غرفة التأين
غرفة التأين هي أبسط أنواع كاشفات التأين الغازية ، وتُستخدم على نطاق واسع للكشف عن أنواع عديدة من الإشعاع المؤين وقياسها ، بما في ذلك الأشعة السينية ، وأشعة غاما ، وجسيمات ألفا ، وجسيمات بيتا . يشير مصطلح "غرفة التأين" عادةً إلى الكواشف التي تجمع جميع الشحنات الناتجة عن التأين المباشر داخل الغاز من خلال تطبيق مجال كهربائي. [ 1 ] تستخدم هذه الغرفة الشحنات المنفصلة الناتجة عن كل تفاعل بين الإشعاع الساقط والغاز لإنتاج خرج على شكل تيار مستمر صغير . هذا يعني أنه لا يمكن قياس أحداث التأين الفردية، وبالتالي لا يمكن التمييز بين طاقة أنواع الإشعاع المختلفة، لكنها توفر قياسًا دقيقًا جدًا للتأثير التأييني الكلي.
تتميز هذه الأجهزة باستجابة موحدة جيدة للإشعاع عبر نطاق واسع من الطاقات، وهي الوسيلة المفضلة لقياس مستويات عالية من أشعة غاما، كما هو الحال في الخلايا الإشعاعية الساخنة ، حيث يمكنها تحمل فترات طويلة في مجالات إشعاعية عالية دون أن تتدهور. وتُستخدم على نطاق واسع في صناعة الطاقة النووية، ومختبرات الأبحاث، وأنظمة الكشف عن الحرائق ، والحماية من الإشعاع ، والرصد البيئي .
مبدأ التشغيل
تقيس غرفة التأين الغازية الشحنة الناتجة عن أزواج الأيونات المتولدة داخل الغاز بفعل الإشعاع الساقط. تتكون هذه الغرفة من حجرة مملوءة بالغاز مزودة بقطبين كهربائيين ، يُعرفان بالأنود والكاثود . قد يكون القطبين على شكل لوحين متوازيين (غرف التأين ذات اللوحين المتوازيين: PPIC)، أو أسطوانة تحتوي على سلك أنود داخلي محوري.
يُطبَّق فرق جهد بين الأقطاب الكهربائية لتوليد مجال كهربائي في غاز التعبئة. عندما تتأين ذرات أو جزيئات الغاز الموجودة بين الأقطاب بفعل الإشعاع المؤين الساقط ، تتكون أزواج أيونية ، وتتحرك الأيونات الموجبة الناتجة والإلكترونات المنفصلة إلى الأقطاب ذات القطبية المعاكسة تحت تأثير المجال الكهربائي. يُولِّد هذا تيار تأين يُقاس بواسطة دائرة مقياس كهربائي في نطاق يتراوح بين الفيمتو أمبير والبيكو أمبير ، وذلك تبعًا لتصميم الحجرة، ويتناسب طرديًا مع جرعة الإشعاع. [ 1 ]
يجب أن يكون المجال الكهربائي قويًا بما يكفي لمنع إعادة اتحاد أزواج الأيونات، الأمر الذي من شأنه أن يقلل من تيار الأيونات، كما يُمنع تراكم الأيونات الموجبة من خلال إعادة اتحادها مع الإلكترونات عند وصولها إلى المهبط. يُشار إلى نمط التشغيل هذا بنمط "التيار"، مما يعني أن إشارة الخرج عبارة عن تيار مستمر، وليس نبضة خرج كما هو الحال في أنبوب جايجر-مولر أو العداد النسبي. [ 1 ]
بالرجوع إلى الرسم البياني المرفق لتجميع أزواج الأيونات، يتضح أن شحنة زوج الأيونات المُجمّع في منطقة تشغيل غرفة التأين تظل ثابتة فعليًا ضمن نطاق الجهد المُطبّق، وذلك لأن غرفة التأين لا تُحدث أي تأثير تضخيم نظرًا لانخفاض شدة مجالها الكهربائي نسبيًا. وهذا يختلف عن أنبوب جايجر-مولر أو العداد النسبي، حيث تُضخّم الإلكترونات الثانوية، وفي نهاية المطاف الانهيارات المتعددة، شحنات التأين الأصلية بشكل كبير لإنتاج نبضات قابلة للقياس. [ 1 ]
أنواع الحجرات وبنيتها
تُستخدم أنواع الحجرات التالية بشكل شائع.
