پاورپوینت دوره مقدماتی حفاظت در برابر اشعه

دوره مقدماتی حفاظت در برابر اشعه
آشکارسازهای پرتو

مرکز تحقیقات تابش، دانشگاه شیراز

رئوس مطا لب
1- آشکارسازهای گازی
2- آشکارسازهای سوسوزنی Scintillation Detectors
3- آشکار سازهای نوترون
4- کاربرد آشکارسازها
5- انتخاب آشکار سازها

هدف آشکارسازی
پی بردن به وجود میدانهای پرتوهای یونساز
شناخت نوع و انرژی پرتو های یونساز
اندازه گیری وتخمین کمیت های پرتو دهی و دز سنجی
کنترل پرتوگیری در رابطه با اثرات بیولوژیکی پرتوها

مقدمه
با توجه به توسعه روزافزون صنایع هسته ای استفاده از آشکارسازهای پرتو از جمله اندازه گیریها،کنترل واکنشهای هسته ای، پژوهش و… نقش اساسی را دارا بوده و میباشد.
پرتو ها در محیطهای مناسب ، آثار الکتریکی، شیمیایی ، نورانی ، گرمایی و…ایجاد مینمایند
تقسم بندی آشکارسازها بر اساس ساز وکار تولید پاسخ:
گازی،
سوسوزن،
نیمه هادی و
رد پای هسته ای

ساختمان وسازوکار آشکارسازهای گازی

اساس کار این آشکارسازها براساس ایجاد یونش می باشد.

پر نمودن فضای بین الکترودها از گاز مناسب
اعمال اختلاف پتانسیل(v) بین دو الکترود
حرکت جفت یونها به طرف الکترودهای ناهمنام
وسیله اندازه گیری در آشکارساز
منبع تغذیه

ساختمان وسازوکار آشکارسازهای گازی(ادامه)

منحنی مشخصه آشکارسازهای گازی
نقش ولتاژ در تغییرات پاسخ آشکارسازهای گازی

منحنی مشخصه آشکارسازهای گازی(ادامه)

ناحیه ترکیب مجدد ( I )
ناحیه اتاقک یونش (II)
ناحیه تناسبی (III)
ناحیه گایگر مولر(IV)
– ناحیه تخلیه الکتریکی (V)

ناحیه (I) ترکیب مجدد
ایجاد یو نسازی اولیه
اعمال میدان الکتریکی ضعیف بین آند و کاتد
ترکیب مجدد اکثر یونهای اولیه
پاسخ ناپایدار و ضعیف دستگاه

ناحیه (II) یونش
ایجاد یو نسازی مقدماتی
اعمال میدان الکتریکی مناسب بین آند و کاتد
جمع آوری تمام یو نسازی اولیه توسط الکترودها
تغییرات اندک جریان یونش نسبت به تغییر ولتاژ
وابستگی اندک پاسخ نسبت به نوع و انرژی پرتو
تاثیرافزایش ولتا‍‍ ژ روی سرعت جمع آوری بار

ناحیه (III) تناسبی
میدان الکتریکی شدید
تکثیر الکترون به شکل بهمن در نزدیکی آند
متناسب بودن تعداد بهمن ها با تعداد یونهای اولیه وانرژی
بزرگی قابل توجه پالس خروجی نسبت به ناحیه یونش
وابستگی ارتفاع پالس به نوع وانرژی پرتو

ناحیه (IV) گایگر مولر
اعمال میدان الکتریکی بسیار زیاد
تکثیرالکترونی به شکل بهمن در تمام حجم آشکار ساز
تکثیر بهمن ها وافت میدان الکتریکی بین آند وکاتد
ثابت بودن ارتفاع پالس نسبت به یونش اولیه
مستقل بودن ارتفاع پالس ازانرژی ونوع پرتو

ناحیه(V)
در اثرافزایش ولتا‍ژاعمالی بین الکترودها از یک حد آستانه(4V):
در مدت کوتاهی تمام گاز یونیزه شده و تخلیه الکتریکی صورت می گیرد.
گاز عایق درون آشکارسازبه هادی تبدیل شده واتصال کوتاه بین آند وکاتدصورت می پذیرد.

نواحی (II) و (III) و (IV) مورد کاربرد در آشکارسازهای گازی می باشد.

