قياس الإشعاع

قياس نسبة الإشعاع هي تقنية للكشف عن شدة وخصائص الإشعاع المؤين، مثل أشعة ألفا وبيتا وأشعة غاما والنيوترونات، لغرض القياس.

ويشير مصطلح الإشعاع المؤين إلى تلك الجسيمات ، والفوتونات دون الذرية ، التي تكفي طاقتها للتسبب في التأين في المادة التي تتفاعل معها ، وتتكون عملية التأين من إزالة إلكترون من ذرة أو جزيء محايد مبدئيًا ، وبالنسبة للعديد من المواد ، فإن الحد الأدنى من الطاقة المطلوبة لهذه العملية ، هو حوالي 10 فولت إلكترون (eV) ، ويمكن اعتبار ذلك كحد أدنى لنطاق طاقات الإشعاع المؤين.

تتميز الأنواع الأكثر شيوعًا من الإشعاعات المؤينة بوجود طاقم جزيئي أو كمية تقاس بالآلاف أو الملايين من الفولت الإلكتروني (keV أو MeV، على التوالي)، وفي الطرف العلوي من مقياس الطاقة، سنركز في هذا النقاش على تلك الإشعاعات التي تتمتع بطاقات كمية أقل من حوالي 20 MeV.

يشمل نطاق الطاقة هذا أنواعا شائعة من الإشعاع المؤين الموجود في التحلل الإشعاعي وأنظمة الانشطار والاندماج والاستخدامات الطبية والصناعية للنظائر المشعة. ولا يشمل نظام فيزياء الجسيمات عالية الطاقة، حيث يمكن أن تصل الطاقات الكمومية فيها إلى مليارات أو تريليونات فولت إلكتروني. وفي هذا المجال من البحث، يفضل استخدام مكشافات أكبر وأكثر تخصصا من تلك التي تستخدم عادة للإشعاعات ذات الطاقة المنخفضة.

تفاعلات الإشعاع في المادة

تقسم الأنواع المختلفة من الإشعاع المؤين إلى فئتين رئيسيتين : توجد بعض الجسيمات التي تحمل شحنة كهربائية والأخرى لا، وفي المجموعة الأولى تشمل الإشعاعات التي يمكن رؤيتها على أنها جسيمات فردية مشحونة تحت الذرة، ويتمثل هذا الإشعاع، على سبيل المثال، في جسيماتألفا المنبعثة تلقائيًا من تحلل نوى ثقيلة غير مستقرة.

تتكون جسيمات ألفا من بروتونات ونيوترونات ويحملون شحنة موجبة بوحدتين. ويعد الإشعاع بيتا الناقص آخر مثال على الإشعاعات المنبعثة من تحلل بعض النوى المشعة، حيثير هذا النوع من الإشعاعات إلكترونات سريعة تحمل شحنة سالبة بوحدة واحدة 

وعلى الجانب المقابل، هناك أنواع أخرى من الإشعاع الغير مؤين، والتي لا تحمل شحنة كهربائية، وأمثلة شائعة لهذه الأنواع هي أشعة جاما، والتي يمكن تصويرها على أنها فوتونات كهرومغناطيسية ذات تردد عال، والنيوترونات، والتي يمكن تصويرها تقليديا على أنها جسيمات غير ذرية لا تحمل شحنة كهربائية، وفي النقاشات التالية، سيتم استخدام مصطلح `الكم` عموما لتمثيل جسيم واحد أو فوتون، بغض النظر عن نوعه.

تفاعل الإشعاعات المشحونة باستمرار مع المادة، ولذلك فهي النوع الوحيد من الإشعاعات التي يمكن اكتشافها مباشرة في الأجهزة المذكورة هنا، وعلى الجانب الآخر، يجب أن تتعرض الكميات غير المشحونة أولاً لتفاعل كبير يحولها بالكامل أو جزءًا منها إلى إشعاعات ثانوية مشحونة قابلة للاكتشاف.

يمكن بعد ذلك استنتاج خصائص الإشعاع الأصلي غير المشحون من خلال دراسة الجسيمات المشحونة التي يتم إنتاجها، وغالبًا ما تحدث هذه التفاعلات الرئيسية نادرًا، لذلك فإن انتقال الإشعاع غير المشحون عبر مواد صلبة لمسافات عدة سنتيمترات يحدث بشكل شائع قبل حدوث مثل هذه التفاعلات.