غرفة الهواء الحر
هذه حجرة مفتوحة على الهواء، حيث يكون غاز التعبئة هو الهواء المحيط. يُعدّ كاشف الدخان المنزلي مثالًا جيدًا على ذلك، إذ يتطلب تدفقًا طبيعيًا للهواء عبر الحجرة للكشف عن جزيئات الدخان من خلال تغير التيار الأيوني. ومن الأمثلة الأخرى تطبيقات تُنتج فيها الأيونات خارج الحجرة، ولكن يتم إدخالها إليها بواسطة تدفق قسري للهواء أو الغاز.
حجرة تهوية
تكون هذه الحجرات عادةً أسطوانية الشكل وتعمل عند الضغط الجوي، ولكن لمنع دخول الرطوبة، يُركّب مرشح يحتوي على مادة مجففة في خط التهوية. [ 2 ] يهدف هذا إلى منع تراكم الرطوبة داخل الحجرة، والتي قد تتسرب بفعل تأثير "المضخة" الناتج عن تغير ضغط الهواء الجوي. تتكون هذه الحجرات من جسم أسطواني مصنوع من الألومنيوم أو البلاستيك بسماكة بضعة ملليمترات. يُختار نوع المادة بحيث يكون لها عدد ذري مشابه لعدد ذرات الهواء، ما يجعل جدار الحجرة "مكافئًا للهواء" ضمن نطاق واسع من طاقات حزمة الإشعاع. [ 1 ] [ 3 ] [ 4 ] يضمن هذا أن يتصرف الغاز داخل الحجرة كما لو كان جزءًا من حجم غاز لا نهائي، ويزيد من الدقة بتقليل تفاعلات أشعة غاما مع مادة الجدار. كلما زاد العدد الذري لمادة الجدار، زادت احتمالية التفاعل. يمثل سُمك الجدار حلاً وسطاً بين الحفاظ على تأثير الهواء باستخدام جدار أكثر سُمكاً، وزيادة الحساسية باستخدام جدار أرق. غالباً ما تحتوي هذه الحجرات على نافذة طرفية مصنوعة من مادة رقيقة بما يكفي، مثل المايلر، للسماح بدخول جسيمات بيتا إلى حيز الغاز. يدخل إشعاع غاما من خلال النافذة الطرفية والجدران الجانبية. بالنسبة للأجهزة المحمولة، يُصنع سُمك الجدار موحداً قدر الإمكان لتقليل اتجاهية الفوتونات، على الرغم من أن استجابة نافذة بيتا تكون اتجاهية للغاية. تتأثر الحجرات ذات التهوية بتغيرات طفيفة في الكفاءة مع ضغط الهواء [ 2 ] ، ويمكن تطبيق عوامل تصحيح لتطبيقات القياس عالية الدقة.