اتاقک یونش و کاربردآن
اساس کار یونسازی مقدماتی است
درناحیه یونش (II) کار می کند
در این ناحیه ارتفاع پالس خروجی برای یک پرتوباانر‍ژی مشخص تغییر چندانی ندارد.
وابستگی به نوع(LET) و انرژی پرتو
پالس خروجی نیاز به تقویت دارد و در ثبت ذرات آلفا ، یونهای سنگین و پاره های شکافت مورد استفاده قرار میگیرد.
قابلیت تفکیک انواع پرتووپرتوهای با انر‍ژی متفاوت را دارا می باشد.

نمونه هایی از اتاقک یونش

آشکارساز اتاقک یونش

شمارنده تناسبی و کاربردآن
در ناحیه تناسبی (III) کار می کند
در این ناحیه تکثیر الکترونی(بهمن قابل کنترل)صورت می پذیرد
ارتفاع پالس خروجی به نوع و انر‍ژی پرتو بستگی دارد
ارتفاع پالس خروجی برای یک ذره با تغییر ولتاژتغییر میکند.
پالس خروجی نیاز به تقویت ندارد
قابلیت شمارش ذرات آلفا وبتا را دارا می باشد
قابلیت اسپکترومتری ایکس ، گاما ونوترونهای سریع را دارد
بعنوان دزیمتردر دزیمتری پرتوهای گاما ونوترون استفاده می شود
برای تعیین تعداد جفت یونهای حاصل از ضریب تقویت گازی استفاده می شود که با افزایش ولتاژافزایش می یابد.

نمونه ای ازیک شمارنده تناسبی
شمارنده تناسبی باپنجره تیتانیم (برتولد LB122)

شمارنده گایگرمولر و کاربرد آن
در ناحیه (IV) کار میکند
تکثیر الکترونی(بهمن غیر قابل کنترل )صورت می پذیرد
ارتفاع پالس خروجی به نوع و انرژی ذره بستگی ندارد
ارتفاع پالس بزرگ است و نیاز به تقویت کننده ندارد
زمان مرگ این آشکار سازبسیارطولانی است
ناحیه تخت (پلاتو)این آشکار ساز دارای گستره وسیعی است

شمارنده گایگرمولرو کاربرد آن (ادامه )
قابلیت شمارش ذرات آلفا و بتا با پنجره مناسب را دارد
کاربرد به عنوان سروی میتر
کاربرد دزیمتری در محدوده دزتعیین در حفاظت دربرابر اشعه

Model 450
non-pressurized
Model 450P
pressurized
Model PIC-6
pressurized

نمایی از شمارنده گایگر پن کیک

زمان مرگ (Dead time)
زمان مرگ:حداقل مدت زمان لازم برای شمارش بین دو ذره متوالی فرودی در حجم حساس آشکار ساز.

زمان بهبودی:فاصله زمانی بین زمان مرگ و بدست آمدن پالس کامل اولیه

زمان تفکیک:مجموع زمان مرگ و زمان بهبودی

آشکارسازهای سوسوزنی
سوسوزن ها (Scintillation) :مواد مایع،جامدو یا گازی شکل هستند که در اثربرخورد پرتو به آنها جرقه نوری تولید می گردد.
مقدار نور تولید شده در هر فرایند سوسوزنی بسیار کوچک است و برای تولید پالس مناسب نیاز به تقویت دارد.
لوله تقویت گر نوری، نور کم دریافتی راپس از تبدیل به الکترون به شدت تقویت می نماید.

آشکارسازهای سوسوزنی
فرآیند آشکار سازی سوسوزن:
جذب پرتو فرودی در سوسوزن و تولید فوتونهای مرئی
تقویت نور مرئی به وسیله لوله تقویت گرنوری و تولید پالس
تقسیم بندی سوسوزن ها:
سوسوزن های معدنی
سوسوزن های آلی
سوسوزن های گازی

ویژگی های سوسوزن های معدنی
اغلب کریستال فلزات قلیایی،به ویژه یدورهای فلزات قلیایی هستند(یدور سدیم )که حاوی مقادیر جزئی از ناخالصی ها (تالیم) میباشند. نظیر:NaI(TI),CsI(Tl),LiI(Eu)
چگالی جرمی زیاد
شفافیت
تفکیک انرژی خوب
اندازه گیری پرتو های زمینه

