 Του Γιώργου Σαββίδη Εικόνα άρθρου: Σοβιετικοί μηχανικοί μετρούν τη ραδιενέργεια εδάφους στην πόλη Πριπιάτ, 3 χλμ μακριά από το πυρηνικό εργοστάσιο του Τσερνόμπιλ, 1986. (Πηγή: Росатом) Κάθε ιστορική περίοδος χαρακτηρίζεται από ένα σύνολο κοινωνικοοικονομικών αναγκών στο πλαίσιο των οποίων ο άνθρωπος καλείται να επιβιώσει και να αναπτυχθεί. Η επίλυση προβλημάτων τόσο της καθημερινής ζωής όσο και η απάντηση σε φιλοσοφικά ερωτήματα, οδήγησε βαθμιαία στην ανάπτυξη της επιστημονικής έρευνας. Θεμέλια συστατικά της τελευταίας αποτελούν δύο διαλεκτικά συνδεδεμένες έννοιες: η θεωρία και το πείραμα. Η συγκέντρωση ενός συνόλου παρατηρήσεων οδηγούν στην ανάπτυξη ενός γενικότερου κανόνα περιγραφής της πραγματικότητας, την θεωρία. Από την άλλη, η ανάπτυξη της θεωρίας ωθεί στην εξέλιξη νέων πειραματικών μεθόδων και διατάξεων για την επαλήθευση θεωρητικών προβλέψεων. Μία κατηγορία τέτοιων διατάξεων αποτελούν οι ανιχνευτές αερίου γεμίσματος (Gas Filled Detectors). Οι ανιχνευτές αερίου γεμίσματος είναι διατάξεις ανίχνευσης ιονίζουσας ακτινοβολίας με σημαντικές εφαρμογές στην σωματιδιακή φυσική και την ραδιοπροστασία. Οι συγκεκριμένοι ανιχνευτές αποτελούνται από δύο ηλεκτρόδια στα άκρα των οποίων εφαρμόζεται τάση, ενώ ανάμεσα τους παρεμβάλλεται κάποιο αέριο. Η αλληλεπίδραση της ιονίζουσας ακτινοβολίας με το αέριο, δημιουργεί ζεύγη ηλεκτρονίων/ιόντων, η κίνηση των οποίων κάτω από την επίδραση ηλεκτρικού πεδίου, οδηγεί στην δημιουργία ενός μετρήσιμου ρεύματος στην έξοδο. Η επιλογή της έντασης του πεδίου, της πίεσης και του είδους του αερίου, εξαρτάται από τις ανάγκες του δοσμένου προβλήματος. Η κατηγοριοποίηση τους ωστόσο, γίνεται με βάση την ένταση του πεδίου. Ως εκ τούτου, οι ανιχνευτές αερίου γεμίσματος χωρίζονται σε τρεις βασικές κατηγορίες: θάλαμοι ιονισμού, αναλογικοί απαριθμητές, και ανιχνευτές Geiger-Muller. Πιο συγκεκριμένα, η εικόνα 1, απεικονίζει το μετρούμενο ύψος του παλμού στην έξοδο σαν συνάρτηση της εφαρμοζόμενης τάσης (έντασης του πεδίου). Η σχέση μεταξύ του ύψους του παλμού και της εφαρμοζόμενης τάσης, καθορίζει τον τύπο του ανιχνευτή αερίου.  