ما هي المواد الوميضية وفيما تستخدم

Scintillator detector

بقلم : هند عبدالله أحمد عبدالله  ، باحثة في علوم النانو

مراجعة وتدقيق : مجدي عياد - باحث في فيزياء الطاقة العالية 

مما لا شك فيه إن الكواشف الوميضية لها الفضل الكبير في الطب النووي ،من منا لا يستخدمها ؟ فكل الاشعة  التشخيصية قائمة على فكرة الكواشف  ،والكواشف الوميضية تتكون من الوماض وانبوبة التضاعف و نتناولها  بالتفصيل ونتعرف كيف نختارها .

ما هى المواد الوميضية؟ what's scintillator  materials?

   هي المواد التي لها القدرة على تحويل طاقة الإشعاع العالية مثل أشعة x أو جاما ذات الأطوال الموجية القصيرة والطاقة العالية  إلي فوتونات ذات طاقة أقل وأطوال موجية أطول في حدود الضوء المرئي (knoll)وتستخدم الكواشف (detector) في  التشخيص الطبي ،وفي  تجارب فيزياء الطاقة العالية وفي اكتشافات الجيوفيزياء .والمواد الوميضية ( (scintillatorقد تكون في صورة سائلة أو غازية أو صلبة(مواد عضوية ومواد غير عضوية ).و تعتمد الكواشف (detector)  بشكل كبير علي المواد الوميضية scintillator  materials  حيث تتكون الكواشف من المواد الوميضية وحساسات ضوئية(light sensor ) مثل انبوبة التضاعف  الضوئية photomultiplier tube[PMT]  والوظيفة الأساسية للحساسات الضوئية هي تحويل الفوتونات المنبعثة من المادة الوميضية إلى إشارة كهربية   ،كما بالمخطط  ( 1 )

آلية عمل الكاشف الوميضي scintillator detector

كما ذكرنا سابقا أن الكاشف الوميضي يتكون من المادة الوميضية وأنبوبة التضاعف  فآلية عمل الكاشف الوميضي يعتمد على كلا منهما :

أولا آلية العمل في المادة الوميضية تم عبر ثلاث مراحل ، مرحلة التحويل (conversion) ومرحلة انتقال الطاقة ومرحلة انبعاث فوتونات في حدود الضوء المرئي.

تمتص المادة الوميضية طاقة الإشعاع الساقط عليها وتحرر الكترونات ابتدائية تاركا فجوات  وتتحرك خلال المادة وأثناء اصطدامها تحرر الكترونات ثانوية  وتظل هكذا حتى تصبح طاقتها اقل من الطاقة المطلوبة لتأين إلكترونات جديدة ،وفي نهاية هذه المرحلة كل الإلكترونات تقع في قاع نطاق التوصيل (conduction band  ) وكل الفجوات أعلى نطاق (valence band )وهذه المرحلة تحدث في حدود البيكوثانيةpicosecond .وبعد ذلك يحدث إعادة اتحاد للإلكترون recombination وتنطلق فوتونات في حدود الضوء المرئي ثم بعد ذلك تسقط الفوتونات المنبعثة من المادة الوميضية علي انبوبة التضاعف 

انبوبة التضاعف الضوئية هي أشهر الكواشف الضوئية، وتتكون من  كاثود  وسلسلة من داينودات (عبارة عن أقطاب توصل بجهد موجب ومن ثم تتصل بالمصعد (anode ) ، عندما تسقط  الفوتونات على الكاثود يتحرر منه إلكترونات ضوئية  Photo electron من خلال ظاهرة التأثير الكهروضوئي   photoelectric effect، ثم توجه  الالكترونات بفعل مجالا كهربيا   إلى داينود الأول ويحدث تضاعف للإلكترونات ثم تتوجه لداينود الثاني ويحدث تضاعف للإلكترونات الساقطة وهكذا في بقية الدانودات  وفي النهاية تتجمع كل الالكترونات على الأنود وثم تصل بعد ذلك لبقية الدائرة الكهربية .

والسؤال هنا هل كل المواد ستصبح كواشف جيدة ؟

والإجابة طبعا لا ليست كل المواد تصلح كواشف جيدة

Not all scintillating materials will do a good detector

لذلك يجب أن نعرف ماهي خصائص المواد الوميضية ؟

المتطلبات  الواجب توافرها في المواد الوميضية  Requirements are for good materials.

1) ان تكون ذات كفاءة عالية في تحويل طاقه الإشعاع الساقط إلي فوتونات في الضوء المرئي.

٢)ان يكون الإشعاع المنبعث في حدود الضوء المرئي .

٣)أن يكون ثابت الاضمحلال صغيرا short decay constant

٤) ان يكون العدد الذري كبيرا high effective atomic  number .

٥) لا تتلف بالإشعاع more radiation hard.

٦) رخيصة الثمن inexpensive.

7) لا تتأثر بالرطوبة non-Hygroscopic.

أنواع المواد الوميضية

(1  مواد عضوية organic materials.

2) مواد غير عضوية inorganic materials

اولا المواد الغير عضوية .

·      مواد نقية . Pure Inorganic

في هذه المواد عند سقوط الإشعاع تمتص المادة طاقة الإشعاع وتنطلق الإلكترونات من Valance band إلىconduction band  وبعد فترة وجيزة بعد أن تفقد إلكترونات طاقتها تعود من أخرى إلى Valance band وتنعت فوتونات  photonsوقد تكون هذه الفوتونات في حدود الضوء المرئي وقد تكون لا ,وفي المواد التي تبعث فوتونات ليست في الضوء المرئي نقوم بتطعيمها (doping).   

·       
مواد مطعمة ( Activated crystalline (doping.  

في المواد المطعمة الإلكترونات المنطلقة  تتبع الالكترونات قاعدة الاختيار فقد تنطلق الالكترونات من نطاق التوصيل الي نطاق التكافؤ ولكن الفوتونات المنبعثة لا تكون في حدود الضوء المرئي أما الالكترونات المنبعثة   من  Activator excited state إلى Activator ground state تعطي فوتونات في حدود الضوء المرئي.

المصادر:

1.      G.F.Knoll, Radiation Detection and Measurement - 3rd edition (Chapters 16 to18), John Wiley & Sons, 1999.

2.       Hall, H. The Theory of Photoelectric Absorption for X-rays and y-Rays. Rev. Mod. Phys. 1936, 29, 358–397.

3.      Lecoq, P.; Gektin, A.; Korzhik, M. Inorganic Scintillators for Detector Systems, 2nd ed.; Springer International
Publishing: Berlin, Germany, 2017.