ساختمان کلی آشکار سازهای سوسوزن
کریستال سوسوزن
محیط شفاف برای عبور نور تولیدشده
پرده فوتوکاتدو آند
الکترودهای داینودی(8 تا 12عدد) برای تکثیر الکترونی
منبع تغذیه (High voltage)

نمای کلی یک آشکار سوسوزن

NaI(Tl) نمونه ای ازآشکارساز سنتیلاسیون
Application: Low Energy Gamma optimized for 125I
Detector Type: 1" diameter by 0.04" thick NaI(Tl)
Window: 75.4 mg/cm2 aluminum window
Sensitive Area: 0.79 inch2
Operating Voltage: 1,000 V nominal
Dead Time: 8 s nominal
Background Sensitivity: ~ 60 cpm/mR/h (137Cs)
Energy Response/Photon: ~ 95% 125I
Energy Range: ~ 15 to 200 kev
Operating Temp: -30o to +60o C
Housing: Aluminum body
Size: 4.2 x 20.1 cm
Weight: 340 g

آشکارسازهای نوترون
اساس کار :
به علت خنثی بودن نوترونها برخورد آنهابا ماده، دارای هیچ گونه اثر مستقیم در ساختمان الکترونی اتمها نیست .
با نفوذ به داخل هسته اتم در اکثر عناصر تغییرات اساسی ایجاد می کند.(به دنبال واکنشهای هسته ای )
این واکنشها تابعی از انرژی نوترون است. مثال :برخورد نوترون(حرارتی وسریع ) با 10-B
تولید ذرات باردار (آلفاوپروتون )حاصل از برخورد نوترون با عناصر سبک اساس کار این آشکار ساز است.

آشکارسازهای نوترون(ادامه)
انواع آشکار سازهای نوترون:
آشکارسازتناسبی نوترون حرارتی (BF3)
تولید پالس های هم ارتفاع برای ذرات آلفای تک انرژی (واکنش نوترون حرارتی بامواد گازی نظیر(BF3
آشکارساز تناسبی نوترون حرارتی (He3)
پروتونهای تک انر‍ژی (واکنش نوترون حرارتی با گاز He3)

آشکارسازهای نوترون(ادامه)
آشکارساز سوسوزنی (6LiI)
حساسیت آشکار ساز نسبت به نوترونهای حرارتی

دزیمتر نوترونی مجهز به کندکننده:
جهت آشکارسازی نوترون های سریع
استفاده از مواد کند کننده پارافین،پلی اتیلن در ساخت آشکارساز قابل حمل.(به شکل کروی یا استوانه ای )

نمونه هایی ازآشکارسازهای نوترون

کاربردآشکارسازها در حفاظت دربرابراشعه
مهمترین کاربردآشکارسازها دزیمتری پرتوهاست.
دزیمترها: آشکارسازهایی هستند که پاسخ آنها بیانگر انرژی جذب شده در مواد مختلف است(حجم حساس آشکارسازو بافت بدن )و در واقع دز حذبی و دز معادل.

تقسیم بندی ابزارهای فیزیک بهداشت بسته به نوع کاربردشان:
ابزار دیدبان فردی(فیلم بج،هشداردهنده فردی و…)
ابزار جستجوگر قابل حمل(جستجو گر کوتی پای و…)
ابزار دیدبان ثابت(دیده بان دست و پاو…)

انتخاب آشکارساز
عوامل موثر در انتخاب آشکار ساز:
وزن دزیمتر های قابل حمل و نقل ، استحکام مکانیکی، سهولت کاربرد، تعمیرات، سهولت رفع آلودگی و قابل اعتماد بودن.

آشکار ساز هابا توجه به نوع پرتو، درجه بندی شده وباید دارای ویژگیهای زیر نیز باشند:
توانایی واکنش به پرتو فرودی
ساختمان آشکار سازباید به گونه ای طراحی شودکه در مقابل پرتو ورودی واکنش مناسب نشان دهد.

انتخاب آشکارساز(ادامه)
حساسیت
بمنظور اندازه گیری پرتو در سطح مطلوب، دارای حساسیت کافی باشد.
زمان پاسخ
زمان لازم برای اینکه یک آشکار ساز، 63% قرائت نهایی را نشان دهد

انتخاب آشکارساز(ادامه)
وابستگی به انرژی پرتو:
از جمله مشخصات یک آشکار ساز ، گستره انرژی است که پاسخ آشکار ساز در آن گستره مفید است

توسط سازنده به صورت دقت دستگاه تا 10 درصد واقعی از keV80 تاMeV2 یا به کمک منحنی وابستگی انرژی مشخص می شود.