Εικόνα 1. Μεταβολές του ύψους του παλμού που παράγεται από τους διάφορους τύπους ανιχνευτών σαν συνάρτηση της εφαρμοζόμενης τάσης. Οι δύο καμπύλες αντιστοιχούν σε διαφορετικές ενέργειες της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. (αναφορά 1). Θάλαμοι ιονισμού Ας υποθέσουμε ότι διαθέτουμε ένα τροφοδοτικό υψηλής τάσης, έναν μετρητή ρεύματος και μία κλειστή κυλινδρική διάταξη αποτελούμενη από δύο ηλεκτρόδια με κατάλληλους πληρωτές αερίου για το γέμισμα και άδειασμα του κυλίνδρου με κάποιο αέριο. Αν κάποιος συνδέσει τα δύο ηλεκτρόδια της διάταξης στο τροφοδοτικό υψηλής τάσης, θα έχει θέσει σε λειτουργία έναν ανιχνευτή αερίου γεμίσματος. Το πρώτο πράγμα που θα παρατηρήσει ξεκινώντας από χαμηλή τάση θα είναι ότι το ύψος του παλμού στην έξοδο αυξάνεται με την αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης. Η δημιουργία παλμού στην έξοδο δηλώνει ότι το αέριο στο εσωτερικό του κυλίνδρου ιονίζεται από την παρουσία ιονίζουσας ακτινοβολίας. Ωστόσο όπως φαίνεται από την εικόνα 1, λόγω της χαμηλής τάσης που εφαρμόζεται ο συγκεκριμένος ανιχνευτής θα λειτουργεί στην περιοχή επανασύνδεσης (recombination). Επανασύνδεση είναι το φαινόμενο όπου ζεύγη ηλεκτρονίων/ιόντων, επανενώνονται για να σχηματίσουν ένα ουδέτερο άτομο. Εν προκειμένω, λόγω χαμηλής τάσης το ηλεκτρικό πεδίο στο εσωτερικό του κυλίνδρου είναι αρκετά ασθενές με αποτέλεσμα η δύναμη που ασκείται από το πεδίο στα φορτία (ηλεκτρόνια/ιόντα) να μην είναι αρκετή για να εμποδίσει την επανασύνδεση. Επομένως, ένας ανιχνευτής που λειτουργεί στην περιοχή επανασύνδεσης δεν χρησιμοποιείται για μετρήσεις. Η αύξηση της εφαρμοζόμενης τάσης, οδηγεί σε αύξηση της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου με συνέπεια την αποτελεσματικότερη συλλογή των φορτίων (ηλεκτρονίων/ιόντων) η οποία αντανακλάται από την αύξηση του ύψους του παλμού στην έξοδο. Η επιτυχής συλλογή όλων των παραγόμενων φορτίων είναι το χαρακτηριστικό των θαλάμων ιονισμού. Σε αυτή την περιοχή, περαιτέρω αύξηση της τάσης δεν θα επηρεάσει το μετρούμενο ρεύμα καθώς όλα τα φορτία συλλέγονται επιτυχώς από τα δύο ηλεκτρόδια. Εν γένει, στους θαλάμους ιονισμού είναι σχεδόν αδύνατο να εμποδιστεί εξ ολοκλήρου η επανασύνδεση, ωστόσο ειδικά σχεδιασμένοι ανιχνευτές μπορούν να κάνουν το συγκεκριμένο φαινόμενο αμελητέο.
