Download pdf - 8. การตรวจวัดรังสี(Detecting Nuclear Radiations) • วัตถุประสงค • เ

8. การตรวจวัดรังสี (Detecting Nuclear Radiations) • วัตถุประสงค • เพื่อใหสอดคลองกับเรื่องอันตรกิริยาของรังสีกับสสารที่กลาวมาในบทที่แลว จึงไดแบงประเภทของ

หัววัดรังสีดังนี้ ออกเปน

− หัววดัและการตรวจวัดอนุภาคที่มีประจุ

− หัววดัและการตรวจวัดรงัสีแกมมา

− หัววดัและการตรวจวัดอนุภาคนวิตรอน • โดยเชื่อมโยงกระบวนการทีรั่งสีทําอันตรกิริยากับสสารในระดับอะตอมหรือนิวเคลียสไปยังเทคนิค

ตางๆในการแปรรูปไปสูสภาพทางกายภาพหรือสัญญาณทางไฟฟาทีส่ามารถวัดได และการตีความออกมาเปนขอมูลตางๆ รวมทั้งชี้ใหเห็นถึงขอดีและขอดอยของหัววัดรงัสีแตละชนิด

• บทนํา • กระบวนการสญูเสียพลังงานของอนุภาคทีม่ีประจุโดยการทําใหแตกเปนไอออน หรือโดยการแผ

รังสีในบทที่ผานมานั้น นําไปสูความรูพืน้ฐานในการคดิหาวิธีวัด และออกแบบหัววัดหรือเครื่องวัดรังสี การแตกตวัเปนไอออนที่เปลี่ยนรูปไปสูสัญญาณพัลสทางไฟฟานําไปสูเครื่องแปรหรือประมวลผล อีกประการหนึ่งการแตกตวัเปนไอออนไปตามทางเดินของอนุภาค อาจจะใหนวิคลิไอด หรือการแยกตวัของอะตอม โมเลกุล หรือเกิดคูอิเล็กตรอน-ชองวาง (electron-hole pair) เปนตน ถาหากตวักลางทีใ่ชวัดรังสีอยูในสนามแมเหล็ก ก็จะทําใหทางเดินของอนุภาคเปนรูปโคง จึงสามารถหาคาความเร็วโมเมนตัม และพลังงานของอนุภาคได

• การวัดโมเมนตัมและพลังงานของอนุภาคที่มีประจุทําได โดยการปลอยในอนภุาคเบี่ยงเบนในสนามไฟฟาและ/หรือสนามแมเหล็ก วงโคจรการเคลื่อนที่ของอนุภาคนั้นทําการบนัทึกไดโดยใชหัววัดรังสีตามความเหมาะสม ปกติเครื่องสเปกโตมิเตอร (spectrometer) ที่ใชวดัในการนี้ จะให energy resolution สูงกวาหวัวัดหรือเครื่องวัดรังสีชนิดอืน่

• สวนกรณีอนุภาคที่ไมมีประจเุชนโฟตอนและนิวตรอนนัน้ จะตองเปลี่ยนพลังงานเดิมของอนภุาคไปสูพลังงานของอนุภาคทีม่ีประจุพลังงานเสียกอนทีจ่ะทําการวัดคาโมเมนตมั หรือพลังงานตอไป โดยในกรณีโฟตอนจะตองเปลี่ยนพลังงานโฟตอนเปนพลังงานอิเล็กตรอนเสียกอน สวนในกรณีนิวตรอนก็เชนกัน จะตองเปลี่ยนพลังงานนิวตรอนเปนพลังงานโปรตอนหรือนวิคลิไอดเสียกอน จึงสามารถวัดได หรือโดยอาศยัการกอใหเกดิปฏิกิริยานวิเคลียรแลวจึงวดัผลิตผลที่เกิดขึ้น อันกลาวไดวาเปนการวัดโดยออม อนึ่งโมเมนตัมของนิวตรอนสามารถวัดออกมาไดโดยตรงไดโดยจับเวลาบนิ (flight time) ในระยะทางที่แนนอน (flight path)

Detecting Nuclear Radiations 361

8.1 Charged particles detectors

8.1.1 Gas-filled detector เปนหวัวดัที่ใชวัดพลังงาน และจํานวนอนุภาค ซ่ึงสามารถบอกความแตกตางระหวางประเภทของ

รังสีอัลฟา และเบตา และยังสามารถใชกับรังสีแกมมา และรังสีเอกซไดอีกดวย หลักการทํางานของหัววัด คือ เมื่อรังสีเดินทางผานเขาไปชนกับโมเลกุลของกาซที่บรรจุในหวัวดัรังสี แลวกอใหเกดิคูอิเล็กตรอนอิสระกับไอออน และอิเล็กตรอนที่เกิดขึน้จะวิง่ไปยัง anode เนื่องจากศกัยไฟฟาที่ให ทําใหมีพลังงานจลนเพิ่มขึ้นในระหวางทาง ซ่ึงก็จะทําใหเกิดการ ionization กาซที่บรรจุภายในหวัวัดเกิดเปน secondary ionizations มากมาย และกลายเปนสญัญาณไฟฟา (pulse) ออกจาก anode ดังจะเห็นไดจากรูป 7.12

ที่มา : K.S. Krane, Introductory Nuclear Physics

• Gas-filled detector จําแนกตามลักษณะ pulse height ที่ถูกผลิต ซ่ึงเปนฟงกช่ันตามศักยไฟฟาสูงที่

ใหกับหัววัดนัน้ๆ ดังจะเห็นไดจากรูปที่ 6.2 ซ่ึงไดแก 1. Ionization chambers 2. Proportion counters 3. Gieger-Müller counters


1. Ionization chambers

ที่มา : J.E. Turner, Atoms, Radiation and Radiation Protection

• เมื่อเกิดการแตกตัวเปนไอออนของกาซใน chamber ขึ้น อันเนื่องมาจากอนภุาคทีม่ีประจุเคล่ือนผาน จะยังผลใหวัดคากระแสไฟฟาได กระแสไฟฟานีไ้ปถึงจุดอิ่มตัวไดเมื่อบรรลุถึงคาสนามไฟฟาที่แนนอน ดงัจะเห็นไดจากรูปที่ 6.2 โดยคากระแสไฟฟาจะสอดคลองกับจํานวนไอออนเดมิทั้งหมดที่รวบรวมได ดังนั้นจึงเปนปฏิภาคกับพลังงานทัง้หมดของอนภุาคที่มีประจนุั้น


• กาซประเภทตางๆที่บรรจุในchamber ขึ้นกับประเภทของรังสีที่วัด เชน กาซอารกอนที่มีความดนัสูงใชกับรังสีแกมมา กาซไฮโดรเจนใชกบันิวตรอนพลงังานสูง สวนกาซ BF3 ใชกับนวิตรอนพลังงานต่ํา ดังในรูป

ที่มา : G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement

• รูปที่10.6 แสดงภาพจริงของหัววัดรังสีแบบ Ionization chamber แบบพกพา

2. Proportional counter


• ลักษณะการทาํงานคลายคลึงกับหัววัดแบบ Ionization chambers แตมีการเพิ่มขนาดของศักยไฟฟาใหสูงมากขึ้นอีก จนไปถึงจุดที่ทําการแตกตัวเปนไอออนครั้งที่สอง (secondary ionization) โดยการชนของไอออนแตกตวัเกดิขึ้น กจ็ะไดการแตกตวัไอออนเปนทวีคณู (multipliplication หรือ avalanche of secondary ionization) ไดแฟคเตอรทวคีูณขนาด 10-1000 พัลส ที่ไดอิสระตอตําแหนงที่ทําใหเกิดรอยใน chamber อิเล็กตรอนใชเวลาประมาณ 1 μsec ในการเคลื่อนที่ขามบริเวณ 0.02 ซม. ไปถึงขั้วอิเล็กโทรด หลังจากนั้นรูปพัลสถูกบังคับโดยการเคลื่อนไหวของไอออนบวกออกจากแถบ avalanche พัลสอันสุดทายเพิ่มคาสูความสูงครึ่งหนึ่ง ในเวลาประมาณ 2.5 μsec การเกิด avalanche ในหวัวัดชนดินี้เกิดในบริเวณจํากดัตรงที่อิเล็กตรอนจากการแตกตัวครั้งแรกเกิดขึ้น จึงเปนผลใหขนาดของพัลสเปนปฏิภาคกับพลังงานที่อนุภาคมีอยู แตขนาดใหญขึ้นดวยเฟคเตอรทวีคณู

• หัววัด Proportional Counter ใชวัดอนุภาคที่มีประจุไดทกุชนิด แตนิยมใชกับอนภุาคชนิดเบาที่แตก


ตัวเปนไอออนเชน อิเล็กตรอน เมซอน (Meson) และโปรตรอน เปนตน ซ่ึงยังแบงยอยออกไดเปน 2 แบบ คือ

a) Windowless Flow counters เมื่ออนุภาคมีประจุออกมาจาก sample จะ ionize กาซที่บรรจุภายในหวัวัดเกิดเปนคูอิเล็กตรอนอิสระ

กับไอออน และอิเล็กตรอนทีเ่กิดขึ้นจะวิ่งไปยัง anode เนือ่งจากศักยไฟฟาที่ให ทําใหมีพลังงานจลนเพิ่มขึ้นในระหวางทาง ซ่ึงก็จะทําใหเกิดการ ionization แบบ avalanche ที่เกิดเปนฝูงอิเล็กตรอนที่มีจํานวนเพิ่มขึ้นเรื่อยๆวิ่งเขาหา anode ซ่ึงมีคําทีใชเรียกวา gas multiplication และเกิดเปนสัญญาณไฟฟา (pulse) ออกจาก anode ดังในรูปที ่6-6 และ 6-7



• การ ionization แบบ avalanche ที่เกิดเปนฝูงอิเล็กตรอนที่มีจํานวนเพิ่มขึ้นเรื่อยๆวิ่งเขาหา anode ดังจะเห็นไดจากรูปที่ 6-4 ดังนั้นทําให Proportional counterมีขอดีที่สามารถแยกแยะชนดิของอนุภาคมีประจุที่เขามา อีกทั้งยังสามารถบงบอกพลังงานที่แตกตางกันสําหรับกรณีที่เปนอนภุาคชนิดเดยีวกนัได


b) Multiwire proportional counter เปรียบเสมือนกับการนําหวัวดัแบบ proportional counter เรียงตอกัน โดย anode แตละเสนก็จะตอ

กับระบบอิเล็ทรอนิกสที่เปนอิสระตอกัน ดังรูปที่ 6.7 และ 6.8 ดังนั้นจึงสามารถบงบอกตําแหนงและทิศทางของอนุภาคมีประจทุี่วิ่งเขามาได

ที่มา : W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics



• ลักษณะการบงบอกตําแหนงและทิศทางของอนุภาคมีประจุที่วิ่งเขามาของ Multiwire proportional

counterโดยการนํามาเรียงตอกันดังรูปที่ 6.9

ที่มา : W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments


3. Gieger-Müller counters เนื่องจากทํางานในชวงศักยไฟฟาที่สูงมาก ดังนั้นจากการ avalanche แตละครั้งก็เหนีย่วนําใหเกดิการ

secondary avalanche ใหมในที่อ่ืนขึ้นโดยรังสี UV ที่ถูกปลดปลอยออกมา เรียกวา Gieger discharge ดังรูปที่ 7.1 และดวยเหตุทีแ่สงเดินทางไดเร็วและไกลกวาอิเล็กตรอนจากการ avalanche ในครั้งแรก ดังนั้นการ avalanche ก็จะเกดิไปทั่วทั้งหมด ทําใหมีอัตราการขยายสูงมากประมาณ 1010 เทา


• จึงไมจําเปนตองมีอุปกรณอิเล็กทรอนิคสที่ตองมาตอพวงเหมือนกับ ionization chamber หรือ

proportional counter จึงมีสวนประกอบทีง่ายไมซับซอนดังรูปที่ 7-2 แตขอเสียก็คอืไมสามารถระบุชนิดหรือพลังงานของรังสีที่มาตกกระทบได จึงนยิมใชเปนหัววัดประเภท monitor เทานั้น



