تدقيق لغوي: أ. موانا دبس

تعتبر المواد الوامضة من أهمّ مكونات الكاشف الوميضي، حيث تعمل على تحويل الإشعاع المؤين إلى فوتوناتٍ (ومضات) ضوئية.

ما هي أقسام الوميض؟

1- وميض الفلورة (Fluorescence) يصدر ضوء الومضة (مرئياً أو فوق بنفسجي) خلال 10^-8sec.  

2- وميض الفسفرة (Phosphorescence) يصدر ضوء الومضة خلال دقائق، أو أيام، أو سنوات، لذا فهو يرمز إلى إصدار الوميض المتأخر.

والذي يهمنا بشكلٍ رئيسي هو وميض الفلورة أو وميض الفسفرة القصير العمر، وتسمّى المادة التي تقوم بفعل الوميض بالوامض. ^[1]

ما هي أنواع المواد الوامضة اللاعضوية؟

المواد الوامضة اللاعضوية قد تكون على شكل غازات، أو زجاج، أو بلورات، وآلية الوميض مختلفة بين هذه الأنواع الثلاث، وبالتالي زمن الاستجابة مختلف، فالمواد الوامضة البلورية والزجاجية تتصف بزمن استجابةٍ أبطأ مقارنةً مع البلورات العضوية، بينما تتصف المواد الوامضة الغازية باستجابةٍ سريعة.

1- المواد الوامضة الغازية

عند تعرض بعض الغازات الخاملة، مثل: الارغون (Argon)، والكريبتون (Krypton)، والكزيينون (Xenon) إلى الإشعاع المؤين، فإنها تصدر ومضاتٍ في المجال فوق البنفسجي للطيف، ولزيادة استجابة المضاعف الفوتوني لهذه الومضات يمكن تحويلها إلى ضوءٍ مرئي بواسطة مزيجٍ غازي ذي طولٍ موجي مناسب.

2- المواد الوامضة الزجاجية

مثل: سيلكات البور (Boron Silicate)، وتستخدم مثل هذه المواد في الكواشف الوميضية للكشف عن جسيمات بيتا وأشعة غاما، كما يمكن الكشف عن النيوترونات. 

3- البلورات اللاعضوية

هناك نوعان من البلورات الوامضة اللاعضوية، وهي: البلورات النقية، والبلورات المشوبة.

البلورات النقية

ومن أهمّ البلورات النقية الوامضة يوديد الصوديوم NaI، ويوديد السيزيوم CsI تتصف ببعض المزايا، ومنها:

1- تتمُّ فيها العمليات الوميضية بشكلٍ أسرع مما عليه في البلورات المشوبة.

2- زمن اضمحلال النبضة قصير نسبياً، حوالي عدة مئات نانو ثانية.

3- يمكن استخدامها من أجل معدل عدٍّ مرتفع.

ومن عيوبها:

1- لا تُستخدم بشكلٍ واسع لأن استخدامها يتمّ تحت درجات حرارة منخفضة.

2- ذات إصدارٍ وميضي ضعيف.

3- تنتج وميض الفسفرة.

البلورات المشوبة

يتمُّ الحصول على البلورات المشوبة عن طريق اشابة المادة النقية بكمياتٍ صغيرة من شوائب لمعدنٍ ثقيل، مثل: اليوربيوم Europium) (Eu))، والثاليوم Thallium) (Tl))، وتدعى هذه الشوائب بالمنشطات أو المحفزات، وهي تكتب بين قوسين بعد اسم البلورة المضيفة، مثلاً: في حالة البلورة النقية (المضيفة) يوديد الصوديوم NaI، وتمّت إشابتها بالثاليوم، فنكتب NaI (Tl).

آلية الوميض في البلورات المشوبة

عندما يمرّ الإشعاع المؤين ضمن المادة البلورية المشوبة، فان الطاقة المودعة في إلكترونات عصابة التكافؤ تؤهلها للانتقال لعصابة الناقلية، ويتشكل زوج إلكترون-ثقب. إن الثقب الموجب سينجرف بسرعةٍ إلى مكان توضع المنشط، ويؤينه كون طاقة تأين الشائبة أقل من تلك للشبكة البلورية.

بينما الإلكترون حر، ويتحرك ضمن البلورة إلى أن يصطدم بالمنشط المؤين، فيؤسره، ويتشكل منشط معتدل في حالةٍ طاقية مثارة ليتخلص من طاقة الإثارة، وينتقل إلى الحالة الطبيعية عن طريق إصدار فوتون لأشعة كهرطيسية. بما أن هذا الانتقال أصغر بكثير من مجال الطاقة المحظور (المجال الطاقي بين عصابة التكافؤ وعصابة الناقلية) فإن الإصدار الناتج يقع عادةً ضمن مجال الضوء المرئي. ^{[1] [2] [3]}

إن المراكز النشطة (Activation Centers) لها دوران:

1- تأسر وتحول الطاقة الحرارية الزائدة للإلكترونات في عصابة الناقلية، وبذلك يمكن استخدام هذه البلورات في درجة حرارة الغرفة.