Οι θάλαμοι ιονισμού χρησιμοποιούνται ευρέως στην ιατρική φυσική στον τομέα της ραδιοθεραπείας ως δοσίμετρα (αναφορά 3) για τους ασθενείς. Επίσης χρησιμοποιούνται στην πυρηνική βιομηχανία για την ραδιοπροστασία των εργαζομένων από την ραδιενέργεια. Αναλογικοί απαριθμητές Ως τώρα έχει γίνει αναφορά στον ιονισμό που προκαλείται από την πρόσπτωση ακτινοβολίας στο αέριο του ανιχνευτή. Ιονισμός αυτού του τύπου, ονομάζεται πρωτογενής ιονισμός. Εάν τα φορτία του πρωτογενούς ιονισμού έχουν αρκετή ενέργεια μπορούν να προκαλέσουν επιπλέον ιονισμούς, μια διαδικασία που ονομάζεται δευτερογενής ιονισμός. Επιπλέον ιονισμοί είναι εφικτό να προκληθούν εάν τα φορτία έχουν αρκετή ενέργεια για να ιονίσουν το αέριο. Για να συμβούν όλα τα παραπάνω απαιτείται μεγάλη διαφορά δυναμικού μεταξύ των δύο ηλεκτροδίων του ανιχνευτή, έτσι ώστε τα φορτία να αποκτούν αρκετά υψηλές ταχύτητες. Δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια είναι κατά πολύ ελαφρύτερα από τα ιόντα, αποκτούν μεγαλύτερη ταχύτητα από τα ιόντα και αποτελούν το κύριο αίτιο των ιονισμών. Ο επακόλουθος πολλαπλασιασμός των φορτίων που συμβαίνει υπό την επίδραση ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου αποτελεί εκείνο το χαρακτηριστικό που εκμεταλλεύονται οι αναλογικοί απαριθμητές. Σε αυτούς τους ανιχνευτές η αύξηση του ύψος του παλμού στην έξοδο είναι ανάλογη της αύξησης της εφαρμοζόμενης διαφοράς δυναμικού στα άκρα του ανιχνευτή, όπως φαίνεται χαρακτηριστικά στην εικόνα 1. Ο πολλαπλασιασμός των φορτίων συμβαίνει με τέτοιο τρόπο, που το ύψος του μετρούμενου παλμού είναι ανάλογο της εναποτιθέμενης ενέργειας στον ανιχνευτή. Πιο συγκεκριμένα, το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο τάξης kV/cm προκαλεί μια διαδικασία ραγδαίου πολλαπλασιασμού των πρωτογενών φορτίων που ονομάζεται χιονοστιβάδα (avalanche). Η αύξηση των φορτίων μέσω του μηχανισμού της χιονοστιβάδας έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση του ύψους του μετρούμενου παλμού.
Οι αναλογικοί απαριθμητές έχουν ευρεία εφαρμογή τόσο στην βασική έρευνα όσο και σε περισσότερο πρακτικά προβλήματα. Η ανάπτυξη αναλογικών απαριθμητών για την ανίχνευση νετρίνων αλλά και σκοτεινής ύλης αποτελεί μία από τις τρέχουσες ερευνητικές δραστηριότητες. Σε πιο πρακτικό επίπεδο, αναλογικοί απαριθμητές χρησιμοποιούνται ως δοσίμετρα στα πυρηνικά εργοστάσια για την προστασία του προσωπικού από την ραδιενέργεια, στη φασματοσκοπία α,γ και β (αναφορά 6) (αναφορά καθώς, στην ανίχνευση νετρονίων αλλά και κοσμικής ακτινοβολίας (μιονίων). Σχετικά πρόσφατα, το 2017 δημοσιεύτηκαν αποτελέσματα από την ανακάλυψη πιθανής άγνωστης έως τότε κοιλότητας στο εσωτερικό της πυραμίδας του Χέοπα(αναφορά 7) με την χρήση αναλογικού απαριθμητή με την μέθοδο της μιονικής ραδιογραφίας. Στην ουσία η τεχνική αυτή επιτρέπει την δημιουργία τρισδιάστατης εικόνας του χώρου βασιζόμενη σε πληροφορίες που παρέχει η σκέδαση Coulomb των μιονίων (αναφορά 8).