• รูปที่10.6 แสดงภาพจริงของหัววัดรังสีแบบ Gieger-Müller counters

• หัววัดรังสีแบบ Gieger-Müller counters ออกแบบมาเพือ่วัดรังสีอัลฟา เบตา และแกมมา ใชมากในการวัดรังสีเบตาและแกมมา ทั้งนี้เพราะความยากในการทําหลอดแกวใหมี window ที่บาง(ที่รังสีผานได) สามารถใชวัดรังสีแกมมาไดโดยการที่รังสีแกมมาทําอันตรกิริยากับผนังของหัววัด แลวเหนีย่วนําใหเกิดอิเล็กตรอนขึ้น ดังรูปที ่ 7-8 แลวอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นก็ทําใหเกิดกระบวนการดังกลาวในขางตน



8.1.2 Semiconductor Diode Detectors • สารของแข็งกึ่งตัวนํา อาทิ ซิลิกอน และ เจอรมันเนียม เปนธาตุในหมูที ่4 สําหรับอะตอมๆหนึ่งจะมี

เวเลนซอิเล็กตรอนอยู 4 ตัว จึงสรางพันธะโคเวเลนซ 4 อันกับอะตอมขางเคียง กลไกในสารของแข็งกึ่งตัวนํา (solid semiconductor) เปนไปตามทฤษฎีแบนดของของแข็ง (band theory of solids) ในของแข็งนั้นระดับพลังงานอะตอมของอิเล็กตรอนวงนอกแยกออกไปสูระดับตางๆไดมากมาย แลวทําใหเกดิชองวางพลังงาน(energy gap) ระหวาง valence band และ conduction band ของแข็งจะเปนฉนวนหรอืตัวนํานัน้ขึ้นกับแบนดอันสดุทายที่มีอิเล็กตรอนครอบครองอยู สําหรับสารตัวนาํ สวนใหญมกัจะเปนโลหะนัน้ valence band และ conduction band จะซอนทับ (over lap) กัน ดังแสดงในรูปที่ 10.1 ในทางตรงกันขามฉนวนจึงม ี valence band และ conduction band ที่หางกันมากหรือมีชองวางพลังงานทีก่วาง สวนความแตกตางระหวางฉนวนกบัสารกึ่งตัวนํา คือฉนวนมักจะมีชองวางพลังงานประมาณ 6 eV สวนสารกึ่งตัวนําจะมเีพียง 1 eV

ที่มา : W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments

• ดังนั้นเมื่อเกิด thermal excitation เพียงเลก็นอย อิเล็กตรอนจะถูกหยบิยกขึ้นสู conduction band เหลือทิ้ง hole ไวใน valence band อิเล็กตรอนจากอะตอมขางเคียงจึงเขามาแทนที่ และเกิดการแทนที่ตอๆกันไป เปรียบเสมือนการไหลของกระแส ทําใหเกิดสภาพการนําไฟฟาขึ้นในสารนั้น ดังนั้นเพื่อตองการควบคุมสภาพการนําไฟฟา จึงตองมีการเจือ (doping) ดวยส่ิงเจือปน(dopants) ซ่ึงเปนธาตุในหมูที่ 3 หรือ 5 เขาไปในโครงสรางผลึก (lattice) กรณแีรกสําหรับการเจอืธาตุในหมูที่ 5 ซ่ึงมีเวเลนซอิเล็กตรอนอยู 5 ตัว จึงสรางพนัธะโคเวเลนซ 4 อันกับอะตอมของซิลิกอนหรือเจอรมนัเนียมขางเคยีง โดยเหลือเวเลนซอิเล็กตรอนอิสระอีกหนึง่ตัว ซ่ึงสามารถเคลื่อนที่ในผลึกไดงาย ดังจะเห็นไดจากรูปที่ 11.4 a และเมื่อพิจารณาโครงสรางแบนด จะพบวาสิ่งเจือปนทําใหเกิดชัน้พลังงาน


donor state หรือ donor impurity level ดานลาง ใกลๆกับ conduction band ซ่ึงชักนําใหอิเล็กตรอนขึ้นสู conduction band ไดงาย โดยเรียกชื่อวาสารกึ่งตวันําชนดิ N (N-type semiconductor) ในอีกกรณีสําหรับการเจือธาตุในหมูที่ 3 ซ่ึงมีเวเลนซอิเล็กตรอนอยู 3 ตัว จึงสรางพันธะโคเวเลนซกับอะตอมของซิลิกอนหรือเจอรมันเนียมขางเคียงไดเพียง 3 อัน จึงเปรียบเสือนเหลือเปน hole ไวหนึง่ตัว และทําใหเกิดชั้นพลังงาน acceptor state หรือ acceptor impurity level ดานบน เหนือ valance band ดังแสดงในรูปที่ 11.4 b โดยใหช่ือสารชนิดนี้วา สารกึ่งตัวนําชนิด P (P-type semiconductor)


• เครื่อง solid-state counter เครื่องแรก สรางจากผลึกที่เปนฉนวนประกบดวยข้ัวอิเล็กโทรดที่เปนโลหะทั้งสองดาน เพื่อใหสนามไฟฟาภายในผลึกเปนตัวรวบรวมไอออนที่เกิดขึ้น ผลึกชนิดนีใ้ชเปน counter ไดดี แตไมเหมาะสมกับการใชงานเปน spectrometer เนื่องจากวาสวนสูงของพัลสที่ใหออกมาจะใชวัดพลังงานทั้งหมดของอนุภาคไดไมแมนยํา ตอมากท็ําการแกไขโดยใชสารกึ่งตวันําชนิดไดโอด ซ่ึงสราง PN-junction ขึ้นโดยนําสารกึ่งตัวนาํชนิด N และชนิด P มาประกบกนั ดังจะเห็นในรูปที่ 7-18 โดยการเจอืซิลิกอนดวย impurity ชนดิ acceptor ซ่ึงผลิต charge carrier ชนดิบวก จากนั้นที่บริเวณผวิของซิลิกอนชนิด P ก็แพร impurity ชนิด donor ทําใหเกิดเปนซิลิกอนชนิด N เปนชัน้บางๆที่ผิว สวนขั้วอิเล็กโทรดที่สัมผัสกับผิวนี้ก็ฉาบดวยแผนทองคําบางมากๆเพื่อใหอนุภาคเดนิทางผานทะลุได