2- تعمل كمزيح لطول الموجة، فهي تحول الضوء البنفسجي إلى ضوءٍ مرئي، وهناك أنواع من الشوائب تشكل سويات طاقة أخفض بقليل من عصابة الناقلية، حيث تعمل هذه السويات على أسر الإلكترونات من عصابة الناقلية، وبالتالي تؤخر من عملية اضمحلال النبضة الوميضية، تدعى مثل هذه الشوائب بمصائد (Traps).

يؤدي أسر الإلكترونات في هذه المصائد لفترةٍ طويلة من إنقاص مردود الضوء الصادر، وبالتالي يتحول دورها لمعامل قمع (Quenching) لعملية الوميض.

ما هي أهمُّ أنواع البلورات اللاعضوية؟

1- بلورة يوديد الصوديوم المشابة بالثاليوم NaI (Tl) للكشف عن أشعة غاما، وتمتاز هذه المواد الوامضة بمردودٍ مرتفع، ولكن تتصف بزمن اضمحلال مرتفع نسبياً مقارنةً مع المواد الوامضة العضوية، لذلك يكون الوامض NaI (Tl) غير مستحب عندما يكون مطلوب استجابة سريعة، كما أن عنصر اليود الموجود في مادة الوامض يعطي قدرة إيقافٍ أكبر لأشعة غاما.

2- بلورة يوديد السيزيوم المشابة بالثاليوم CsI (Tl).

3- بلورة يوديد الليثوم المشاب بعنصر اليوربيوم Eu في الكشف عن النيوترونات.

4- بلورة كبريتيد الزنك ZnS المشاب بالفضة Ag، ويكون على شكل طبقاتٍ رقيقة كون هذه البلورة تصبح بسرعة غير شفافة للضوء الصادر عنها، وتستخدم للكشف عن جسيمات ألفا.

إن جميع البلورات السابقة يجب حفظها بعيداً عن الرطوبة، ولحمايتها من الرطوبة تغطى بطبقةٍ رقيقةٍ من سائل البارافين، وقد مكنت سهولة صنع الكواشف الوميضية بأشكال هندسية مختلفة، وبحجوم كبيرة، وبكلفة منخفضة من جعلها واسعة الانتشار في تطبيقات كشف التلوث الإشعاعي وقياسه، إضافةً إلى استخداماتها في التطبيقات الطبية.

إن أهمّ تطبيقات بلورة يوديد الصوديوم المشابة بالثاليوم NaI (Tl) في الكواشف الوميضية للكشف عن أشعة غاما في جهاز كاميرا غاما الذي يستخدم في مجالات التشخيص الإشعاعي. يعدُّ كاشف NaI (Tl) من أهمّ تطبيقات الكواشف الوميضية لكشف أشعة غاما، فهو يملك خطيةً جيدةً على مجالٍ واسعٍ من الطاقة ومقطعه الفعال بالنسبة للتفاعل الكهرضوئي لأشعة غاما كبيرٌ نسبياً.

ما هي خصائص المادة الوامضة المثالية؟

يجب أن تتمتع المادة الوامضة المثالية بالخواص التالية:

1- مردود عالٍ لتحويل الطاقة الحركية للجسيمات المشحونة إلى وميضٍ ضوئي.

2- تناسبٌ خطيّ بين الطاقة الحركية المتحولة إلى وميضٍ ضوئي وطاقة الجسيمات المشحونة، وأن يكون ذلك على مجالٍ واسعٍ من الطاقة.

3- شفافية للضوء الذي تصدره هذه المواد لكي نتمكن من تجميعه بمردودٍ عالٍ على سطح البلورة.

4- زمن تخامدٍ صغيرٍ من أجل توليد نبضةٍ كهربائية وبشكلٍ سريع.

5- أن تتصف بنقاوةٍ عالية، وقابلية للتصنيع بأحجام وأشكال مختلفة.

6- أن تمتلك قرينة انكسار قريبة من قرينة انكسار الزجاج (1.5)، وذلك لتتمّ عملية انتقال الضوء إلى المضاعف الفوتوني بفعاليةٍ عالية.

لا يوجد حتى الآن مادة تتصف بجميع الخصائص السابقة. لذلك يتمُّ اختيار المادة الوامضة بحيث تحقق العدد الأكبر من الخصائص السابقة، وبشكلٍ يتوافق مع الغاية المصنعة لها. تعتبر الكواشف اللاعضوية الأفضل من حيث الخرج الضوئي والخطية، ولكنها ذات استجابةٍ بطيئةٍ نسبياً. بينما الكواشف العضوية فهي ذات استجابةٍ سريعة، ولكن مردودها الضوئي منخفض.