حجرة محكمة الإغلاق ذات ضغط منخفض
تتشابه هذه الحجرات في تصميمها مع الحجرات ذات التهوية، لكنها محكمة الإغلاق وتعمل عند الضغط الجوي أو بالقرب منه. كما تتميز هذه الحجرات بعدم حاجتها إلى فتحة تهوية أو مادة مجففة. ولتحسين كفاءة الكشف، تُملأ بغاز نبيل لأن الأكسجين عالي الكهرسلبية في الهواء يلتقط بسهولة الإلكترونات الحرة، مكونًا أيونات سالبة. وتحد قوة نافذة بيتا من فرق الضغط المسموح به عن الضغط الجوي، وتُصنع عادةً من الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم بسماكة نموذجية تبلغ 25 ميكرومترًا. [ 5 ]
غرفة الضغط العالي
يمكن زيادة كفاءة الحجرة باستخدام غاز عالي الضغط. عادةً ما يُستخدم ضغط يتراوح بين 8 و10 ضغط جوي، وتُستخدم غازات نبيلة متنوعة. يؤدي الضغط العالي إلى زيادة كثافة الغاز، وبالتالي زيادة احتمالية تصادمه مع غاز التعبئة وتكوين أزواج أيونية بفعل الإشعاع الساقط. ونظرًا لزيادة سُمك الجدار اللازم لتحمّل هذا الضغط العالي، لا يمكن الكشف إلا عن أشعة غاما. تُستخدم هذه الكواشف في أجهزة المسح ولرصد البيئة. [ 2 ]
هندسة الحجرة
تُستخدم عادةً حجرة أسطوانية أو "مخروطية" لقياسات العلاج الإشعاعي . يحتوي هذا الجهاز على تجويف أسطواني الشكل يحتوي على مادة فعالة، وله سطح موصل داخلي (مهبط) ومصعد مركزي. يؤدي تطبيق جهد انحياز عبر التجويف إلى تجميع الأيونات وإنتاج تيار كهربائي يمكن قياسه باستخدام مقياس كهربائي.
تتخذ غرف التأين ذات الألواح المتوازية (PPIC) شكل قرص صغير، مزودة بأقطاب تجميع دائرية تفصل بينها فجوة صغيرة، عادةً 2 مم أو أقل. يتميز القرص العلوي برقة فائقة، مما يسمح بقياس جرعات الإشعاع بالقرب من السطح بدقة أعلى بكثير من تلك الممكنة باستخدام غرفة أسطوانية. تُعد غرف المراقبة عادةً من نوع PPIC، وتُستخدم لقياس شدة حزمة الإشعاع بشكل مستمر، كما هو الحال داخل رأس المعجلات الخطية المستخدمة في العلاج الإشعاعي . تستطيع غرف التأين متعددة التجاويف قياس شدة حزمة الإشعاع في مناطق مختلفة، مما يوفر معلومات حول تناظر الحزمة وتجانسها.
غرف البحث والمعايرة
استُخدمت النسخ الأولى من غرفة التأين من قِبل ماري وبيير كوري في عملهما الأصلي لعزل المواد المشعة. ومنذ ذلك الحين، أصبحت غرفة التأين أداة شائعة الاستخدام في المختبرات لأغراض البحث والمعايرة.
غرف تاريخية
حجرة المكثف
تحتوي حجرة المكثف على تجويف ثانوي داخل ساقها يعمل كمكثف . عندما يُشحن هذا المكثف بالكامل، يُعاكس أي تأين داخل الغلاف هذه الشحنة، ويمكن قياس التغير في الشحنة. وهي عملية فقط للحزم ذات طاقة 2 ميغا إلكترون فولت أو أقل، كما أن تسرب التيار العالي من ساقها يجعلها غير مناسبة للقياس الدقيق للجرعات.
غرفة الاستقراء
يشبه تصميم حجرة الاستقراء تصميم حجرة الألواح المتوازية، حيث يمكن خفض اللوح العلوي باستخدام براغي ميكرومترية. ويمكن إجراء القياسات بمسافات مختلفة بين الألواح، ثم استقراء النتائج إلى مسافة تساوي صفرًا، أي الجرعة بدون الحجرة.
أنواع الآلات الموسيقية
محمول باليد
تُستخدم غرف التأين على نطاق واسع في أجهزة قياس الإشعاع المحمولة لقياس إشعاع بيتا وجاما. وهي مفضلة بشكل خاص لقياس معدلات الجرعات العالية، وبالنسبة لإشعاع جاما، فإنها توفر دقة جيدة للطاقات التي تزيد عن 50-100 كيلو إلكترون فولت. [ 1 ]
هناك تكوينان أساسيان؛ الوحدة "المتكاملة" التي تحتوي على الحجرة والإلكترونيات في نفس العلبة، والجهاز "المكون من قطعتين" والذي يحتوي على مسبار حجرة تأين منفصل متصل بوحدة الإلكترونيات بواسطة كابل مرن.