Εικόνα 4: Τυπική απεικόνιση της «χιονοστιβάδας» σχήματος υγρής σταγόνας. Η προσπίπτουσα ακτινοβολία (βέλος) ιονίζει το αέριο και παράγει ζεύγη ηλεκτρονίων/ιόντων κατά μήκος της διαδρομής. Αυτά τα φορτία αρχίζουν να κινούνται προς αντίθετες κατευθύνσεις εξαιτίας του ηλεκτρικού πεδίου. Τα ηλεκτρόνια όντας πολύ ελαφρύτερα από τα θετικά ιόντα κινούνται ταχύτερα και αφήνουν πίσω τους μία «ουρά» βραδύτερων θετικών φορτίων που κινούνται προς την κάθοδο. Να σημειωθεί ότι υπάρχει μια καθυστέρηση από τον πρωτογενή ιονισμό μέχρι την δημιουργία της χιονοστιβάδας.(αναφορές 1,5) Geiger-Muller Επιπλέον αύξηση της τάσης δημιουργεί ένα πολύ ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο με την σειρά του προκαλεί έντονες χιονοστιβάδες, με αποτέλεσμα την παραγωγή μεγάλου αριθμού ζευγών ηλεκτρονίων/ιόντων και την επακόλουθη δημιουργία ενός μεγάλου παλμού στην έξοδο. Αυτή είναι η περιοχή λειτουργίας των ανιχνευτών Geiger-Muller. Οι συγκεκριμένοι ανιχνευτές χρησιμοποιούνται για την απαρίθμηση των σωματιδίων της προσπίπτουσας ακτινοβολίας καθώς κάθε μεμονωμένο σωματίδιο προκαλεί κατάρρευση και δημιουργία ισχυρού σήματος στην έξοδο. Ο μετρούμενος παλμός δεν εξαρτάται από το είδος της προσπίπτουσας ακτινοβολίας ούτε είναι ανάλογος της εναποτιθέμενης ενέργειας με αποτέλεσμα οι ανιχνευτές Geiger-Muller να μην χρησιμοποιούνται στην φασματοσκοπία. Οι Geiger-Muller χρησιμοποιούνται για την ανίχνευση ακτινοβολίας τόσο φορτισμένων σωματιδίων όπως σωμάτια α και β όσο και μη φορτισμένων όπως νετρονίων και φωτονίων Χ και γ (αναφορά 11), (αναφορά 12). Η χρήση τους περιορίζεται ωστόσο στην μέτρηση του αριθμού των σωματιδίων της ιονίζουσας ακτινοβολίας καθώς δεν παρέχει πληροφορίες για την ενέργεια της.   Εικόνα 6: Αναπαράσταση της αρχής λειτουργίας του ανιχνευτή Geiger-Muller και μια πραγματική φωτογραφία του ανιχνευτή. Ιονίζουσα ακτινοβολία προσπίπτει στον ανιχνευτή, ιονίζει το αέριο και παράγει ένα ισχυρό σήμα στην έξοδο. Χρησιμοποιείται για την μέτρηση του αριθμού των σωματιδίων της προσπίπτουσας ακτινοβολίας (αναφορές 13,14) Αναφορές
Αναφορά 1: Physics and Engineering of Radiation Detection, Syed Naeem Ahmed, Queen’s University, Kingston, Ontario. Αναφορά 2: https://www.radiation-dosimetry.org/what-is-ionization-chamber-ion-chamber-definition/ Αναφορά 3: https://humanhealth.iaea.org/HHW/MedicalPhysics/TheMedicalPhysicist/Studentscorner/HandbookforTeachersandStudents/Chapter_21.pdf Αναφορά 4: https://www.researchgate.net/figure/Figure-1-3-Basic-composition-of-a-gas-filled-proportional-counter-taken-from-Knoll_fig1_265094172 Αναφορά 5: https://slideplayer.com/slide/10490201/ Αναφορά 6: https://www.uni-muenster.de/imperia/md/content/physik_kp/agkhoukaz/bamadipdok/ma_ecr.pdf Αναφορά 7: https://arxiv.org/pdf/1711.01576.pdf Αναφορά 8: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168900218313251 Αναφορά 9: http://hep.sci.brandeis.edu/MM.html Αναφορά 10: http://irfu.cea.fr/en/Phocea/Vie_des_labos/Ast/ast.php?t=fait_marquant&id_ast=2561 Αναφορά 11: https://www.geigercounters.com/Applications/ Αναφορά 12: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/0168900284900299 Αναφορά 13: https://sites.google.com/site/puenggphysics/home/unit-iii/gm-counter Αναφορά 14: https://byjus.com/physics/geiger-counter/ Comments are closed.
|
RSS Feed