تميل الأدوات المصممة للكشف الفعال عن هذه الكميات غير المشحونة إلى السمك الكبير نسبيًا، وذلك لزيادة احتمالية مراقبة نتائج مثل هذا التفاعل داخل حجم الكاشف.

تفاعلات الجسيمات الثقيلة المشحونة

يشير مصطلح الجسيمات المشحونة الثقيلة إلى الجسيمات النشطة التي لها كتلة وحدة كتلة ذرية أو أكثر، مثل جسيمات ألفا، بالإضافة إلى البروتونات والديوترونات وشظايا الانشطار والجسيمات الثقيلة الأخرى التي يتم إنتاجها غالبا في المسرعات.

– تحمل الجسيمات الصغيرة هذه شحنة إلكترونية واحدة على الأقل، وتتفاعل أولاً مع المادة بفعل قوة كولوم الكهروستاتية الموجودة بين الشحنة الموجبة على الجسيم والشحنة السالبة على الإلكترونات التي تشكل جزءًا من المادة المتفاعلة.

وفي هذه الحالة ، تكون القوة جذابة بين الاتهامين المعاكسين ، عندما يمر جسيم مشحون بالقرب من إلكترون في جهاز الامتصاص ، فإنه ينقل جزءًا صغيرًا من زخمه إلى الإلكترون ، ونتيجة لذلك ، يتباطأ الجسيم المشحون قليلاً ، ويلتقط الإلكترون الذي كان في الأصل في حالة استراحة تقريبًا ، وبعضًا من طاقته الحركية في أي وقت ، ويتفاعل الجسيم المشحون في وقت واحد مع العديد من الإلكترونات في مادة الامتصاص ، والنتيجة الصافية لجميع قوى كولوم ، تعمل مثل السحب اللزج على الجسيم.

عندما يتم إدخال الجسيم في جهاز الامتصاص، يتباطأ حركته باستمرار حتى يتوقف، ونظرا لأن حجم الجسيم المشحون يفوق بآلاف المرات حجم الإلكترونات التي يتفاعل معها، فإنه ينحرف قليلا عن مسار مستقيم عند الراحة.

والوقت الذي ينقضي قبل توقف الجسيم يتراوح من بضع بيكو ثانية (1 × 10−12 ثانية) ، في المواد الصلبة أو السائلة إلى بضعة نانو ثانية (1 × 10−9 ثانية) في الغازات ، وهذه الأوقات قصيرة بما فيه الكفاية ، بحيث يمكن اعتبار وقت التوقف فوريًا للعديد من الأغراض ، ويتم افتراض هذا التقريب في الأقسام التالية التي تصف استجابة أجهزة الكشف عن الإشعاع.

تحتوي عملية تباطؤ الجسيمات على العديد من الخصائص المهمة لفهم سلوك كاشفات الإشعاع، بما في ذلك متوسط المدى الذي يقطعه الجسيم قبل أن يتوقف، والذي يزيد في حالة زيادة الطاقة الحركية الأولية للجسيم المشحون في مادة معينة.

والقيم النموذجية للجسيمات المشحونة ذات الطاقات الأولية لعدد قليل من MeV هي عشرات أو مئات الميكرومتر في المواد الصلبة ، أو السائلة وبضعة سنتيمترات في الغازات ، عند درجة حرارة وضغط عاديين ، والخاصية الثانية هي فقدان الطاقة المحدد عند نقطة معينة على طول مسار الجسيمات (المسار).

وتقيس هذه الكمية الطاقة التفاضلية المودعة لكل وحدة طول مسار (dE / dx) في المادة ، كما أنها دالة لطاقة الجسيمات ، بشكل عام عندما يتباطأ الجسيم ويفقد الطاقة ، تميل قيمة dE / dx إلى الزيادة ، وبالتالي تميل الكثافة التي يتم بها ترسيب الطاقة في الامتصاص ، على طول مسار الجسيم إلى التزايد كلما تباطأت.

