ประวัติย่อการตรวจหาและการวัดรังสีชนิดก่อไอออน
2. เครื่องตรวจหารังสีรุ่นแรก ๆ อันเนื่องมาจากการค้นพบรังสี |
สุรศักดิ์ พงศ์พันธุ์สุข
กลุ่มวิจัยและพัฒนานิวเคลียร์
สถาบันเทคโนโลยีนิวเคลียร์แห่งชาติ (องค์การมหาชน) |
การค้นพบรังสีเอกซ์ ของชาวเยอรมันชื่อ วิลเฮล์ม คอนราด เรินต์เกน (Wilhelm Konrad Roentgen) เมื่อย่ำค่ำวันที่ 8 พฤศจิกายน 1895 เขาสังเกตพบรังสีเอกซ์ที่ตามองไม่เห็น จากการเรืองแสงสีเขียววูบวาบจาง ๆ ของแผ่นกระดาษแข็งฉาบด้วยสารเรืองแสง พลาติโนไซยาไนด์ (platinocyanide) ซึ่งขณะนั้นเขากำลังทดลอง หลอดปล่อยประจุอิเล็กตรอนที่เรียกว่า หลอดฮิตทอร์ฟ-ครูกส์ (Hittorf-Crookes tube) และเขาใช้วัสดุสีดำหุ้มหลอด เพื่อกั้นแสงไว้ แต่แผ่นกระดาษแข็งดังกล่าวที่วางใกล้ ๆ หลอดปล่อยประจุเกิดเรืองแสงได้ เขาจึงคิดว่า มีรังสีที่ตามองไม่เห็นออกมาจากหลอดทดลอง จึงได้ทดสอบจนแน่ใจ จากนั้นจึงทดลองบันทึกรังสีที่เขาตั้งชื่อว่า รังสีเอกซ์ (X-rays) อย่างระมัดระวังอีกหลายครั้ง ก้าวสำคัญคือ เมื่อเรินต์เกนทดลองใช้ แผ่นถ่ายรูป (photographic plate) มารับรังสีแทนแผ่นเรืองแสง ก็พบว่ามี ความไวรับ (susceptible) ต่อรังสีเอกซ์ได้ดีกว่า และนี่เองที่เป็น ที่มาของอุปกรณ์สำหรับบันทึกถาพถ่ายเอกซเรย์
วันที่ 22 ธันวาคม 1895 เรินต์เกนถ่ายภาพเอกซเรย์ทางการแพทย์เป็นครั้งแรก ภาพนั้นเป็นภาพมือ ของภรรยาของเขาเอง และนับเป็นจุดกำเนิดของ การถ่ายภาพรังสี (radiography) นอกจากนี้ เขายังสังเกตพบว่า รังสีเอกซ์ยังทำให้ “อากาศ” บริเวณที่โดนรังสีฉายผ่าน เกิดนำไฟฟ้าได้ ซึ่งผลนี้ต่อมาเป็นหลักการ ที่ใช้ประดิษฐ์เครื่องตรวจหารังสีหลายชนิด ผลงานของเรินต์เกนนี้ทำให้เขาได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ เมื่อปี 1901 อันเป็นปีแรกที่มีการแจกรางวัลนี้ |
|
ปี 1896 ชาวฝรั่งเศสชื่อ อองรี แบ็กเกอแรล (Henri Becquerel) ทราบข่าวการค้นพบรังสีเอกซ์ จึงสนใจศึกษาว่า สารพรายแสง (phosphorescent substances) เมื่อโดนแสงแดดแล้วเรืองแสงออกมาได้นั้น จะเกี่ยวข้องกับรังสีเอกซ์หรือไม่ วิธีทดลองของเขาก็คือ ใช้สารพรายแสงที่รู้จักกันดีแล้วขณะนั้น ซึ่งก็คือ สารประกอบเกลือยูเรเนียมชนิดหนึ่ง นำไปรับแสงแดด จากนั้นห่อด้วยกระดาษสีดำ แล้วจึงนำมาวางบนแผ่นถ่ายรูป เพื่อดูว่าจะมีรังสีเอกซ์แผ่ออกมาหรือไม่ ผลคือมีรังสีบางอย่างแบบเดียวกับรังสีเอกซ์แผ่ออกมาจริง ๆ เพราะเมื่อล้างแผ่นถ่ายรูป ปรากฏเป็นรอยสีดำตรงตำแหน่งที่วางเกลือยูเรเนียม แต่ในระหว่างการทดลองช่วงหนึ่ง ที่ไม่มีแสงแดดติดต่อกันหลายวัน เขาเอาห่อเกลือยูเรเนียมที่ยังไม่โดนแสงแดดวางบนแผ่นถ่ายรูป และเก็บไว้ในลิ้นชักโต๊ะ เมื่อแดดไม่ออกสักที เขาลองนำแผ่นถ่ายรูปไปล้าง ก็พบรอยสีดำแบบเดียวกัน จึงสรุปได้ว่า เกลือยูเรเนียมแผ่รังสีออกมาด้วยตัวเอง และเป็นรังสีที่มองไม่เห็น นี่คือการค้นพบ ปรากฎการณ์กัมมันตภาพรังสี (radioactivity) ที่ว่า สารรังสีจะมีการแผ่รังสีออกมาเองตลอดเวลา หลังการค้นพบของแบ็กเกอแรลนี้ นักวิทยาศาสตร์พากันเริ่มต้นตรวจหาธาตุใหม่ ๆ จากสมบัติการแผ่รังสี
แบ็กเกอแรลลงมือตรวจสอบ สมบัติ (properties) ของรังสีที่ว่าต่อไปอย่างละเอียด และพบความจริงประการหนึ่งคือ รังสีนี้สามารถสลายประจุของ อิเล็กโทรสโคป (electroscope) หรือ อิเล็กโทรมิเตอร์ (electrometer) ได้
อิเล็กโทรสโคปเรียกได้ว่าเป็นเครื่องวัดไฟฟ้าชนิดแรกของโลก ใช้สำหรับตรวจหาและวัดขนาดประจุไฟฟ้า (สถิต) บนร่างกาย อาจเรียกได้ว่าเป็นโวลต์มิเตอร์แบบหยาบ ๆ ประดิษฐ์โดยแพทย์ชาวอังกฤษชื่อ วิลเลียม กิลเบิร์ต (William Gilbert) ตั้งแต่ราวปี 1600 คือมีมากว่าสี่ร้อยปีแล้ว |
 |
 |
| (บน) อิเล็กโทรสโคปของกิลเบิร์ต |
| (ขวา) การทำงานของอิเล็กโทรสโปแบบแผ่นทองคำเปลว |
|
สำหรับอิเล็กโทรสโคปที่แบ็กเกอแรลใช้นั้นเป็น อิเล็กโทรสโคปแบบแผ่นทองคำเปลว (gold-leaf electroscope) ประดิษฐ์ขึ้นโดยพระชาวอังกฤษชื่อ อะบราฮัม เบนเนตต์ (Abraham Bennett) เมื่อปี 1787 ลักษณะคือ เป็นแท่งทองเหลืองแขวนแผ่นทองคำสองแผ่น เพื่อกันลม จึงบรรจุแผ่นทองคำอยู่ในกระเปาะแก้ว ด้านบนแท่งทองเหลืองวางด้วยแผ่นจานกลมสำหรับวัดประจุไฟฟ้า ประจุจะไหลไปที่แผ่นทองคำ แต่เนื่องจากเป็นประจุชนิดเดียวกัน จึงทำให้แผ่นทองคำกางออกจากกัน โดยถ้ามีจำนวนประจุมาก แผ่นทองก็จะกางออกจากกันมากตามไปด้วย