توجد حجرة الجهاز المتكامل عادةً في مقدمة الغلاف متجهةً للأسفل، أما في أجهزة قياس أشعة بيتا/جاما، فتوجد نافذة في أسفل الغلاف. تحتوي هذه النافذة عادةً على واقٍ منزلق يسمح بالتمييز بين أشعة جاما وبيتا. يقوم المشغل بإغلاق الواقي لاستبعاد أشعة بيتا، وبالتالي يمكنه حساب معدل كل نوع من أنواع الإشعاع.
تُصدر بعض الأجهزة المحمولة نقرات مسموعة مشابهة لتلك التي يُصدرها عداد جايجر-مولر لمساعدة المشغلين، الذين يستخدمون التغذية الراجعة الصوتية في مسح الإشعاع وفحص التلوث. وبما أن غرفة التأين تعمل بنظام التيار المستمر وليس بنظام النبضات، فإن هذه النقرات تُستنتج من معدل الإشعاع.
تم التثبيت
في قياسات العمليات الصناعية وأنظمة التعشيق التي تتطلب مستويات إشعاع عالية ومستمرة، تُعدّ غرفة التأين الكاشف المفضل. في هذه التطبيقات، توضع الغرفة فقط في منطقة القياس، بينما تُوضع الإلكترونيات في مكان بعيد لحمايتها من الإشعاع، وتُوصل بكابل. يمكن استخدام الأجهزة المُثبّتة لقياس أشعة غاما المحيطة لحماية الأفراد، وعادةً ما تُصدر إنذارًا عند تجاوز معدل مُحدد مسبقًا، مع العلم أن أنبوب جايجر-مولر يُفضّل عمومًا في الحالات التي لا تتطلب مستويات عالية من الدقة.
الاحتياطات العامة أثناء الاستخدام
تُعدّ الرطوبة المشكلة الرئيسية التي تؤثر على دقة غرف التأين. يجب الحفاظ على جفاف الحجم الداخلي للغرفة تمامًا، ويستخدم النوع المُهوى مادة مجففة للمساعدة في ذلك. [ 2 ] نظرًا لانخفاض التيارات المتولدة، يجب تقليل أي تيار تسرب طفيلي إلى أدنى حد ممكن للحفاظ على الدقة. قد تكون الرطوبة غير المرئية الممتصة للرطوبة على سطح عوازل الكابلات والموصلات كافية لإحداث تيار تسرب يفوق أي تيار أيوني ناتج عن الإشعاع. يتطلب هذا تنظيفًا دقيقًا للغرفة ونهاياتها وكابلاتها، ثم تجفيفها في فرن. تُستخدم "حلقات الحماية" عادةً كخاصية تصميمية في أنابيب الجهد العالي لتقليل التسرب عبر أو على طول سطح عوازل توصيلات الأنابيب، والتي قد تتطلب مقاومة في حدود 10^ 13 أوم. [ 6 ]
بالنسبة للتطبيقات الصناعية التي تحتوي على إلكترونيات بعيدة، يتم وضع غرفة التأين في غلاف منفصل يوفر الحماية الميكانيكية ويحتوي على مادة مجففة لإزالة الرطوبة التي يمكن أن تؤثر على مقاومة الإنهاء.
في المنشآت التي تكون فيها حجرة التأين بعيدة عن أجهزة القياس الإلكترونية، قد تتأثر القراءات بالإشعاع الكهرومغناطيسي الخارجي المؤثر على الكابل. وللتغلب على ذلك، تُستخدم عادةً وحدة تحويل محلية لتحويل تيارات حجرة التأين المنخفضة جدًا إلى سلسلة نبضات أو إشارة بيانات مرتبطة بالإشعاع الساقط. هذه الوحدات محصنة ضد التأثيرات الكهرومغناطيسية.