• จากรูปที่ 7-18 นั้นเปนการตอ positive bias เขากับแผนทองคําก็เปนการผลัก charge carrier ชนิด


บวกออกจาก junction และทําใหเกดิแถบ depletion layer สวนประจลุบของ depletion layer ทําใหเกดิสนามไฟฟา และ voltage drop สอดคลองกับ bias voltage ยิ่ง bias voltage สูงขึ้น แถบ depletion layer ก็ยิ่งหนาขึ้น เมื่ออนุภาคเคลื่อนที่ผานแผนทองคําเขาสูแถบ depletion layer แลวจะทําใหเกดิ electron-hole pairs ซ่ึงจํานวนทีถู่กผลิตนั้นจะขึ้นอยูกับพลังงานของอนุภาคที่ตกกระทบ แลว electron-hole pairs ที่เกิดขึ้นก็จะถูกกวาดออกไปโดยสนามไฟฟาที่ใช และจะถกูบันทึกในรูป voltage pulse ครอมความตานทาน R

ที่มา : H.A. Enge, Introduction to Nuclear Physics

• เพื่อใชเปน spectrometer วดัอนุภาคมีประจุแลว หัววัด solid-state จะตองมี depletion layer หนา

พอจนอนภุาคที่เขาไปสามารถหยุดนิ่งไดในแถบนี้ ดังจะเหน็ไดจากรปูที่ 7.20 เทคนิคในการผลิตหัววัดชนดิ depletion layer หนามากไดกาวหนาไปอยางรวดเร็ว เครือ่ง solid-state spectrometer ในปจจุบนัสามารถใชวัดอนภุาคที่มีพลังงานสูงในเรือนของ MeV เชน อิเล็กตรอน โปรตรอน อัลฟา และยังสามารถวัดรังสีแกมมาไดดวย

• หัววัดสารกึ่งตวันําแบบซิลิกอนที่มีใชอยูในปจจุบันนี้ แบงตามลักษณะการใชงานไดคราวๆ เปน 2 แบบ คือ (a) แบบอนุภาคทีว่ัดจะตองหยุดอยูในแผนซิลิกอน (silicon wafer) และ (b) แบบอนุภาคเคล่ือนที่ทะลุผาน ดังจะเห็นไดจากรูปที่ 11-8



ที่มา : http://www.ortec-online.com

• Silicon Strip detectors • เนื่องจากหัววดัสารกึ่งตัวนําแบบซิลิกอนมอํีานาจการจําแนกปริภูมิที่สูง (high spatial resolution)

ดังนั้นในแวดวงของฟสิกสของอนุภาคพลังงานสูง จึงนิยมใชเปน position-sensitive detector เพือ่วัดรองรอยการเดนิทางของอนุภาคมีประจุ ทั้งใน 1 และ 2 มิติ คลายคลึงกับหัววัดแบบ Multiwire

proportional counter ในหวัขอ 8.1


รูปภาพถายของ Silicon Strip detectors

ที่มา : http://www.ortec-online.com


8.2 Gamma detectors

8.2.1 Scintillation detectors • เปนเครื่องวัดรงัสีที่มีความไวสูงมากชนิดหนึ่ง การทํางานเบื้องตนของเครื่องมืออาศัยหลักดั้งเดิม

ในสมัยเมื่อครัง้นักวิทยาศาสตรคนพบกัมมนัตภาพรังสี กลาวคือเมื่อกัมมันตภาพรังสีตกกระทบสารบางชนิดเชน zinc sulfide ที่ฉาบไวบนฉาก จะเห็นลักษณะเรืองแสงเกิดขึ้น ณ จดุที่รังสีกระทบ เรียกปรากฏการณเชนนีว้า การเรืองแสง (scintillation) โดยเมื่อรังสีผานไปในสารแลวนั้น นอกจากจะเกดิการแตกตัวเปนไอออนก็ยังทําใหอะตอมเกิด excitation ดวย หลังจากนัน้อิเล็กตรอนที่สถานะกระตุน เมื่อกลับคืนสูสถานะพื้น ก็จะปลอยพลังงานในรูปของโฟตอนเรียกวา แสง fluorescent ดงัแสดงในรูปที่ 8-1 เมื่อผานไปในเครื่องแยกเชน เกรทติง หรือปริซึม ก็จะเห็นเปนสเปกตรัมออกมา เรียกสารลักษณะนีว้า สารเรืองแสง (scintillator) เชน zinc sulfide , sodium iodide , anthracene , stilbene และสารพลาสติกบางชนิด เปนตน แสงที่เปลงออกมามีความถี่ตางๆกัน สวนใหญจะอยูในชวงแถบสีน้ําเงินหรือมวง


• ในสมัยกอนการนับโฟตอนที่เกิดขึ้นอาศยัการมองดูดวยตาของมนุษยโดยผานกลองจลุทรรศนที่มีกําลังขยายต่ํา แตสมัยใหมก็เปลี่ยนการนับแทนตาของมนุษยโดยอาศัยอุปกรณอิเล็กทรอนิกสมีช่ือวาหลอดขยายแสง (photomultiplier tube) ซ่ึงอันที่จริงแลวเปนหลอดขยายอิเล็กตรอนตางหาก ซ่ึง


