Nuclear Science
STKC 2555

ประวัติย่อการตรวจหาและการวัดรังสีชนิดก่อไอออน
7. วิวัฒนาการอุปกรณ์วัดรังสี : ผลึกของแข็ง

สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน)

          วิวัฒนาการของอุปกรณ์ตววจหาและวัดรังสี มีความแนบแน่นมากกับการค้นพบผลต่าง ๆ ของรังสี ในระยะเริ่มต้นของการค้นพบและการวิจัยเกี่ยวกับรังสี โดยยังเป็นหลักใหญ่ของการตรวจหารังสีที่ใช้มาจนปัจจุบัน ตลอดเวลาที่ผ่านมา อุปกรณ์ตววจหาและวัดรังสีผ่านการปรับปรุงมาหลายครั้งหลายหน และมีบุคคลมากมาย ที่มีส่วนร่วมในพัฒนาการสำคัญ ๆ ซึ่งจะนำมากล่าวถึงเฉพาะพัฒนาการที่เป็นแนวหลัก คือ การถ่ายรูป (photographic) การเปล่งแสงวับ (scintillation) การแตกตัวเป็นไอออน (ionization) ผลึกของแข็ง (solid crystal) และ วิธีจำเพาะอื่น ๆ โดยในตอนนี้ จะกล่าวถึง ผลึกของแข็ง
          เมื่อการพัฒนาเครื่องวัดรังสีที่ใช้การแตกตัวของแก๊สเริ่มอยู่ตัว ในไม่ช้าก็ตระหนักกันว่า การใช้การตรวจหารังสี ด้วยตัวกลางที่เป็นของแข็งแทนการใช้แก๊ส มีข้อได้เปรียบเป็นอย่างมาก โดยที่ของแข็งมีความหนาแน่นสูงกว่าแก๊ส ประมาณ 1000 เท่าตัว ทำให้ลดขนาดของเครื่องวัดลงได้ เล็กกว่าเครื่องแบบบรรจุด้วยแก๊สที่ทำงานได้เท่าเทียมกัน อันที่จริงมีรายงานในวารสารทางวิชาการ เกี่ยวกับเครื่องนับรังสีที่ใช้ผลึกของแข็งครั้งแรกมาตั้งแต่ปี 1932 แล้ว โดย G. Jaffe แต่มีอุปสรรคด้านวัสดุศาสตร์ ทำให้อุปกรณ์ทำงานไม่ได้ประสิทธิภาพเต็มที่ และในช่วงเวลานั้น แนวทางการพัฒนาด้วยการแตกตัวเป็นไอออน ทั้งแบบเครื่องนับรังสีไกเกอร์-มึลเลอร์ และ เครื่องนับรังสีแบบสัดส่วน จึงแซงหน้าไป ต่อมาในปี 1945 ก็มีรายงานเกี่ยวกับ เครื่องนับรังสีจากผลึกของแข็ง อีกครั้ง เป็นการใช้ผลึก เงินคลอไรด์ (AgCl) โดยเป็นวิทยานิพนธ์ของ Pieter Jacobus Van Heerden อย่างไรก็ดี เครื่องตรวจหารังสี ซึ่งวัดการแตกตัวเป็นไอออนที่เกิดใน ผลึกของแข็งไดอิเล็กทริก (solid dielectrics) ซึ่งเป็น โซลิดสเตต (solid-state) ที่ทำหน้าที่เทียบได้กับ ห้องแก๊ส (gaseous chambers) ปรากฏขึ้นจริงจังก็เมื่อปลายทศวรรษ 1950 ต่อต้นทศวรรษ 1960 ที่ เครื่องวัดรังสีแบบสารกึ่งตัวนำ (semiconductor detector) หลายชนิดได้รับการพัฒนาอย่างรวดเร็ว อาทิเช่น เครื่องตรวจหารังสีแบบแพร่ผ่าน (diffused-junction detector) และ เครื่องตรวจหารังสีแบบผิวเป็นตัวกั้น (surface-barrier detector) ที่ใช้กันอย่างกว้างขวางสำหรับตรวจหารังสีแอลฟา ในปี 1960 E.M. Pell สาธิต กระบวนการไอออนดริฟต์ (ion-drifting อาจแปลว่า การเถลไถลของไอออน) เป็นครั้งแรก ในทางปฏิบัติทำให้ เครื่องวัดรังสีแบบสารกึ่งตัวนำ มีประสิทธิภาพสูงขึ้น เรียกเครื่องวัดรังสีแบบนี้ว่า เครื่องวัดรังสีแบบไอออนดริฟต์ (ion-drifted detector) ซึ่งแพร่หลายไปอย่างรวดเร็ว
          จากวิวัฒนาการของสารกึ่งตัวนำมาจนปัจจุบัน ซิลิกอน (silicon) เป็นวัสดุที่ใช้มากที่สุดกับ เครื่องวัดไดโอด (diode-detector) สำหรับตรวจหา สเปกตรัมอนุภาคที่มีประจุ (charged-particle) ซึ่งโดยทั่วไปใช้ตรวจวัดรังสีบีตา รวมถึงรังสีเอกซ์พลังงานต่ำ และสารกึ่งตัวนำ เจอร์เมเนียม (germanium) ใช้มากกว่ากับ เครื่องวัดรังสีแบบไอออนดริฟต์ ซึ่งใช้ตรวจวัดรังสีแกมมาได้ดีมาก ปัจจุบันเครื่องวัดรังสีทั้งสองแบบนี้เข้าแทนที่ เครื่องวัดรังสีอื่น ๆ เกือบหมด เนื่องจากขณะนั้นการผลิตเจอร์เมเนียมบริสุทธิ์ยังทำได้ยาก เพื่อให้นำไฟฟ้าได้ตามต้องการ จึงต้องด้วยโด๊ปลิเทียมเพื่อเป็นการชดเชยการนำไฟฟ้า จึงเรียกว่า เครื่องวัดรังสีแบบเจอร์เมเนียมลิเทียม (Ge(Li)-detector) ซึ่งการผลิตต้องใช้ความเชี่ยวชาญสูง แต่เมื่อสามารถผลิตในเชิงพาณิชย์แล้ว เครื่องวัดรังสีแบบนี้ก็แพร่หลายไปทั่วโลกอย่างรวดเร็วยิ่งกว่าไฟไหม้ป่า
          ข้อจำกัดในทางปฏิบัติของ เครื่องวัดรังสีแบบเจอร์เมเนียมลิเทียม ก็คือ ต้องเก็บและใช้งานที่อุณหภูมิต่ำมาก เพื่อไม่ให้ลิเทียมหลุดหนีออกไป ซึ่งในระหว่างปี 1970 ถึง 1972 สามารถผลิตเจอร์เมเนียมที่มีความบริสุทธิ์สูงยิ่ง (ultrapure) ได้สำเร็จ ทำให้สามารถผลิตเครื่องวัดรังสีเจอร์เมเนียมได้โดยไม่ต้องมีลิเทียมมาช่วยเป็นตัวชดเชย ช่วยให้เก็บรักษาได้ ณ อุณหภูมิห้อง เรียกว่า เครื่องวัดรังสีเจอร์เมเนียมอินทรินสิก (intrinsic germanium detector) ซึ่งประมาณว่าปัจจุบันมีใช้ทั่วโลกรวมกันประมาณ 1000 เครื่อง
Intrinsic Germanium detector (Ultra high purity (UHPGe) Germanium detector)
โครงเรื่องจาก Detecting and measuring ionizing radiation – a short history โดย F.N. Flakus, IAEA BULLETIN, VOL 23, No 4

โพสต์เมื่อ : 20 ธันวาคม 2554