القيمة المتوسطة لـ dE / dx للجسيمات المشحونة كبيرة نسبيًا بسبب المدى القصير وتشار إليها غالبًا باسم اشعة عالية الطاقة (high dE/dx radiation).

تفاعلات الإلكترونات السريعة

الإلكترونات النشطة مثل جسيمات بيتا ناقص، تتفاعل مع الإلكترونات في مادة الامتصاص عن طريق قوة كولوم، نظرا لأنها تحمل شحنة كهربائية. في هذه الحالة، تكون القوة مثيرة للاشمئزاز وليست جذابة، ولكن النتائج الصافية مشابهة لتلك التي لوحظت في الجسيمات الثقيلة المشحونة.

يعاني الإلكترون السريع من التأثير التراكمي للعديد من قوى كولوم المتزامنة، ويخضع لتباطؤ مستمر حتى يتم إيقافه، وبالمقارنة مع الجسيمات الثقيلة المشحونة، تكون المسافة التي يقطعها الإلكترون السريع أكبر عدة مرات، وذلك للحصول على طاقة أولية مكافئة.

كجسيم بيتا ، يمكن للجسيم أن يسافر مسافة مليمترين في المواد الصلبة النموذجية عندما يكون لديه طاقة مبدئية بطاقة 1 MeV ، وعدة أمتار في الغازات في الظروف القياسية. كما أن الإلكترونات السريعة ، بسبب كتلتها الأصغر بكثير من الجسيمات المشحونة الثقيلة ، ينحرف بسهولة أكبر على طول مساره.

بسبب الانحراف الكبير، ينحرف مسار الإلكترون السريع النموذجي بشكل كبير عن الخط المستقيم، والانحرافات عبر الزوايا الكبيرة ليست نادرة، حيث يسافر الإلكترون السريع ربما 100 مرة في مادة معينة، مثل الجسيمات الثقيلة المشحونة بنفس الطاقة الأولية، فيتناقص طاقته بكثافة أقل على طول مساره، ولهذا السبب غالبا ما يشار إلى الإلكترونات السريعة بأنها إشعاعات منخفضة dE / d.

وهناك اختلاف واحد مهم آخر في فقدان الطاقة للإلكترونات السريعة مقارنةً بالجسيمات الثقيلة المشحونة ، أثناء الخضوع لانحرافات كبيرة الزاوية ، يمكن للإلكترونات السريعة أن تشع جزءًا من طاقتها في شكل إشعاع كهرومغناطيسي ، يعرف باسم إشعاع الكبح ، يقع هذا الشكل من الإشعاع عادة ضمن منطقة الأشعة السينية من الطيف.

لا يتجاوز جزء طاقة الإلكترون السريع المفقود في شكل bremsstrahlung 1 في المائة للإلكترونات ذات الطاقة المنخفضة في المواد الخفيفة، بينما يزداد هذا الجزء بشكل كبير للإلكترونات ذات الطاقة العالية في المواد ذات الأرقام الذرية العالية.

تفاعلات أشعة جاما والأشعة السينية

يمكن أن يأخذ الإشعاع المؤين أيضًا شكل أشعة كهرومغناطيسية ، عندما تنبعث من الذرات المستثارة ، يتم إعطاؤها اسم أشعة X ولديها طاقات كمومية يتم قياسها عادةً من 1 إلى 100 كيلوفولت ، وعندما تنبعث من نوى متحمسة ، يطلق عليها أشعة جاما ، ويمكن أن تكون الطاقات المميزة عالية مثل العديد من MeV.

في كلتا الحالتين، يتبدل الإشعاع ليكون عبارة عن فوتونات طاقة كهرومغناطيسية، وبما أن الفوتون ليس له شحنة، فإنه لا يتفاعل بواسطة قوة كولوم، وبالتالي يمكن له أن يمر عبر مسافات طويلة في المادة دون تفاعل كبير، ويطلق على المسافة المتوسطة التي يمر بها بين التفاعلات اسم المسار الحر المتوسط، وتختلف المواد الصلبة فيما بينها، حيث تتراوح بين بضعة مليمترات للأشعة السينية ذات الطاقة المنخفضة وعشرات السنتيمترات للأشعة الجاما ذات الطاقة العالية.

