ประวัติย่อการตรวจหาและการวัดรังสีชนิดก่อไอออน
8. วิวัฒนาการอุปกรณ์วัดรังสี : วิธีจำเพาะอื่น ๆ |
สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) |
วิวัฒนาการของอุปกรณ์ตววจหาและวัดรังสี มีความแนบแน่นมากกับการค้นพบผลต่าง ๆ ของรังสี ในระยะเริ่มต้นของการค้นพบและการวิจัยเกี่ยวกับรังสี โดยยังเป็นหลักใหญ่ของการตรวจหารังสีที่ใช้มาจนปัจจุบัน ตลอดเวลาที่ผ่านมา อุปกรณ์ตววจหาและวัดรังสีผ่านการปรับปรุงมาหลายครั้งหลายหน และมีบุคคลมากมายที่มีส่วนร่วมในพัฒนาการสำคัญ ๆ ซึ่งจะนำมากล่าวถึงเฉพาะพัฒนาการที่เป็นแนวหลัก คือ การถ่ายรูป (photographic) การเปล่งแสงวับ (scintillation) การแตกตัวเป็นไอออน (ionization) ผลึกของแข็ง (solid crystal) และ วิธีจำเพาะอื่น ๆ โดยในตอนนี้ จะกล่าวถึง วิธีจำเพาะอื่น ๆ
ภายหลังการค้นพบอนุภาค “นิวตรอน” โดย เจมส์ แชดวิก (James Chadwick) เมื่อปี 1932 เพียงไม่นาน ต้นกำเนิดนิวตรอนอย่างอ่อน (modest neutron source) ก็หาได้ง่าย แต่การตรวจหาและการตรวจวัดรังสีนิวตรอน กลับยุ่งยากกว่ารังสีอื่น ๆ ทั้งนี้ อุปกรณ์ในยุคแรก ๆ แทบทั้งหมดเป็น เครื่องวัดการแตกตัวเป็นไอออนทุติยภูมิ (secondary ionization detector) กล่าวคือ เป็นเครื่องตรวจหาและนับการแตกตัวเป็นไอออนหรือแบบสัดส่วน ของผลผลิตที่มีประจุที่เกิดจากปฏิกิริยาที่นิวตรอนเหนี่ยวนำให้เกิดขึ้น หรือของประจุที่เกิดจากปฏิกิริยาสะท้อนกลับ (charged recoils) หลายปีต่อมาเมื่อมีการสร้างเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สำเร็จในปี 1942 เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ก็กลายเป็น ต้นกำเนิดนิวตรอนอย่างแรง (strong neutron source) จากปฏิกิริยา การแบ่งแยกนิวเคลียส (fission) นับแต่นั้นเครื่องวัดรังสีนิวตรอนที่ซับซ้อนขึ้นก็เริ่มพัฒนา
อันที่จริง เครื่องวัดรังสีนิวตรอนทุกชนิดก็ใช้วิธีนำเอา วัสดุเป้า (target material) ซึ่งออกแบบมาเพื่อแปลงนิวตรอนให้เป็น อนุภาคมีประจุที่มีพลังงานสูง (energetic charged particles) มาต่อเข้ากับเครื่องตรวจหารังสีแบบดั้งเดิมนั่นเอง และเนื่องจาก ช่วงพลังงาน (energy span) ของนิวตรอนครอบคลุมช่วงที่กว้างมากราว 14 กลุ่มสิบ (decade) ตั้งแต่ 10~6 ถึง 108 อิเล็กตรอนโวลต์ (eV) ดังนั้น หลากหลายเทคนิคจึงพัฒนาขึ้น สำหรับเครื่องตรวจหาในช่วงพลังงานที่แตกต่างกัน ซึ่งโดยทั่วไป แบ่งแยกเป็นสำหรับ นิวตรอนช้า (slow neutron) ซึ่งมีพลังงานต่ำ อินเทอร์มีเดียตนิวตรอน (intermediate neutron) มีพลังงานปานกลาง และนิวตรอนเร็ว (fast neutron) ซึ่งมีพลังงานสูง
สำหรับนิวตรอนช้า ปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่นิยมใช้มากที่สุดเพื่อแปลงนิวตรอนช้า ให้เป็นอนุภาคมีประจุ ซึ่งสามารถตรวจหาได้โดยง่าย ก็คือ ปฏิกิริยานิวตรอน - แอลฟา ((n, a) reaction) ด้วย โบรอน - 10 (B-10) และ ลิเทียม - 6 (Li-6) กับปฏิกิริยานิวตรอน - โปรตอน ((n, p) reaction) ด้วย ฮีเลียม - 3 (He-3) โดยอุปกรณ์ที่ใช้วัดรังสีนิวตรอนช้าอย่างกว้างขวางเป็น เครื่องวัดรังสีแบบสัดส่วนที่ใช้หลอดบรรจุด้วยแก๊ส โบรอนไตรฟลูออไรด์ (BF3)