แสดงไวในรูปที่7-20 โฟตอนที่เกิดในสารเรืองแสงซึ่งผนึกกับผิวของหลอดขยายแสงโดยตรงหรือเชื่อมตอดวยตวันําแสง (light guide) จะกระทบกับแผน photocathode ซ่ึงจะใหอิเล็กตรอนออกมาดวยปรากฏการณโฟโตอิเล็กตริก จากนั้นอิเล็กตรอนเหลานี้จะถูกเรงดวยศักยไฟฟาในชวงแรกระหวางแผน photocathode กับ dynode ตัวแรก ซ่ึงมีคาประมาณ 100-150 โวลท แลวโฟกัสใหไปตกกระทบกับ dynode ตัวแรก ดังจะเหน็ไดจากรูปที่ 9.1 ซ่ึงเปนสารเคลือบพิเศษเมื่อมีอิเล็กตรอนกระทบแลวจะปลดปลอยอิเล็กตรอนรุนที่สองดวยจํานวนประมาณ 2-5 เทาของอิเล็กตรอนรุนแรก อิเล็กตรอนรุนที่สองก็จะถูกเรงขามชองวางถึง dynode ตัวที่สองซึ่งจะเพิ่มจํานวนอิเล็กตรอนเปนทวีคูณขึ้นเรื่อยๆ ปกติหลอดขยายแสงหนึง่ๆจะมี 10-18 dynodes โดยแตละ dynode ใหแฟคเตอรทวีคูณถึง 2-5 ทั้งนี้ขึ้นกบัคาโวลทที่ใชระหวาง dynode (อาจจะเปนบวกหรือลบก็แลวแตบริษัทผูผลิต) กลาวโดยสรปุโฟตอนที่กระทบแผน photocathode ยอมทําใหเกิด electron avalanche ซํ้าๆ ซ่ึงในที่สุดจะไปถึงขั้ว anode และให voltage pulse ตกครอมตัวตานทาน R ดังรูปที่ 7-20

ที่มา : H.A. Enge, Introduction to Nuclear Physics



• พัลสที่เกิดขึ้นนี้เปนปฏิภาคกับพลังงานของรังสีปฐมภูมิที่กระทบสารเรืองแสง จึงสามารถใชเครื่อง scintillation detector or counter พรอมเครื่องวิเคราะหขนาดของพัลส ( pulse height analyzer) หรือ Multichannel Analyser, MCA เปนเครื่องวัดสเปกตรัมไดอยางหนึง่ ดังแสดงในรูปที่ 7.23



• ระบบการวดัชนิด scintillation spectrometer นิยมใชมากในทางฟสิกสนิวเคลียรทุกระดับพลังงาน โดยเฉพาะอยางยิ่งในแขนง gamma-ray spectroscopy

• หัววัดสารเรืองแสงแบงออกเปน 2 ชนิด คือ a) Organic scintillator b) Inorganic scintillator

• a) Organic scintillator มีทั้งเปนแบบ liquid และ solid (glass และ plastic)

ที่มา : http://www.bicron.com


- ลักษณะการเรืองแสงของ Organic scintillator โมเลกุลของสารเรืองแสงสามารถดูดกลืนพลังงานจากรงัสีได 2 ทาง คือ อิเล็กตรอนถูกกระตุนไปสู

สถานะเราที่สูงกวา และการที่อะตอมตัวหนึ่งของโมเลกุลส่ันเมื่อเทียบกับอะตอมอกีตัวหนึ่ง โดยปกติ spacing of vibrational energies จะมีคาประมาณ 0.1 eV ในขณะที ่ electronic excitation energies จะมคีาประมาณ few eV ดังรูปที่ 7.15


• b) Inorganic scintillator สวนใหญที่นยิมใชจะเปน single crystal of an alkahi halide เชน NaI และ CsI รวมทั้ง Bi4Ge3O12 (BGO), BaF2, CaF2, ZnS และ CsF



- ลักษณะการเรืองแสงของ Inorganic scintillator สําหรับสารที่เปนฉนวนอยาง NaI อิเล็กตรอนจะมีอยูเต็มในชั้น valence band แตไมมีอยูในชั้น

conduction band เมื่อรังสีมาตกกระทบทําใหอิเล็กตรอนถกูกระตุนขาม energy gap ( ≈ 4eV) และตกกลับลงมาโดยการปลอยแสง ดังรูปที่ 7.16

• เพื่อเพิ่มโอกาสในการปลอยแสง และลด self-absorption ของแสง จึงตองเติมสารแปลกปลอม (impurities) จํานวนเลก็นอย เรียกวา activators อาทิ Tl ทําใหมีช้ันพลังงานพิเศษเพิม่ ดังในรูปดานซายมือ

NaI(Tl) NaI


• ทําใหสเปกตรมัของแสงที่ถูกปลดปลอยออกมามีพลังงานลดลงหรือความยาวคลื่นมากขึ้น ดังรูปที ่8-2 ดังนั้นจึงเปนการลด self-absorption ของแสงลงได




• กราฟรูปที่ 8-7 แสดงสเปกตรัมของแสงที่ปลดปลอยจากสารเรืองแสงชนิดตางๆ อาทิ BGO, CsI(Tl),

Na(Tl) และ CsI(Na) รวมทั้ง light response ของ photocathode สําหรับหลอดขยายแสงแบบตางๆ

8.2.2 Germanium detectors แมวาหัววัดซลิิกอนจะมีขอดีในดานที่สภาพการนําไฟฟาต่ํา จึงสามารถใชงานที่อุณหภูมิหอง

ปฏิบัติการไดโดยปราศจากการรั่วไหลของกระแสมากนกั หัววัดซิลิกอนไมคอยเหมาะสมในการใชงานกับรังสีแกมมาทั้งนี้เนือ่งจากปริมาตรมีขนาดเล็ก และคา z ต่ํา ทําใหประสิทธิภาพการวดัต่าํ ยิ่งไปกวานัน้ซิลิกอนไมสามารถทําใหมี depletion layer ไดเกนิ 2 หรือ 3 mm เนื่องจาก bias voltagesเกือบใกล breakdown level จึงไมเหมาะสมกับการวัดรังสีแกมมา

• คา thickness ของ depletion layer, d เปนไปตามสมการ

212⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

eNVd ε 8.2.1

เมื่อ V คือ reverse bias voltage


ε คือ ionization energy to produce one electron-hole pair N คือ net impurity concentration • ดังนั้นการแกปญหานี้มี 2 แนวทาง คือ

1. ลดคา net impurity concentration คือ

• ถาลด N ≈ 1010 atom/cm3 จะทําใหได depletion layer ถึง 10 mm ที่ reverse bias voltage นอยกวา 1000 V