انتخاب آشکارساز(ادامه)
وابستگی به جهت پرتو:
در برخی از وسایل اندازه گیری با تغییر جهت، مقادیرقرائت شده دز به شدت تغییر می کند
عوامل موثر در وابستگی پاسخ آشکار ساز به جهت پرتودهی :
شکل هندسی چشمه
وضعیت هندسی اندازه گیری
نوع آشکار ساز و شکل هندسی آن

نمونه سوالات آشکارسازی
102- اساس کار آشکارسازهای گازی مبتنی است بر:
الف- اثرات نورانی حاصل از برخورد پرتو با گاز آشکارساز
ب- اثرات الکتریکی حاصل از برخوردپرتو با گاز آشکارساز
ج- اثرات شیمیایی حاصل از برخورد پرتو با گاز آشکارساز
د- اثرات حرارتی حاصل از برخورد پرتو با گاز اشکارساز

103- برخی عوامل مهم در انتخاب یک دزیمتر مناسب عبارتند از:
الف- میزان حساسیت به دز ب- وابستگی به انرژی پرتو
ج- زمان پاسخ د- همه موارد

نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)
104- در یک آشکارساز گازی زوج یون تولید شده دراثر—— و
تحت تاثیر——– به طرف الکترود های ناهمنام حرکت کرده و جذب
جذب می شوند.
الف- اعمال شدت، میدان الکتریکی ب- اختلاف پتانسیل، برخورد پرتو
ج- برخورد پرتو، شدت میدان الکتریکی د- اعمال شدت میدان، پرتوورودی

105- عامل اصلی ایجادپاسخ در آشکارسازهای گازی عبارت است:
الف- جفت یونسازی ب- ایجاد فوتون های نورانی
ج- تحریک الکترونی د- ایجاد حفره – الکترون

106- برای جلوگیری از ترکیب مجدد یونها در اتاقک یونسازباید:
الف- ولتاژ کار آشکار ساز بالاتر از ناحیه تخت (پلاتو) باشد
ب- ولتاژکار آشکارساز پایین تر از ناحیه تخت باشد.
ج- ولتاژ اشکارساز روی ناحیه تخت باشد.
د- موارد الف وج

نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

107- پاسخ اتاقک یونساز متناسب است با:
الف- تعدادذرات پرتو که وارد حجم حساس شده و پاسخ به انرژی ونوع پرتو بستگی ندارد
ب- مجموع بارهای الکتریکی اولیه هم علامت که در اثر برخورد ذرات پرتودرحجم حساس تولید میگردد.
ج- مجموع بارهای الکتریکی هم علامت اولیه وثانویه در حجم آشکارساز.
د- هیچکدام

نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

108- در یک آشکارساز فرضی که می تواند عملکرد شمارنده
گایگر-مولر، شمارنده تناسبی و اتاقک یونساز راداشته باشد ولتاژ
کار برای کدامیک بیشتر است؟
الف- ناحیه تناسبی
ب- ناحیه اتاقک یونساز
ج- ناحیه گایگرمولر
د- ولتاز کار برای سه ناحیه یکسان است

نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

109- علامت الکتریکی (پالس) برای کدام یک از پرتو های هم انرژی آلفا،بتا، گاما ونوترون در یک آشکارساز اتاقک یوساز بزرگتر است.
الف- آلفا ب- نوترون ج- بتا د- گاما

110- در منحنی مشخصه آشکارسازهای گازی که تغییرات ارتفاع پالس را بر حسب دو سر آشکارساز نشان می دهد چند ناحیه ولتاژ، مناسب آشکار سازهای گازی است؟
الف- 1 ب- 2 ج- 3 د- تمام نواحی
نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

111- ارتفاع پالس در کدام یک آشکارسازهای گازی زیر در منحنی مشخصه آشکارسازهای گازی بزرکتر است؟
الف- اتاقک یونساز ب- شمارنده سوسوزن
ج- گایگرمولر د- همه موارد

112- ضریب تقویت گازی برای آشکار ساز اتاقک یونش برابر است با:
الف- صفر- ب- 1 ج- 10 د- 1000

نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

113- پاسخ آشکار ساز گایگر مولرمتناسب است با:
الف- شدت پرتو ورودی، به نوع و انرژی پرتو بستگی ندارد
ب- مجموع بارهای الکتریکی که در اثر برخورد پرتو در حجم حساس تولید می گردد
ج- انرژی پرتوهایی که به حجم حساس وارد می شوند و به تعداد ذرات پرتو بستگی ندارد.
د- انرژی پرتو ورودی.