التطبيقات
صناعة الطاقة النووية
تُستخدم غرف التأين على نطاق واسع في الصناعة النووية لأنها توفر ناتجًا يتناسب طرديًا مع جرعة الإشعاع . وتُستخدم بكثرة في الحالات التي يتم فيها قياس معدل جرعة عالٍ وثابت، نظرًا لعمرها التشغيلي الأطول مقارنةً بأنابيب جايجر-مولر القياسية، التي تعاني من تحلل الغازات ويقتصر عمرها عادةً على حوالي 10¹¹ حدث عد. [ 1 ] إضافةً إلى ذلك، لا يمكن لأنبوب جايجر-مولر العمل بمعدل يزيد عن 10⁴ عد في الثانية تقريبًا، بسبب تأثيرات زمن التوقف، بينما لا يوجد قيد مماثل على غرفة التأين.
أجهزة كشف الدخان
وجدت حجرة التأين استخدامًا واسعًا ومفيدًا في أجهزة كشف الدخان . في جهاز كشف الدخان من نوع التأين، يُسمح للهواء المحيط بالدخول بحرية إلى حجرة التأين. تحتوي الحجرة على كمية صغيرة من الأمريسيوم-241 ، وهو باعث لجسيمات ألفا التي تُنتج تيارًا أيونيًا ثابتًا. إذا دخل الدخان إلى الجهاز، فإنه يُعطّل هذا التيار لأن الأيونات تصطدم بجزيئات الدخان وتتعادل. هذا الانخفاض في التيار يُفعّل جهاز الإنذار. يحتوي الجهاز أيضًا على حجرة مرجعية مُحكمة الإغلاق ولكنها تُؤيَّن بنفس الطريقة. تُتيح مقارنة التيارات الأيونية في الحجرتين التعويض عن التغيرات الناتجة عن ضغط الهواء أو درجة الحرارة أو تقادم المصدر. [ 7 ]
قياس الإشعاع الطبي
في الفيزياء الطبية والعلاج الإشعاعي ، تُستخدم غرف التأين لضمان أن الجرعة المُعطاة من وحدة العلاج [ 8 ] أو المستحضر الصيدلاني الإشعاعي هي الجرعة المطلوبة. تُسمى الأجهزة المستخدمة في العلاج الإشعاعي "مقاييس الجرعات المرجعية"، بينما تُسمى تلك المستخدمة في المستحضرات الصيدلانية الإشعاعية "معايرات جرعات النظائر المشعة" - وهو اسم غير دقيق لمعايرات النشاط الإشعاعي للنويدات المشعة ، والتي تُستخدم لقياس النشاط الإشعاعي وليس الجرعة الممتصة. [ 9 ] تحتوي الغرفة على عامل معايرة مُحدد من قِبل مختبر معايير وطني مثل ARPANSA في أستراليا أو NPL في المملكة المتحدة، أو يكون لها عامل مُحدد بالمقارنة مع غرفة معيارية قابلة للتتبع إلى المعايير الوطنية في موقع المستخدم. [ 4 ] [ 10 ]
إرشادات حول استخدام التطبيق
أصدرت هيئة الصحة والسلامة المهنية في المملكة المتحدة دليلًا للمستخدم حول اختيار جهاز قياس الإشعاع المناسب للتطبيق المحدد. [ 11 ] ويغطي هذا الدليل جميع تقنيات أجهزة قياس الإشعاع، وهو دليل مقارن مفيد لاستخدام أجهزة غرف التأين.
انظر أيضاً
ملحوظات
مراجع
- 1 2 3 4 5 6 7 8 كنول، جلين ف. (1999). الكشف عن الإشعاع وقياسه (الطبعة الثالثة ). نيويورك: وايلي. ISBN 978-0-471-07338-3.
