تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

الأشعة المؤينة هي أشعة غير مرئية، لذلك يجب إيجاد طرق ووسائل للكشف عن هذه الأشعة وقياسها. يسبّب تعرض الإنسان لهذه الأشعة آثاراً سلبية على صحته، لذلك من الضروري إيجاد أجهزةٍ تستطيع تحديد كمية الإشعاع ونوعه، ومدى خطورته على الإنسان لإيجاد الطرق للوقاية من أخطار هذه الأشعة.

كواشف الإشعاع النووية

يتمُّ الكشف عن الأشعة من خلال التأثيرات المتبادلة لهذه الأشعة مع المادة، وقد تكون هذه التأثيرات فيزيائيةً أو كيميائية. تسمّى المواد التي تتأثر بالإشعاع بشكلٍ يمكن معه » الاستفادة من الأثر الناتج « بكواشف الإشعاع (Radiation Detectors)، وتعرف كواشف الإشعاع النووية بأنها أجهزة تستخدم في الكشف عن الإشعاعات النووية المختلفة، وقياس طاقة تلك الإشعاعات.

تستخدم كواشف الإشعاع النووية للكشف عن جسيمات (ألفا، بيتا، البروتونات، النيوترونات) أو للكشف عن الإشعاع الكهرطيسي (الأشعة السينية، أشعة غاما)، وتعتمد هذه الكواشف في عملها على عمليات التأيُّن الذي يُحدثها الإشعاع عند مروره في المادة وفقده لطاقته، حيث تعتمد عمليات التأيُّن على:

1- نوع الإشعاع وطاقته.

2- طبيعة المادة التي يمرُّ فيها الإشعاع. 

تعتبر الكواشف الإشعاعية العنصر الأهمّ في أجهزة عدّ الفوتونات أو الجسيمات، وذلك لتعيين النشاط الإشعاعي لعينةٍ مأخوذةٍ من البيئة، أو لقياس نشاطٍ مائعٍ حيوي من شخصٍ يُعتقد أنه قد تلوث داخلياً، وتستعمل كأجهزةٍ للمسح الإشعاعي (Portable radiation-survey meters) هناك أنواع عديدة لكواشف الإشعاع النووي، وأهمّها الكواشف الوميضية.

الكاشف الوميضي

وهي إحدى أنواع الكواشف المستخدمة في الكشف عن الإشعاعات المؤينة. تبدي بعض المواد خصائص إصدار ومضاتٍ ضوئية لدى تفاعل الإشعاع المؤيّن معها، وتسمّى تلك المواد بالوامضات، وقد اكتشف هذه الظاهرة لأول مرة العالم كروك (Crook) عام 1903 حينما رصد بواسطة مجهرٍ ضوئي ومضاتٍ على حاجزٍ مطلي بمادة كبريت الزنك ZnS عند صدمه بجسيمات ألفا. إن أول محاولة لعدّ جسيمات ألفا عن طريق رصد الومضات الضوئية كان بواسطة العالم رجنر (Regener) عام 1908. ^[1]

ما هي مكونات الكاشف الوميضي؟

1- المادة الوامضة أو الوامضات (Scintillators)

هي المادة التي تستقبل الإشعاع، وتحوله إلى فوتوناتٍ ضوئية، عن طريق تفاعل الإشعاع مع المادة على طول مساره فيها، ويكون هذا التفاعل: مباشراً، كما في حال الجسيمات المؤيّنة، مثل: جسيمات ألفا وبيتا، وغير مباشر، كما هو الحال بالنسبة للأشعة الكهرومغنطيسية، مثل: الأشعة السينية وأشعة غاما، حيث تتفاعل أشعة غاما مع المادة الوامضة منتجةً جسيماتٍ مشحونة، والتي بدورها تتفاعل مع المادة الوامضة من جديد مصدرةً الوميض الضوئي، ويمكن أن تصنف المواد الوامضة إلى عضويةٍ ولا عضوية.

2- صفيحة عاكسة مثل الألمنيوم

تغلف المادة الوامضة لتسهل تجميع الضوء.

3- أنبوبة المضاعف الفوتوني (Photo Multiplier Tube)

استبدلت في الكواشف الوميضية الحديثة عين الإنسان بجهازٍ إلكتروني يدعى المضاعف الفوتوني، يعمل هذا الجزء من الكاشف على تحويل الفوتونات الضوئية الصادرة عن المادة الوامضة إلى نبضاتٍ كهربائية، أي تحويل الطاقة الضوئية إلى طاقةٍ كهربائية.