ดังกล่าวแล้วว่า สมบัติหนึ่งของรังสีเอกซ์ก็คือ ที่เรินต์เกนพบว่ารังสีเอกซ์สามารถทำให้อากาศแห้งสามารถ นำไฟฟ้า ได้ กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ ทำให้อากาศเกิดมีประจุไฟฟ้าได้ ดังนั้น ถ้าสามารถสร้างสนามไฟฟ้า ครอบปริมาตรอากาศส่วนนั้นไว้ได้ ก็สามารถจะเก็บประจุที่เกิดขึ้นไว้ได้ วิธีการนี้ต่อมาเรียกว่า ห้องการแตกแตกตัวเป็นไอออน (ionization chamber) อย่างไรก็ดี การเข้าใจแนวคิดนี้อย่างถ่องแท้ ต้องใช้เวลาอีกหลายปี จากผลงานการค้นพบอิเล็กตรอนของ เจ.เจ. ทอมสัน (J.J. Thomson) เมื่อปี 1899
ที่จริง มาดาม กูรี (Madame Curie) ตระหนักก่อนใครว่า วิธีการแตกตัวเป็นไอออน เหมาะสมที่จะใช้วัด ความแรงของรังสี ที่แบ็กเกอแรลค้นพบ เธอจึงใช้ อิเล็กโทรมิเตอร์ ของสามี (ปีแอร์ กูรี) ต่อเข้ากับห้องการแตกตัวเป็นไอออนที่ขนาดพอเหมาะ มาทำซ้ำการทดลองของแบ็กเกอแรล ซึ่งก็ได้ผลดี โดยเธอพบว่า ความแรงของรังสี (radiation intensity) แปรผันตามปริมาณของยูเรเนียม ถึงเดือนกรกฎาคม ปี 1898 มาดามกูรีกับสามีก็ค้นพบ ธาตุกัมมันตรังสี (radioactive element) คือ พอโลเนียม (polonium) และในเดือนธันวาคมปีเดียวกัน ทั้งคู่ก็ประกาศค้นพบธาตุกัมมันตรังสีอีกธาตุหนึ่ง คือ เรเดียม (radium) ทั้งนี้ ทำให้สามีภรรยากูรีได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 1903 ร่วมกับแบ็กเกอแรล และมาดามกูรี ก็เป็นผู้เสนอให้เรียกการแผ่รังสีของธาตุกัมมันตรังสีนี้ว่า ปรากฎการณ์กัมมันตภาพรังสี |
|
การศึกษาเกี่ยวกับรังสีในปี 1899 มีข้อน่าสังเกตหลายประการ ที่น่าสนใจคือ เอลสเตอร์ (J. Elster) เกอร์เทล (H. Gertel) และ วิลสัน (C.T.R. Wilson) ต่างก็พบว่า อยู่เฉย ๆ ประจุในอิเล็กโทรสโคปก็สลายได้เอง โดยไม่โดนรังสี และคิดกันว่าเกิดจากกัมมันตภาพรังสีจากพื้นโลก นอกจากนี้ยังมีผู้สังเกตพบว่า รังสีของแบ็กเกอแรล “เบนได้” ในสนามแม่เหล็ก ซึ่งอีกหลายปีต่อมา เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) ก็ประสบความสำเร็จ สามรถแจกแจงได้อย่างสมบูรณ์ว่า รังสีที่แบ็กเกอแรลค้นพบที่จริงประกอบด้วยรังสี 3 ชนิด ที่รัทเทอร์ฟอร์ดตั้งชื่อให้ว่า รังสีแอลฟา รังสีบีตา และ รังสีแกมมา