สำหรับการวัดนิวตรอนเร็ว มีเครื่องวัดหลายชนิดที่ใช้หลัก การวางตัวตรวจหานิวตรอนช้าเอาไว้ในตัวกลางที่เป็น ตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน (moderator) ซึ่งทำให้นิวตรอนเร็วกลายเป็นนิวตรอนช้า และตรวจวัดด้วยเครื่องวัดนิวตรอนช้า โดยเครื่องตรวจหาที่นิยมกันมาก พัฒนาขึ้นมาโดย แอลเฟรด แฮนสัน (Alfred Hanson) และ โจเซฟ แมกคิบเบน (Joseph McKibben) เมื่อปี 1947 เป็นแบบที่ใช้หลอดยาวบรรจุด้วยแก๊ส BF3 หุ้มด้านนอกด้วยกระบอกตัวหน่วงความเร็วนิวตรอน วิธีนี้สภาพไวดีโดยได้ผลลัพธ์เป็น โค้งแบนราบ ("flat response" curve) |
 |
 |
| แอลเฟรด แฮนสัน |
โจเซฟ แมกคิบเบน |
|
| ในราวปี 1950 มีการค้นพบ ตัวเปล่งแสงวับอินทรีย์ (organic scintillator) สำหรับวัดรังสีนิวตรอน ทำให้การศึกษาในสาขา ฟิสิกส์นิวตรอนเร็ว (fast neutron physics) ขยายตัวขึ้น และต่อมาในทศวรรษ 1960 การพัฒนา ตัวเปล่งแสงวับอนินทรีย์ (inorganic scintillator) คือ แก้วลิเทียม - 6 (Li-6 glass scintillators) สร้างความก้าวหน้าอย่างมากในด้าน ฟิสิกส์นิวตรอนพลังงานต่ำ (low-energy neutron physics) อย่างไรก็ดี เครื่องวัดนิวตรอนช้าที่มี ความเที่ยง (precision) ที่สุด คือ ระบบที่เรียกว่า ไทม์ออฟไฟลต์ (time of flight) |
|
| ปี 1960 แบรมเบล็ตต์ (R. Bramblett) อีวิง (R. Ewing) และ บอนเนอร์ (T. Bonner) ได้พัฒนา มาตรปริมาณรังสีทรงกลม (spherical dosimeter) ซึ่งมี ความน่าจะเป็นการตรวจหานิวตรอน (neutron detection probability) เข้าคู่ได้เป็นอย่างดีกับ ปริมาณรังสี (dose) ที่นิวตรอนถ่ายให้กับ ตัวกลางชีวภาพ (biological medium) ซึ่งปัจจุบันมีชื่อเรียกว่า ทรงกลมบอนเนอร์ (Bonner sphere) การพัฒนาเครื่องวัดขนาดเล็กสำหรับ การควบคุมการรับรังสีนิวตรอน (neutron exposure control) โดยเฉพาะสำหรับนิวตรอนพลังงานช่วงปานกลาง (intermediate) ยังขาดการพัฒนาที่จริงจัง |
 |
| Bonner spheres |
|
ยังมีเครื่องตรวจหาและวัดรังสีอีกหลายชนิดที่ไม่ได้กล่าวถึงในที่นี้ และในปัจจุบันมีบทบาทสำคัญในการวัดรังสี ในวัสดุบางชนิด เช่น เครื่องวัดรังสีแบบชะรอย (track-etch detector) ซึ่งใช้ พลาสติกแผ่นบาง (plastic foil) ที่ทำให้สามารถมองเห็นรอยทางของอนุภาคได้ โดยการชะรอยด้วยสารเคมี และนับรอยทางรังสีด้วยวิธีอ่านเป็นพิเศษ วิธีนี้มีประโยชน์มากในการตรวจหาไอออนหนัก (heavy ions) และ ผลผลิตการแบ่งแยกนิวเคลียส (fission products)
การที่วัสดุหลายชนิดแผ่รังสีได้ หลังจากเกิดปฏิสัมพันธ์กับอนุภาคนิวตรอน รังสีที่แผ่ออกมานี้ ก็สามารถนำมาใช้ อนุมานรายละเอียดเกี่ยวกับนิวตรอนที่ตกกระทบได้ เครื่องวัดแบบนี้เรีายกว่า เครื่องวัดเชิงก่อกัมมันตภาพรังสี (activation detector) อย่างไรก็ดี อุปกรณ์นี้ก็ใช้งานได้จำกัด จากข้อจำกัดทางฟิสิกส์ที่ซับซ้อน