عند حدوث تفاعل، قد يكون له تأثير كارثي، فتفاعل واحد قد يؤثر بشدة على طاقة الفوتون واتجاهه، أو حتى يجعله يختفي تمامًا. وفي هذا التفاعل، يتم نقل جزء أو كل طاقة الفوتون إلى أحد أو أكثر من الإلكترونات في مادة الامتصاص.

ونظرا لأن الإلكترونات الثانوية التي يتم إنتاجها بهذه الطريقة نشطة ومشحونة، فإنها تتفاعل بنفس الطريقة التي وصفت سابقا للإلكترونات الأولية السريعة، ويشار إلى وجود الأشعة السينية الأصلية أو الأشعة الجاما عن طريق ظهور الإلكترونات الثانوية. ومن الممكن استنتاج معلومات عن الطاقة التي تحملها الفوتونات الواردة عن طريق قياس طاقة هذه الإلكترونات، ويتم مناقشة الأنواع الرئيسية الثلاثة لهذه التفاعلات أدناه.

امتصاص كهروضوئي

يتفاعل فوتون الأشعة السينية أو فوتون أشعة غاما في هذه العملية مع ذرة المادة الماصة، ويختفي الفوتون تمامًا، ثم يتم نقل طاقته إلى أحد الإلكترونات المدارية للذرة، حيث تتجاوز هذه الطاقة بشكل عام طاقة الربط للإلكترون في ذرة المضيف بكثير، ويتم طرد الإلكترون بسرعة عالية.

تساوي طاقة الإلكترون الثانوي الحركية الطاقة الواردة من الفوتون، ويتم إنتاج هذا الإلكترون الثانوي بعد أن يتم امتصاص فوتون ذو طاقة أقل من طاقة ربط الإلكترون في الغلاف الذري الأصلي، وتترك العملية ذرة فارغة في إحدى قذائف الإلكترون الممتلئة عادةً، ويتم استبدال هذه الذرة الفارغة بإلكترون حر قريب بعد فترة زمنية قصيرة.

وتحرر عملية الملء هذه مرة أخرى طاقة الربط في شكل فوتون الأشعة السينية المميز ، والذي يتفاعل بعد ذلك عادةً مع الإلكترونات من قذائف أقل إحكامًا في الذرات القريبة ، مما ينتج إلكترونات سريعة إضافية ، وبالتالي فإن التأثير الكلي هو التحويل الكامل لطاقة الفوتون إلى الطاقة التي تحملها الإلكترونات السريعة.

نظرا لأنه يمكن الكشف عن الإلكترونات السريعة الآن من خلال تفاعلات كولوم، فيمكن استخدامها كأساس للكشف عن وجود الأشعة الغاما الأصلية أو الفوتونات السينية، ويمكن قياس طاقتها بالمقارنة مع قياس طاقة الفوتون المستقبل .

ونظرًا لأن العملية الكهروضوئية تؤدي إلى تحويل كامل لطاقة الفوتون إلى طاقة الإلكترون ، فإنها تعتبر إلى حد ما خطوة تحويل مثالية ، ويتم بعد ذلك اختزال مهمة قياس طاقة أشعة جاما ، لقياس ببساطة الطاقة المكافئة التي ترسبها الإلكترونات السريعة ، ولسوء الحظ ، يحدث أيضًا نوعان آخران من تفاعلات أشعة غاما مما يعقد خطوة التفسير هذه.

تناثر كومبتون

يمكن لأشعة غاما الواردة أن تتفاعل مع إلكترون حر واحد في جهاز الامتصاص من خلال عملية انتشار كومبتون. في هذه العملية، يتغير اتجاه الفوتون فجأة وينقل جزءًا من طاقته الأصلية إلى الإلكترون الذي يتشتت منه، مما ينتج عنه إلكترونًا مرتدًا نشطًا.

يعتمد جزء من طاقة الفوتون المنقول على زاوية الانتشار، حيث يتم نقل قدر قليل من الطاقة إلى الإلكترون عندما ينحرف الفوتون الوارد قليلاً فقط، ويحدث أقصى نقل للطاقة عندما يتشتت الفوتون الوارد من الإلكترون، ويتم عكس اتجاهه الأصلي.