อุปกรณ์ในระยะเริ่มต้นของการวิจัยเรเดียม ก็คือใช้ แผ่นถ่ายรูป มาศึกษาปรากฏการณ์ใหม่นี้ แต่ต่อมาไม่นาน ก็เปลี่ยนมาใช้ อิเล็กโทรสโคปแบบแผ่นทองคำเปลว กันทั่วไป เนื่องจากใช้ง่าย ราคาค่อนข้างต่ำกว่า และมี สภาพไว (sensitivity) สูง และค่อย ๆ พัฒนาอิเล็กโทรสโคปอีกหลายชนิดที่ตรงกับจุดประสงค์มากขึ้น เช่น อิเล็กโทรสโคปรังสีแอลฟา (alpha electroscope) ที่ใช้ห้องการแตกตัวเป็นไอออนต่อติดกับห้องสำหรับวัด อิเล็กโทรสโคปรังสีบีตา (beta electroscope) ที่ใช้ห้องการแตกตัวเป็นไอออนร่วมกับห้องวัด และ อิเล็กโทรสโคปแผ่รังสี (emanation electroscope) สำหรับวัดแก๊สกัมมันตรังสี สำหรับการใช้ ห้องการแตกตัวเป็นไอออนต่อกับแกลแวนอมิเตอร์ (galvanometer) ก็จำกัดใช้วัดรังสีแรง ๆ อย่างไรก็ดี วิธีตรวจหารังสีในยุคเริ่มแรก ไม่ว่า ฉากฟลูออเรสเซนต์ แผ่นถ่ายรูป อิเล็กโทรสโคปแบบต่าง ๆ ดังกล่าวมา ล้วนมีลักษณะเฉพาะหนึ่งที่เหมือนกันก็คือ ใช้วัด “รังสีรวม” (bulk radiation) ได้ดี แต่ไม่ไวต่อ รังสีเดี่ยว (single rays)
อุปกรณ์ชนิดแรกที่สามารถใช้ตรวจหารังสีเดี่ยวได้ ได้แก่ สปินทาริสโคป (spinthariscope จากภาษากรีก spintharis แปลว่า spark หรือ ประกายไฟ) ที่ เซอร์วิลเลียม ครูกส์ (Sir William Crookes) ประดิษฐ์ขึ้นเมื่อปี 1903 จากความบังเอิญ เขาทำสารที่มีเรเดียมซึ่งราคาแพงหกลงบน ฉากสังกะสีซัลไฟด์ (zinc sulphide screen) จึงพยายามเก็บกลับให้ได้มากที่สุด จึงส่องดูด้วยกล้องจุลทรรศน์ สิ่งที่เขาเห็นคือฉากเกิดเปล่งแสง จากอนุภาคแอลฟาในเรเดียม เห็น “แสงวับ” (scintillation) เป็นจุด ๆ เขาจึงประดิษฐ์เป็นกล้องปลายหนึ่งคือเลนส์ อีกปลายคือฉากสังกะสีซัลไฟด์ |
|
รัทเทอร์ฟอร์ดกับผู้ช่วยชื่อ ฮันส์ ไกเกอร์ (Hans Geiger) พบว่า ฉากที่เรียบสม่ำเสมอ เมื่อกระทบกับ อนุภาคแอลฟา 1 อนุภาค จะเกิดแสงวับ 1 ครั้งเท่านั้น จึงเป็นวิธีง่าย ๆ สำหรับนับจำนวนอนุภาคแอลฟา ซึ่งท้ายที่สุดมีความสำคัญในทางปฏิบัติที่ยิ่งใหญ่ ที่รัทเทอร์ฟอร์ดกับลูกศิษย์ปรับปรุงใช้ชนิดประสบผลสำเร็จสูงสุด และเป็นวิธีที่ใช้กันนานจนถึงทศวรรษ 1930 ทีเดียว ข้อด้วยของวิธีนี้ก็มี คือ ตาของผู้ใช้การส่องกล้องวิธีนี้จะล้า เมื่อส่องเพื่อนับแสงวับ ดังนั้น ขั้นตอนปกติจึงให้ผลัดกันส่องคนละ 1 นาที โดยในแต่ละการทดลองผู้ส่องจะต้องส่อง 20 ผลัด ด้วยวิธีนี้เองที่รัทเทอร์ฟอร์ดค้นพบนิวเคลียสของอะตอมเมื่อปี 1911