• เทคนิคนี้ใชไดกับธาตุเจอรมันเนียม (Germanium) ซ่ึงมีคา z ที่สูง จึงมีประสิทธิภาพดกีวาซิลิกอน และสามารถที่จะลด N ลงใหนอยกวา 1 ใน 1012 เรียกวา intrinsic หรือ Hyper-Pure Germanium (HPGe) detectors



• แตขอดอยของธาตุเจอรมันเนยีม คือมีชวงระหวาง valence band และ conduction band ที่แคบกวา จึงใหสภาพการนําที่สูงกวาซิลิกอน จึงไมเหมาะที่จะใช depletion layer ที่หนานกั ณ อุณหภูมิหองปฏิบัติการ แตถาทําใหหวัวดัเจอรมันเนียมเย็นลงที่อุณหภูมิต่ํามากๆ ก็สามารถแกปญหาดังกลาวได เพราะฉนั้นหัววัดชนิดนี้ตองทํางานที่อุณหภูมติ่ํา จึงตองหลอเย็นดวยไนโตรเจนเหลว และก็ไดมกีารพัฒนาวิธีการเพื่อลดสภาพการนําที่เกดิจากสาร impurity จนทํา depletion layer ไดหนาถึงขนาดเซนตเิมตร จึงเหมาะสมในการใชวัดรังสีแกมมา




• รูปที่ 12-6 แสดงการเปรียบเทียบสเปกตรมัของรังสีแกมมาที่พลังงานตางๆที่วัดดวยหวัวดัแบบ NaIกับหัววัด HpGe


2. สราง compensated material ที่ residual impurities ถูก balanced ดวย concentration ของ dopant atom ที่ตรงกันขามกันดวยจํานวนที่เทากนั

• แตไมไดทําไดงายๆโดยเพยีงแตเติม dopant atom กอนทีจ่ะปลูกผลึก เนื่องจากการbalance ระหวาง acceptors กับ donors จะไมมีวันพอดี ดังนั้นผลึกจะมีสภาพเปน n หรือ p type ไมวาจะมี impurities นอยเพยีงใดกต็าม

• วิธีแกปญหาคอื กระบวนการ lithium ion drifting หลังจากปลูกผลึกเสร็จแลว ซ่ึงใชไดกับทั้ง silicon และ germanium เนื่องจากทั้งสองธาตุ เมื่อมีความบริสุทธิ์สูงมักจะมีสภาพเปน p type จึงตองเติมพวก alkali metal เชน lithium, sodium หรือ potassium แตใช lithium งายกวา โดยทําใหกลายเปนไอออน แลว diffuse ผานผิวของ p type crystal โดยใชความรอนและสนามไฟฟาแรงสูง จนเกดิการ balance



รูปภาพถายของหัววัดแบบ Si(Li) ประกอบติดกับถัง dewar สําหรับบรรจุไนโตรเจนเหลว

สเปกตรัมของรังสีแกมมาพลังงานต่ําที่ตรวจวัดดวยหัววดัแบบ Si(Li) ที่มา : G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement


8.3 Neutron detectors 8.3.1 Slow neutron detectors • เนื่องจากนิวตรอนไมมีประจุ ดังนั้นนวิตรอนจึงทําอันตรกิริยาเฉพาะกับนิวเคลียสเทานั้น โดยการ

เหนีย่วนําใหเกิดปฏิกิริยานวิเคลียร เพราะฉนั้นหัววัดนวิตรอนจึงมหีลักการทํางานคือ ใหนิวตรอนเหนีย่วนําใหเกิด secondary charged particle ซ่ึงสามารถวัดไดงายกวา

• ลักษณะสําคัญตางๆสําหรับปฏิกิริยานิวเคลียรที่ใช คือ 1. ธาตุที่นํามาใชตองมีคา cross section คอนสูงสําหรับปฏิกิริยานิวเคลียรนัน้ๆ ซ่ึงทําใหประสิทธิภาพของมีคาสูงตามไปดวย จงึสามารถสรางเปนหวัวดัที่มขีนาดเหมาะสม ไมใหญจนเกนิไป 2. ธาตุเหลานัน้ควรจะมี isotropic abundance ในธรรมชาติที่สูงมากพอ ซ่ึงทําใหหาไดงาย และมีราคาถูก 3. ปฏิกิริยานวิเคลียรนั้นตองมีคา Q-value เปนบวก และควรจะมีคาสูงพอที่จะมีผลทําใหพลังงานจลนของผลิตผลจากปฏิกิริยานิวเคลียร (reaction products) มีคาสูงมากพอที่จะแปรเปนสัญญาณไฟฟา ซ่ึงสามารถแยกแยะ (discriminate) ออกจากผลที่มาจากรังสีแกมมา

• ผลิตผลจากปฏิกิริยานิวเคลียรที่ถูกเหนีย่วนําโดยนวิตรอน ที่มักจะนํามาใชในการตรวจวัด คือ

⎪⎪⎩

⎪⎪⎨

⎧

→+

productsfission particle alpha

proton nucleus recoil

neutron nucleustarget

8.2.1 • ตัวอยางปฏิกิริยานิวเคลียรทีม่ักจะใชในการวัดนวิตรอน อาทิ

MeV .3102 Li

MeV .7922 Li n B

MeV 4.78 H n Li

MeV 0.76 H H n He

*73

73

10

105

31

10

63

11

31

10

32

++→

++→+

++→+

++→+

α

α

α

8.2.2

• หัววัดรังสีนิวตรอนชาแบงไดออกดังนี้ คือ

a) BF3 proportional tube • เปนหวัวดัที่ใชกันอยางกวางขวางสําหรับการตรวจวดันวิตรอนชา โดยเฉพาะอยางยิง่โบรอนไตร


ฟูลออรไรด (boron trifluoride) ทําหนาที่เปนทั้งธาตุเปา (target) สําหรับเปลี่ยนนิวตรอนเปนอนุภาคมีประจุทุติยภูมิ (secondary charged particles) และเปน proportional gas ไปดวยในตวั