نظرا لحدوث تشتت في جميع الزوايا بشكل عام، يتم إنتاج سلسلة من الإلكترونات المرتدة بمجموعة متصلة من الطاقات، تتراوح بين قرب الصفر والحد الأقصى، ويتم تمثيل الحد الأقصى بواسطة أعلى درجة تشتت خلفية، ويمكن توقع الحد الأقصى للطاقة عن طريق الحفاظ على الزخم والطاقة في تفاعل الفوتون والإلكترون، وهو حوالي 0.25 مليون إلكترون فولت تحت طاقة الفوتون العالية للأشعة الجاما، وبعد التفاعل، يكون للفوتون المبعثر طاقة أقل بمقدار الطاقة المنتقلة إلى الإلكترون المرتد، وقد يتفاعل فيما بعد في مكان آخر أو ببساطة يهرب.

إنتاج زوجي

تكون عملية تفاعل أشعة غاما الثالثة ممكنة عندما تكون طاقة الفوتون الواردة أعلى من 1.02 MeV ، في مجال نواة مادة الامتصاص ، قد يختفي الفوتون ويحل محله تشكيل زوج إلكترون بوزيترون ، الحد الأدنى من الطاقة اللازمة لإنشاء هذا الزوج من الجسيمات هو الطاقة المجمعة المتبقية من 1.02 MeV.

لذلك، لا يمكن حدوث إنتاج للزوج لطاقات الفوتون الواردة تحت هذا العتبة، وعندما تتجاوز طاقة الفوتون هذه القيمة، تظهر الطاقة الزائدة كطاقة حركية أولية مشتركة بين البوزيترون والإلكترون المتكون، حيث يعد البوزيترون جسيمًا مشحونًا إيجابيًا وله كتلة إلكترون سالبة عادية.

تتباطأ جسيمات عالية الطاقة وتفقد طاقتها على مسافة متوسطة تقريبًا مثل الإلكترونات السالبة المكافئة، لذلك يتم تحويل طاقة الجسيمين على مسافة لا تتجاوز بضعة مليمترات في المواد الصلبة النموذجية.

يتم إعطاء حجم الطاقة المودعة بواسطة طاقة الفوتون الأصلية بنقصان 1.02 مليون إلكترون فولت، عندما يصل البوزيترون في الزوج إلى نهاية مساره، يتحد مع إلكترون سالب عادي من جهاز الامتصاص في عملية تسمى الإبادة.

في هذه الخطوة، يختفي كل من الجسيمين ويتم استبدالهما بفوتوني إبادة، وكل منهما يحمل طاقة 0.511 MeV، وتشبه فوتونات الإبادة أشعة جاما في قدرتها على اختراق مسافات كبيرة من المادة دون التفاعل، وقد تخضع لتفاعلات كومبتون أو الكهروضوئية في مكان آخر، أو قد تهرب من أجهزة الكشف الصغيرة.

دور الطاقة والعدد الذري

تختلف احتمالية حدوث كل من آليات التفاعل الثلاثة مع طاقة أشعة جاما وعدد ذرات جهاز الامتصاص، حيث يسود الامتصاص الكهروضوئي في الطاقات المنخفضة ويتم تحسينه بشكل كبير في المواد ذات العدد الذري العالي.

لهذا السبب، يتم اختيار عناصر العدد الذري العالي بشكل رئيسي للكاشفات المستخدمة في قياسات طاقة أشعة جاما، وتشتت كومبتون هو التفاعل الأكثر شيوعًا للطاقات المعتدلة (من بضع مئات كيلوفولت إلى عدة ميجا إلكترون فولت).

يتميز إنتاج الأزواج بطاقات أعلى ويتم تحسينه أيضا في المواد ذات العدد الذري العالي، وفي الكواشف الكبيرة، يميل الفوتون المستقطع إلى إحداث تفاعلات متعددة، مثل تشتت كومبتون المتسلسل أو إنتاج الأزواج يليه تفاعل الفوتون، وبسبب الفترة الزمنية القصيرة بين هذه الأحداث، يتم إجمال طاقاتها لتحديد حجم النبض الكلي.