- ١ ٢ ٣ ٤ شتاينماير، بول ر. (٢٠٠٣). "غرف التأين: كل ما أردت معرفته (لكنك خشيت السؤال عنه)" (ملف PDF) . مجلة RSO . ٨ (٥). مؤرشف من الأصل (ملف PDF) بتاريخ ١٥ سبتمبر ٢٠١٢. تم الاطلاع عليه بتاريخ ١٨ أغسطس ٢٠١٣ .
- ↑ سيكو، جواو؛ كلاسي، بن؛ بارتريدج، مايك (21 أكتوبر 2014). "مراجعة لخصائص كاشفات الإشعاع المستخدمة في قياس الجرعات والتصوير" . الفيزياء في الطب وعلم الأحياء . 59 (20): R303– R347. Bibcode : 2014PMB....59R.303S . doi : 10.1088/0031-9155/59/20/R303 . PMID 25229250 .
- هيل ، روبن؛ هيلي، بريندان؛ هولواي، لويس؛ كونشيتش، زدينكا؛ ثويتس، ديفيد؛ بالدوك، كلايف (21 مارس 2014). "تطورات في قياس جرعات حزم الأشعة السينية ذات الجهد العالي". الفيزياء في الطب وعلم الأحياء . 59 (6): R183– R231 . Bibcode : 2014PMB....59R.183H . doi : 10.1088/0031-9155/59/6/R183 . PMID 24584183. S2CID 18082594 .
- ↑ أوراق مواصفات غرفة التأين من شركة LND
- ↑ تايلور، د.؛ شارب، ج. (أبريل 1951). "كاشفات الجسيمات النووية والإشعاع. الجزء 1: غرف التأين وأجهزة غرف التأين". وقائع معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات - الجزء 2: هندسة الطاقة . 98 (62): 174-190 . doi : 10.1049/pi-2.1951.0058 .
- ↑ كوت، آرثر؛ بوغبي، بيرسي (1988). "أجهزة كشف الدخان الأيونية". مبادئ الحماية من الحرائق. كوينسي، ماساتشوستس: الرابطة الوطنية للحماية من الحرائق. ص 249. ISBN 0-87765-345-3.
- ↑ هيل، ر؛ مو، ز؛ حق، م؛ بالدوك، س (2009). "تقييم غرف التأين لقياس الجرعات النسبية لحزم الأشعة السينية ذات الجهد العالي". الفيزياء الطبية . 36 (9 الجزء 1): 3971-3981 . Bibcode : 2009MedPh..36.3971H . doi : 10.1118/1.3183820 . PMID 19810470 .
- ↑ مو، ل.؛ راينهارد، إم. آي.؛ ديفيز، جيه. بي.؛ أليكسييف، د.؛ بالدوك، سي. (أبريل 2006). "معايرة معاير الجرعة Capintec CRC-712M للفلور-18". الإشعاع التطبيقي والنظائر . 64 (4): 485-489 . doi : 10.1016/j.apradiso.2005.09.006 . PMID 16293417 .
- ↑ سيكو، جواو؛ كلاسي، بن؛ بارتريدج، مايك (أكتوبر 2014). "مراجعة لخصائص كاشفات الإشعاع المستخدمة في قياس الجرعات والتصوير". الفيزياء في الطب وعلم الأحياء . 59 (20): R303– R347 . Bibcode : 2014PMB....59R.303S . doi : 10.1088/0031-9155/59/20/R303 . PMID 25229250. S2CID 4393848 .
- ↑ "اختيار واستخدام وصيانة أجهزة الرصد المحمولة" (ملف PDF) . الهيئة التنفيذية للصحة والسلامة . 2001. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 8 أكتوبر 2012. تم الاطلاع عليه في 3 نوفمبر 2012 .
- كاشفات الإشعاع المؤين
- كاشفات الجسيمات
- الحماية من الإشعاع