• โดยโบรอนไตรฟูลออรไรดเปนสารประกอบที่นิยมใชมากที่สุด เนื่องจากความเปน proportional gas ที่ดี และมีความเขมขนของโบรอนที่สูง หัววัด BF3 proportional tube ที่มีจําหนายตามทองตลาดมักจะนิยมใชกาซโบรอนไตรฟูลออรไรด ที่เปนแบบ highly enriched 10B เนื่องจากทําใหหวัวัดมีประสิทธิภาพในการตรวจวัดนวิตรอนสูงกวาแบบโบรอนธรรมดา (11B) ประมาณ 5 เทา

• แตเนื่องจากความเปน proportional gas ของกาซโบรอนไตรฟูลออรไรดจะเลวลงถาใชในชวงที่ความดันมีคาสูงมาก ดังนัน้ความดนัที่เหมาะสมสําหรับหัววดัชนดินี้จึงอยูในชวงประมาณ 0.5 – 1.0 atm เทานัน้

• หัววัด BF3 proportional tube มักจะออกแบบสรางในลักษณะเปนรูปทรงกระบอกที่ภายนอกเปนตัว cathode และมี anode เปนเสนลวดขนาดเล็กอยูภายในแกนกลาง ดงัแสดงในรูปที่ 6.5


b) 3He proportional counter

• แมวาคา cross section สําหรับ3He (n,p) นั้นจะสูงกวาของโบรอนมากก็ตาม แตมีอุปสรรคที่คา Q-value เพียง 0.76 MeV เทานั้น ซ่ึงเปนคาคอนขางต่ําทําใหพลังงานจลนของผลิตผลจากปฏิกิริยานิวเคลียร (reaction products) มีคาต่ําตามไปดวย จึงมีปญหาเนื่องจากการรบกวนของรังสีแกมมา ดังจะเห็นไดจากสเปกตรัมในรูปที่ 10.35

• ขอดีอีกประการหนึ่งของ 3He counter คือสามารถทํางานไดที่ความดนัสูงมากกวา BF3 จึงเปนที่นิยมใชในกรณีที่ตองการใชหัววัดที่มีประสิทธิภาพสูงมากๆ




รูปภาพถายของหัววัดแบบ 3He counter ที่มีขนาดตางๆ

c) Fission counters • อาศัยหลักการเดียวกับหัววัดตางๆที่กลาวมา คือใหนวิตรอนชาไปเหนีย่วนําใหเกิดเปนผลิตผลฟช

ชัน (fission products) ซ่ึงสามารถกอใหเกิดการ ionization ที่สามารถตรวจวัดไดดวยวิธีการแบบปกติ

• เนื่องจากพลังงานที่ถูกปลดปลอยออกมาจากปฎิกิริยาแตกตัวมีคาสูงมาก ประมาณ 200 MeV โดยที่ช้ินสวนฟชชัน (fission fragments) จะไดรับพลังงานไปมาถึง 160 MeV ดังนั้นหัววัดแบบนี้จงึมีขนาดของสัญญาณไฟฟาที่ออกมาสูงมากกวาหวัวดัที่ใชปฏิกิริยาแบบอืน่ๆ ทําใหการรบกวนจากรังสี background มีผลกระทบนอยมาก เหมาะสําหรับการใชตรวจวัดนวิตรอนที่มีอัตรานับ (count


rate) ที่ต่ํามากๆ อีกทั้งยังสามารถสรางหัววดัใหมีขนาดที่เล็กเนื่องจากชิ้นสวนฟชชันสูญเสียพลังงานโดยการ ionization ไดงายมาก

• หัววัดแบบ fission counters โดยทั่วไปนั้น มักจะนํา ionization chamber มาใชประกอบ โดยบรรจุแผนที่เคลือบดวยสารฟชไซล (fissile material) ไวภายใน ทั้งนี้เนื่องจากไมสามารถทําใหสารฟชไซล อยูในรูปสารประกอบของกาซได

รูปภาพถายของหัววัดแบบ fission counter ทั้งภายนอกและภายใน 8.3.2 Fast neutron detectors • จากที่กลาวมาในตอนทีแ่ลว จะเห็นไดวาโดยหลักการแลวปฏิกิริยานิวเคลียรตางๆที่ใชในการวดั

นิวตรอนชานัน้ สามารถนํามาใชในการตรวจวดันวิตรอนเร็ว (fast neutrons) ได เพียงแตวาจะมีขอดอยคือคา cross sections จะลดลงอยางรวดเร็วตามคาพลังงานของนิวตรอนที่เพิ่มขึ้น ดังจะเห็นไดจากรูปที่ 14.1

• โดยเฉพาะอยางยิ่งหวัวดั BF3 proportional tube แบบธรรมดา ซ่ึงจะมีคา cross sections ที่ต่ํามากจึงไมสามารถนํามาใชวัดนิวตรอนเร็วได สวนหัววัด 3He counter นั้นมีคา cross sections ที่คอนขางสูงกวา จึงสามารถใชตรวจวดัไดทั้งนวิตรอนชาและนวิตรอนเร็ว แมกระนั้นกย็ังตองมีการปรับปรุงบางประการ เพื่อเพิ่มประสทิธิภาพ


Fast neutrons

ที่มา : G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement • ประเภทของหวัวดันิวตรอนเร็ว a) Counters based on neutron moderation • โดยอาศัยหลักการลดทอนพลังงาน (moderation) คือเมื่อนิวตรอนชนหรือกระเจิงกับนิวเคลียสของ

ธาตุเบา อาทิ ไฮโดรเจน คารบอน ฯลฯ ซ่ึงในที่นี้เรียกวา ตวัลดทอนพลังงาน (moderator) ก็จะสูญเสียพลังงานลงไปเรื่อยๆ จนกระทั่งกลายเปนนวิตรอนชา ซ่ึงก็สามารถนําเอาหัววดันิวตรอนชาในตอนทีแ่ลวมาใชตรวจวัดได