المضاعف الفوتوني عبارة عن أنبوبٍ زجاجي مفرغ من الهواء يُطلى جزؤه العلوي المواجه للمادة الوامضة بمادةٍ حساسة للفوتونات الضوئية مهمتها تحويل هذه الفوتونات إلى إلكتروناتٍ أولية، ويسمّى المهبط الضوئي، وغالباً ما يكون من مادة Cs-Sb، وللمهبط من هذا النوع استجابة أعظمية للضوء عند النهاية الزرقاء للطيف.

يلي هذا الجزء مجموعة من الأقطاب تدعى المساري (Dynodes) المتتالية. يطبق بين كل مسرى، وآخر فرق جهد محدد نحصل عليه عادةً عن طريق مجزئ جهدٍ موصولٍ مع جهد عالٍ يصل إلى 2KV، ومهمة فرق الجهد هو خلق مجالٍ كهربائي لتسريع الإلكترونات المقتلعة من المهبط بين كل مسريين بحيث تكتسب هذه الإلكترونات طاقةً أكبر لتكون قادرةً على اقتلاع إلكتروناتٍ ثانويةٍ أخرى من المادة المشكلة لمادة المسرى.

بالنتيجة يستطيع كل مسرى أن يزيد أو يضاعف من عدد الإلكترونات، وفي النهاية نحصل على سيلٍ من الإلكترونات الثانوية التي يتمّ التقاطها بواسطة المصعد، يمكن أن يملك المضاعف الفوتوني 13 أو 16 مسرى، وللمسرى بنية شريحة معدنية مغطاة بطبقةٍ رقيقة من معدن له معامل إصدارٍ ثانوي مرتفع، مثل: Cs-Sb أو Ag-Mg  أن عدد الإلكترونات التي تصل المصعد تكون أكبر بمليون مرة تقريباً من عدد الإلكترونات التي تصل أول مسرى.

تسمّى نسبة الإلكترونات الثانوية إلى الإلكترونات الأولية بمعامل التضخيم، ويقدر بحوالي مليون. إن الإلكترونات الواصلة إلى المصعد تنتج نبضةً كهربائيةً ارتفاعها يتعلق بشحنة الإلكترونات التي تدخل إلى أجهزة معالجة الإشارة (مضخم أولي، مضخم، محلل متعدد الأقنية) توجد عدة تصاميم للمضاعف الفوتوني، حيث يمكن تصميمه والأجزاء الداخلية له بعدة أشكال من أجل تحسين خواصه وعمله. ^[2]

ما هي آلية عمل الكواشف الوميضية؟

تعمل الكواشف الوميضية (Scintillation Detectors) على مبدأ الإثارة، فعندما تعبر الأشعة المؤينة الكاشف الوميضي تثير ذرات الوسط إلى مستويات طاقةٍ أعلى، وبعودتها إلى حالتها الأساسية تصدر فوتونات تقع أطوالها الموجية في مجال الضوء المرئي، ويتناسب عدد الفوتونات الضوئية طردياً مع طاقة الإشعاع المودعة في الكاشف.

يتمُّ تحويل تلك الومضات الضوئية إلى نبضاتٍ كهربائية بوساطة أنبوبة المضاعف الفوتوني، وتتناسب سعة نبضة الخرج طردياً مع طاقة الأشعة المودعة في الكاشف؛ وبذلك يمكن استخدام الكواشف الوميضية لقياس طاقة الإشعاع. ^[3]

ما هي العمليات التي تحدث في الكاشف الوميضي؟

هناك عدة عمليات تحدث في الكاشف الوميضي بدءاً من سقوط الإشعاع على المادة الوامضة، ونهاية بتشكل النبضة الكهربائية.

1- عملية الامتصاص

إذا كانت أبعاد المادة الوامضة كبيرةً مقارنةً مع مدى الجسيمة الساقطة، عندها تخسر الجسيمة المشحونة كل طاقتها إلى المادة الوامضة. في حال سقوط أشعة غاما على المادة الوامضة، فيتمُّ امتصاص هذه الأشعة بثلاث طرق مختلفة: المفعول الكهرضوئي، تشتت كومبتون، إنتاج الأزواج، ويصدر عن كل حالةٍ إلكترونات بطاقاتٍ حركيةٍ مختلفة.

2- عملية الوميض

تفقد الإلكترونات الصادرة طاقتها الحركية بإثارة المادة الوامضة، وعندما تعود الذرات المثارة إلى حالتها الأساسية تصدر وميضاً (Luminescence)، ويسمّى بالوميض الفوتوني (لأنه مُحدث بواسطة الفوتونات).

3- تشكل النبضة الكهربائية

إن الإلكترونات الساقطة على المهبط تنتج نبضةً كهربائية، ويكون ارتفاع هذه النبضة مرتبطاً بمقدار الشحنة المتجمعة عند المخرج، وهي تتناسب مع الطاقة المودعة في الكاشف الوميضي. ^[4]