114- خروجی آشکارساز——– علامت الکتریکی بلند تقویت شده ای است که ارتفاع آن مستقل از انرژی و نوع پرتو ورودی است.
الف- گایگر مولر ب- تناسبی
ج- اتاقک یونش د- الف- ب
نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

115- ترتیب بزرگی علامت های الکتریکی (پالس) پرتوهای,, هم انرژی در اتاقک یونش به صورت زیر است:
الف – << ب- <<
ج- << د- <α<

116- چه عامل فیزیکی سبب ایجاد الکترون های ثانویه در آشکار ساز تناسبی و گایگر-مولر می شود؟
الف- بالا بودن شدت میدان الکتریکی
ب- بالابودن شدت پرتو ورودی
ج- بزرگ بودن حجم آشکارساز
د- هیچکدام
نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

117- کدام یک از آشکارسازهای زیر آشکار ساز فعال (Active) نیست؟
الف- آشکارساز تناسبی ب- آشکارساز گایگر مولر
ج- فیلم بج د- آشکارساز سوسوزن یدور سدیم

118- زمان مرگ در کدام آشکار سازبیشتر حایز اهمیت است؟
الف- اتاقک یونساز ب- شمارنده تناسبی
ج- شمارنده گایگر د- شمارنده سوسوزن

نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

119- در ساختمان دزیمتر قلمی چه نوع آشکار سازمورد استفاده قرار
می گیرد؟
الف- گایگر- مولر ب- اتاقک یونساز
ج- سوسوزن د- همه موارد

120- آشکارسازی ایده آل است :
الف- پاسخ آن متناسب باشدت پرتو ورودی باشد
ب- پاسخ آن تابعی از انرژی پرتو ورودی باشد
ج- زمان مرگ آن کوتاه باشد
د- دارای تمام خصوصیات بالا باشد

نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

121- فوتو مولتی پلایر در کدام آشکار ساز به کار می رود؟
الف –NaI(Tl)
ب- اتاقک یونش
ج- شمارنده گایگرمولر
د- هیچکدام
نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

122- شمارنده سوسوزن بر اساس کدام اثر ناشی از برخوردپرتو با ماده عمل می کند؟
الف- اثرنوری ب- اثرشیمیایی
ج- اثر الکتریکی د- اثر گرمایی

123- در لوله فوتو مولتی پلایر عامل تبدیل نوربه الکترون چه نام دارد؟
الف- ناخالصی ب- فوتو کاتد
ج- داینود د- سوسوزن
نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

124- تزاید الکترونی در یک آشکارساز سوسوزن که مجهز به لوله فوتومولتی پلایر است در کدام قسمت صورت می گیرد؟
الف- در فوتوکاتد ب- در داینودها
ج- در ماده سوسوزن د- در ماده ناخالصی

125- آشکار ساز سوسوزن یدور سدیم برای طیف نگاری کدام پرتو مناسب است؟
الف- آلفا ب- بتا ج- نوترون د- گاما

نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

126- کدام نوع شمارنده در ساخت دزیمتر نوترونی BF3 مورد استفاده است؟
الف- شمارنده تناسبی ب- شمارنده گایگرمولر
ج- شمارنده سوسوزن د- موارد الف وج

127- در دزیمترهای نوترونی کدام عنصردر ساختمان کند کننده که اطراف آشکار سازرا در برگرفته است اهمیت اساسی دارد؟
الف- نیتروژن ب- کربن
ج- اکسیژن د- هیدروژن

نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)

128- یک دزیمترنوترون دارای کند کننده ، میتواند:
الف- فقط دز نوترون های سریع را اندازه گیری کند
ب- فقط دز نوترون های حرارتی اندازه گیری کند
ج- دز معادل یک پرتو نوترون را صرفنظر از انرژی اندازه گیری کند
د- بدون پوشش کند کننده می تواند دز نوترونهای سریع را اندازه گیری کند.
نمونه سوالات آشکارسازی(ادامه)