• ความหนาของตัวลดทอนพลงังานนั้นจะเปนตัวกําหนดพลังงานสุดทายของนิวตรอนที่จะเขาไปชนกับหวัวดันวิตรอนตรงบริเวณแกนกลางรูปที่ 15.1 ซ่ึงจะสัมพันธกับประสิทธิภาพในการวัด กลาวคือถาตัวลดทอนพลังงานมีความหนานอยเกนิไป ทําใหนิวตรอนจะวิ่งทะลุผานโดยไมลดทอนพลังงานจนไปชนกบัหัววัดนวิตรอนตรงบริเวณแกนกลาง ก็มีโอกาสที่สูง ดังรูปดานบน แตในทางกลับกันจากรูปดานลาง ถาตัวลดทอนพลังงานมีความหนามากเกินไป ก็จะไปเพิ่มโอกาสในการดดูกลนืนิวตรอน ซ่ึงมีคา cross section ที่สูง เมื่อพลังงานของนิวตรอนมีคานอย



• รูปที่ 15.5 เปนหัววัดนิวตรอนเร็ว ที่ใชตัวแกนกลางเปน 3He counter หอหุมดวยตวัลดทอน

พลังงานที่ทําจากสารโพลีเอทธิลีน ซ่ึงเปนสารประกอบไฮโดรคารบอน ที่มีไฮโดรเจนเปนองคประกอบหลัก


ที่มา : G.F. Knoll, Radiation

Detection and Measurement

รูปภาพถายของหัววัด3He counter แบบหุมดวย moderater ทั้งภายนอกและภายใน

d) Proton recoil scintillation • โดยอาศัยหลักการของ elastic scattering ระหวางนวิตรอนกับไฮโดรเจน และคารบอน แลวไป

กระตุนใหโมเลกุลของสารเรืองแสงเกิดการเรืองแสง คลายคลึงกับกระบวนการที่รังสีแกมมาเหนีย่วนําใหเกิดอิเล็กตรอนขึ้น ดังที่ไดกลาวมาแลวในบทที่ 8.2


รูปภาพถายของสารเรืองแสงแบบพลาสติก



รูปภาพถายของสารเรืองแสงแบบ Zinc sulfide

e) Proton recoil telescope โดยอาศัยหลักการของ elastic scattering ระหวางนวิตรอนกับไฮโดรเจนที่อยูในรูปของเปาที่มีความ

บาง ดังแสดงในรูปที่ 15.22 ซ่ึงไดผลลัพธเปนโปรตรอนที่กระเจงิออกไปที่มุมตางๆ ดังสมการตอไปนี ้

8.3.1

θ2cosnp EE =


รูปภาพถายของหัววัดแบบ Proton recoil telescope


• โดยหวัวดัที่ใชวัดพลังงานของอนุภาคโปรตอนที่ถูกกระเจงิออกมาจากเปาโดยการชนของนิวตรอน มักจะเปนหัววัดประเภทสารเรืองแสงแบบพลาสติก หรือหัววัดสารกึ่งตวันาํ และนยิมใชเทคนิคการวัดที่เรียกวา ΔE- E โดยอาศัยหลักการที่อนภุาคมีประจุทีม่ีพลังงานตางคากันจะเกิดการสูญเสียพลังงานไมเทากนัเมือ่เคลื่อนที่ผานตัวกลาง ดังที่กลาวมาแลวในบทที่ 7 ซ่ึงหลักการดังกลาวนีย้ังใชกับอนุภาคมปีระจุตางชนิดกัน อาทิ โปรตอน(p) ดิวเทอรอน(d) อัลฟา (α) ฯลฯ ทําใหสามารถแยกแยะชนดิและพลังงานของอนุภาคมีประจุนั้น ดังจะเหน็ไดจากรูปดานลาง


หนังสือ/วารสาร/website ประกอบการเรียนการสอน 1. J.E. Turner, Atoms, Radiation and Radiation Protection, 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc.,

New York. 2. S.E.Hunt, Nuclear Physics for Engineers and Scientists, Ellis Horwood Limited, Chichester. 3. สมศร สิงขรัตน, เอกสารประกอบการสอนวิชาฟสิกสนวิเคลียร I, ภาควิชาฟสิกส, คณะ

วิทยาศาสตร มหาวิทยาลัยเชียงใหม, พศ. 2545 4. G.F. Knoll, Radiation Detection and Measurement, 2nd ed. John Wiley & Sons, Inc., New

York. 5. W.R. Leo, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, 2nd ed. Springer-

Verlag, New York. 6. W.H. Tait, Radiation detection, Butterworths & Co (Publishers) Ltd., London. 7. E. Segre, Nuclei and Particles : Introduction to Nuclear and Subnuclear Physics, W.A.

Benjamin, Inc. , New York. 8. W.E.Burcham, Nuclear Physics : An Introduction, 2nd ed. Longman Group Limited, London,. 9. http://www.ortec-online.com/ 10. http://www.bicron.com/

วิธีหรือกิจกรรมการสอนเพื่อทําใหผูเรียนมปีระสบการณในการเรียนรู เนื่องจากกระบวนวิชานี้เปนกระบวนวิชาเอกเลือกของนักศึกษาวิชาเอกฟสิกส ดังนั้นการสอนจึงเนนหนักไปในทางการบรรยาย โดยใชโปรแกรม PowerPoint ที่มีเอกสารประกอบการสอนแจก พรอมสาธิตดวยภาพเคลื่อนไหว(คัดลอกมาจาก website ตางๆ) ยกตวัอยางปญหาพรอมทั้งกระบวนการแกไขจนไดคําตอบ เปดโอกาสใหซักถามหรือมีการอภิปรายยอยประกอบ รวมทั้งการคนหาขอมูลที่เกี่ยวของจากทาง internet อีกทั้งสอดแทรกดวยขาวการคนพบครั้งสําคัญทางฟสิกสนิวเคลียร สุดทายใหโจทยไปทําเปนการบาน เพื่อฝกทกัษะในการแกปญหาทั้งที่มีลักษณะคลายคลึง และแตกตางออกไปจากเรื่องที่ไดสอนไป รายการสื่อการเรียนการสอนที่ใชประกอบ

1. เอกสารประกอบการสอนในรูปโปรแกรม PowerPoint รวมทั้ง Handout ซ่ึงพิมพออกมา (เพื่อความสะดวก จึงเขียนลงใสใน CD)

2. เอกสารประกอบ และภาพเคลื่อนไหว ซ่ึงคัดลอกมาจาก website ตางๆ


3. แบบฝกหัดตางๆ