آشکارساز های سوسوزن

مقدمه

 سوسوزن ها موادی هستند – جامد، مایه گاز، که وقتی تابش یوننده از آن ها می گذرد، تولید جرقه یا نور می کنند . نخستین جامدی که به عنوان یک آشکارساز ذره به کار رفت ، سوسوزنی بود که راترفورد در سال 1289 / 1910 ، در آزمایشهای خود در زمینه ی پراکندگی ذرات آلفا مورد استفاده قرار داد . در وسیله مورد استفاده ی او، ذرات آلفا به یک صفحه ی سولفور روی برخورده و تولید نور می کردند، و به کمک یا بی کمک یک میکروسکوپ شمرده می شدند . فرآیندی فوق العاده ناکارآ ، نادقیق، وقتگیر . این روش برای مدت 30 سال کنار گذاشته شد و دوباره وقتی که الکترونیک پیشرفته ، تقویت نور تولید شده در سوسوزن را امکان پذیر ساخت ، پژوهشگران به یاد آن افتادند .

مقدار نوری که در سوسوزن تولید می شود بسیار اندک است . پیش از آن که بتوان آن را به صورت یک تپ یا هر روش دیگری نگاشت باید تقویت شود . تقویت یا تکثیر نور سوسوزن با وسیله ای به نام تکثیر کننده ی فوتون( phototube ) صورت می گیرد . نام این وسیله نماینده ی عمل آن است : مقدار کمی نور را می گیرد، چندین بار آن را تقویت می کند، و در خروجیش یک تپ قوی میدهد . تقویت های از مرتبه ی 106 برای بسیاری از تکثیر کننده های فوتون تجارتی امری متداول است . سوای بهره جستن از یک تکثیر کننده فوتون، سیستم آشکارسازی که از سوسوزن بهره می گیرد با سایر سیستم ها تفاوتی ندارد  
کار یک شمارنده ی سوسوزن را می توان به دو مرحله مهم تقسیم کرد :

- جذب انرژی تابش فرودی به وسیله ی سوسوزن و تولید فوتونهایی در بخش دیدگانی طیف الکترومغناطیسی
2 - تقویت نور به وسیله ی تکثیر کننده ی فوتون و تولید تپ خروجی
بخشهایی که به دنبال می آیند، این دو مرحله را به تفصیل مورد بررسی قرار خواهند داد. برای بحث حاضر ، انواع مختلف سوسوزنها را به سه گروه تقسیم می کنیم :
1- سوسوزنهای غیر آلی

2 - سوسوزنهای آلی

3 - سوسوزنهای گازی

  سوسوزنهای غیر آلی (سوسوزنهای بلوری) :

بیشتر سوسوزنهای غیر آلی ، بلورهای فلزات قلیایی هستند ،به ویژه یدورهای قلیایی که مقدار کمی از یک ناخالصی را در بر دارند. ترکیبهای NAI)TI) و CsI)TI) و (CaI(Na) ، Lil(Eu  وCaF2)Eu) از این مقوله اند . عنصر داخل پرانتز همان ناخالصی یا فعالساز است . هرچند که فعالساز دارای غلظت نسبتا کمی است – مثلا تالیوم در Nal(Tl) بر پایه ی 10-3 بر مول است . ولی عاملی که موجب لیانی بلور می شود .

سازو کار فرآیند سوسوزنی :

لیانی سوسوزنهای غیر آلی را می توان بر مبنای نوارهای مجاز و ممنوع انرژی بلور درک کرد . حالتهای انرژی الکترونی یک اتم در ترازهای گسسته ای قرار دارند ، که در نمودار تراز انرژِی به وصورت خطهای گسسته ای نمایش داده می شوند . در یک بلور، در حالتهای مجاز انرژی پهن شده و به صورت نوارهایی در می آیند.

در حالت پایه بلور ، بالاترین نوار مجاز که شامل الکترونهاست کاملا پر است . این نوار را نوار ظرفیت می نامند . نوار مجاز بعدی خالی است ( در حالت پایه) و نوار رسانش خوانده می شود . یک الکترون ممکن است انرژی کافی از تابش فرودی دریافت کند و از نوار ظرفیت به نوار رسانش برود . در آنجا ، الکترون آزاد است که در هر جایی در درون شبکه حرکت کند . الکترون جابجا شده از خود در نوار ظرفیت حفره ای باقی می گذارد، که آن نیز می تواند حرکت کند . گاهی ، انرژِی داده شده به الکترون کافی نیست تا آنرا به نوار رسانش برساند . در عوض ، از نظر الکتروستاتیکی، الکترون یاد شده در قید حفره در نوار ظرفیت باقی می ماند . زوج الکترون – حفره ای که به این ترتیب به وجود می آید ، اکسیتون نام دارد . بر حسب حالتهای انرژی، اکسیتون با بالا رفتن الکترون به حالتی بالاتر از نوار ظرفیت اما پایینتر از نوار رسانش همخوان است . به این ترتیب ، حالتهای اکسیونی تشکیل نوار سومی می دهند که بخش بالایی آن منطبق با بخش زیرین نوار رسانش است .

سوسوزنهای گازی :

سوسوزنهای گازی ، مخلوطهایی از گازهای بی اثرند . 19 - 20 . سوسوزنها بر اثر گذارهای اتمی تولید می شوند . چون نور گسیل شده از گازهای بی اثر وابسته به ناحیه ی فرابنفش است، گازهای دیگری مثل ازت ، را به گاز اصلی می افزایند تا به صورت جابه جا گر طول موج عمل کنند . لایه های نازک مواد فلوئورسلن که برای اندودن دیوارهای درونی ظرف گاز به کار می روند نیز همین اثر را دارند . 

سوسوزنهای گازی ویژگیهای زیر را دارند : 
1 . زمان واپاشی خیلی کوتاه است .
2 . مقدار نور خروجی به ازای هر MeV ذخیره شده در گاز ، بستگی بسیار کمی به بار و جرم ذره ای که آشکار می شود دارد .
3 . بازده آشکار سازی گاما خیلی پایین است ./ این ویژگی ها، سوسوزنهای گازی را برای اندازه گیری ذرات باردار سنگین (آلفا، پاره های شکافت ، سایر یونهای سنگین) مناسب می سازند