندها به سمت هیبریدی‌سازی با semiconductorها و AI برای پردازش سیگنال حرکت می‌کنند، با تمرکز بر هزینه پایین و مقیاس‌پذیری.

شمارنده‌های 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. 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.

## منابع

رده:آشکارسازهای ذرات
رده:حفاظت در برابر تابش
رده:ابزارهای شمارش
رده:آشکارسازهای پرتو یونی