วัสดุเปล่งแสงวับอนินทรีย์ (inorganic scintillation material) มีสมบัติคือ เมื่อได้รับรังสี ก็จะปล่อยแสงออกมาทันที เรียกว่า การเรืองแสงฉับพลัน หรือ ฟลูออเรสเซนซ์พรอมต์ (prompt fluorescence) อย่างไรก็ดี มีผลึกอนินทรีย์กลุ่มหนึ่งที่แตกต่างไปบ้าง โดยสามารถ “จับยึดและเก็บกัก” พลังงานของ การกระตุ้น (excitation) จาก การอาบรังสี หรือ การฉายรังสี (irradiation) และสามารถปล่อยพลังงานกระตุ้นนี้ออกมาภายหลัง ในรูปของ การเปล่งแสงเมื่อได้รับความร้อน เหล่าวัสดุที่มีสมบัติเช่นนี้ มีการทำงานเช่นเดียวกับ เครื่องวัดเชิงอินทริเกรต (integrating detector) ซึ่งค่อย ๆ เก็บสะสมสิ่งที่ต้องการวัดไว้มากพอ แล้วจึงค่อย รายงานผลออกมา เครื่องวัดรังสีที่ใช้หลักการนี้ เรียกว่า มาตรปริมาณรังสีแบบเทอร์โมลูมิเนสเซนซ์ (thermoluminescent dosimeter) หรือ ทีแอลดี (TLD) รอเบิร์ต บอล์ย (Robert Boyle) ได้อธิบาย ปรากฏการณ์เทอร์โมลูมิเนสเซนซ์ นี้เอาไว้นานแล้ว ตั้งแต่ ค.ศ. 1663 และผ่านมาอีกนาน ในปี 1927-1928 แฟรนซิส วิก (Frances Wick) ได้รายงานผลของรังสีเอกซ์ ต่อปรากฏการณ์เทอร์โมลูมิเนสเซนซ์ การศึกษานี้เอง ที่นำไปสู่การพัฒนา ทีแอลดี ซึ่งเริ่มต้นก่อนในปี 1948 โดย หลุยส์ เฮกเคลเบิร์ก (Louis Heckelsberg) พบความสัมพันธ์ระหว่าง ปริมาณรังสีที่รับไว้ (radiation-dose) กับ ปริมาณของการเกิดเทอร์โมลูมิเนสเซนซ์ ซึ่งต่อมา แฟริงตัน แดเนียลส์ (Farington Daniels) ได้เสนอวิธีใช้ ผลึกแอลคาไลเฮไลด์ (alkali halide crystal) สำหรับวัดปริมาณรังสี และในปี 1966 ผลึก ลิเทียมฟลูออไรด์ (LiF) ชิ้นเล็ก ๆ ก็มีการผลิตคราวละมาก ๆ สำหรับใช้เป็น มาตรปริมาณรังสีบุคคล (personnel dosimeter) จากนั้น ชิปทีแอลดีอันเล็ก ๆ ก็ค่อย ๆ เข้าแทนที่ ฟิล์มแบดจ์ (photographic film badge) ทีละน้อยสำหรับการวัดปริมาณรังสีรายบุคคล โดยเฉพาะประเทศในเขตร้อน
เครื่องตรวจหาและวัดปริมาณรังสี ที่ใช้หลักการทำงานแตกต่างไปอีกชนิดหนึ่ง ที่น่าจะกล่าวถึงก็คือ เครื่องวัดรังสีเชอเรนคอฟ (Cherenkov detector) จากการสังเกตพบปรากฏการณ์ ที่อนุภาคมีประจุเคลื่อนที่เร็วผ่านทะลุตัวกลางโปร่งใส (transparent medium) แล้วเปล่งรังสีเป็นแสงออกมา และสามารถอธิบายการเกิดได้ โดย พาเวล เซเรนคอฟ (Pavel Cerenkov) เมื่อปี 1937 รังสีนี้จึงตั้งชื่อตามผู้ค้นพบว่า รังสีเชอเรนคอฟ เครื่องวัดรังสีที่ใช้ตรวจหาและวัดรังสีเชอเรนคอฟ มีใช้อย่างกว้างขวางในการทดลองด้าน ฟิสิกส์พลังงานสูง (high-energy physics) |
 |
| รังสีเชอเรนคอฟ เห็นเป็นแสงสีน้ำเงิน ในเครื่องปฏิกรณ์ปรมาณูวิจัย-1 ปรับปรุงครั้งที่ 1 ของ สทน. |
|
โครงเรื่องจาก Detecting and measuring ionizing radiation – a short history โดย F.N. Flakus, IAEA BULLETIN, VOL 23, No 4
โพสต์เมื่อ : 22 ธันวาคม 2554 |
| |