อุปกรณ์อีกอย่างหนึ่ง ที่ทำให้มองเห็น “เหตุการณ์” (event) ที่เกิดจากรังสีเดี่ยวได้ ได้แก่ “ห้องหมอก” (cloud chamber) ผู้ประดิษฐ์คือ ชาลส์ วิลสัน (Charles Thomson Rees Wilson) เมื่อปี 1911 หลักการคือ จำลองการเกิดเมฆบนท้องฟ้า ซึ่งเกิดจากไอน้ำในอากาศไปกลั่นตัวเกาะอนุภาคที่มีประจุในอากาศ เห็นเป็นเมฆได้ ห้องหมอกของวิลสันเป็นแก้วทรงกระบอกเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 16 เซนติเมตรและลึกเพียง 3 เซนติเมตรเศษ (ดังในรูปที่เห็นเป็นแก้วอยู่ตอนบนหรือคือส่วน A ในแผนภาพ) พื้นของทรงกระบอกต่อกับลูกสูบ และกระบอกสูบทำด้วยทองเหลือง ทั้งหมดนี้วางอยู่ในน้ำตื้น ๆ ที่จะทำให้ห้องหมอกอิ่มตัวด้วยโมเลกุลน้ำอยู่ตลอดเวลา ส่วนกระเปาะแก้วทรงกลมขนาดใหญ่ (C) นั้นเป็นห้องสุญญากาศ ซึ่งเมื่อเปิดลิ้น (B) ก็จะดึงอากาศข้างใต้ลูกสูบ เข้าไปในห้องสุญญากาศนี้ ทำให้ลูกสูบเคลื่อนตัวลงและทำให้อากาศภายในห้องหมอกขยายตัวและเย็นลง จนควบแน่นเป็นเมฆได้ |
|
| เมื่อประดิษฐ์ห้องหมอกเสร็จแล้ววิลสันก็เริ่มการทดลอง เขาสังเกตว่าในสภาพปกติ การเกิดเมฆ จะกระจายอยู่ทั่วไป จากนั้นเมื่อใช้เรเดียมซึ่งปล่อยรังสีแอลฟาออกมาทุกทิศทาง ก็จะเห็นเมฆรอยทางจำนวนมาก ออกมาเป็นเส้นตรงหนา ในขณะที่เมื่อใช้ต้นกำเนิดรังสีบีตาก็จะเห็นเมฆรอยทางพุ่งออกมาเหมือนเส้นด้ายบาง ๆ ไม่กี่เส้น ที่เป็นเช่นนี้ก็เพราะรังสีแอลฟามีทั้งขนาดอนุภาคและขนาดประจุโตกว่ารังสีบีตา (รังสีบีตาก็คือ อนุภาคอิเล็กตรอนพลังงานสูง) ซึ่งสามารถถ่ายภาพไว้ได้
ระหว่างปี 1923 ถึง 1930 ห้องหมอกได้รับการพัฒนาจนเป็นเครื่องมือวิจัยที่มีประโยชน์สูงสุด โดยมีการค้นพบสำคัญเป็นจำนวนมาก ในปี 1939 อะเล็กแซนเดอร์ แลงส์ดอร์ฟ (Alexander Langsdorf) สร้างห้องหมอกเครืองแรกที่ทำงานได้ต่อเนื่อง จากนั้นทศวรรษ 1950 ก็มีการประดิษฐ์และพัฒนา ห้องฟอง (bubble chamber) ที่สามารถเห็นรอยทางของอนุภาครังสีในตัวกลางของเหลว อุปกรณ์นี้ใช้อย่างกว้างขวางใน การทดลองฟิสิกส์พลังงานสูง (high-energy physics experiment) และช่วงทศวรรษมีการพัฒนา ห้องกระแส (streamer chamber)
โครงเรื่องจาก Detecting and measuring ionizing radiation – a short history โดย F.N. Flakus, IAEA BULLETIN, VLO 23, No 4 |
โพสต์เมื่อ : 14 ธันวาคม 2554 |
| |
