Nuclear Science
STKC 2555

ประวัติย่อการตรวจหาและการวัดรังสีชนิดก่อไอออน
5. วิวัฒนาการอุปกรณ์วัดรังสี : การเปล่งแสงวับ

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 การเปล่งแสงวับ
          แสงวับ เป็นแสงที่เปล่งออกมาอย่างรวดเร็ว เมื่อรังสีชนิดก่อไอออนทำอันตรกิริยากับวัสดุบางชนิด ซึ่งการตรวจหารังสีชนิดก่อไอออน โดยการเหนี่ยวนำให้เกิดแสงวับในสารประกาอบ สังกะสีซัลไฟด์ (zinc sulphide) ค้นพบโดยบังเอิญตั้งแต่ปี 1903 โดย วิลเลียม ครูกส์ (William Crookes) นับเป็นหนึ่งในเทคนิคแรก ๆ ที่ใช้ตรวจหาและนับรังสี ที่จริงในช่วงทศวรรษ 1930 เทคนิคนี้เกือบถูกแทนที่ด้วยการนับด้วยการใช้อุปกรณ์ไฟฟ้า มาช่วยนับ (electrical counting) แต่เทคนิคนี้กลับฟื้นคืนชีพอีกครั้งในทศวรรษ 1940 เมื่อมีการนำ หลอดพหุคูณแสงอิเล็กทรอนิกส์ (electronic photomultiplier tube) มาใช้กับ ตัวเปล่งแสงวับ (scintillator) ให้ช่วยแปลงประกายแสงจาง ๆ ไปเป็น พัลส์อิเล็กทรอนิกส์ (electric pulses) ซึ่งสามารถ “นับ” จำนวนครั้งของพัลส์ได้ด้วยระบบอิเล็กทรอนิกส์ การนับด้วยการใช้ตามองเห็นที่ใช้ในสมัยของรัทเทอร์ฟอร์ด เป็นอันหมดยุคไป
ผังหลอดพหุคูณแสงต่อเข้ากับตัวเปล่งแสงวับ (ภาพ : วิกิพีเดีย)

          สมบัติที่ดีสำหรับ ตัวเปล่งแสงวับ คือ

  1. ควรเป็นวัสดุที่สามารถแปลงพลังงานของ รังสีตกกระทบ (incident radiation) บนผิววัสดุ ให้เป็น แสงเรืองทันที หรือ พรอมต์ฟลูออเรสเซนส์ (prompt fluorescence) ได้ในสัดส่วนสูง (อีกสัดส่วนคือ แสงเรืองล่า หรือ ดีเลย์ฟลูออเรสเซนส์ (delayed fluorescence) ซึ่งอาจเรืองแสงช้าไปหลายไมโครวินาทีจนถึงหลายชั่วโมงก็ได้)
  2. แสงผลได้ หรือ ไลต์ยีลด์ (light-yield หมายถึง จำนวนโฟตอนที่ปล่อยออกมาต่อพลังงานที่สูญเสียไป) ต้องเป็นสัดส่วนโดยตรงกับพลังงานที่วัสดุได้รับ
  3. เกิดการเรืองแสงด้วยเวลาสั้น
  4. เนื้อวัสดุสม่ำเสมอ (homogeneous) และมี คุณภาพเชิงแสง (optical quality) ที่ดี

          อันที่จริงก็ไม่มีวัสดุชนิดใดที่มีสมบัติครบถ้วน การเลือกใช้ ตัวเปล่งแสงวับ ชนิดใด จึงเลือกให้เหมาะสมกับการใช้งานนั้น ๆ ให้มากที่สุด
รอเบิร์ต ฮอฟสตัดเทอร์

          ค.ศ. 1947 และ 1948 เป็นปีที่ค้นพบ ตัวเปล่งแสงวับ ที่ดีมากมาย โดยปี 1947 ค้นพบ ตัวเปล่งแสงวับอินทรีย์ (organic scintillator) หลายชนิด และในปี 1948 รอเบิร์ต ฮอฟสตัดเทอร์ (Robert Hofstadter) ค้นพบ ผลึกโซเดียมไอโอไดด์กระตุ้นด้วยแทลเลียม (thallium-activated sodium iodide crystal: NaI(Tl)) ซึ่งมีผลิตจำหน่ายในเชิงพาณิชย์ในปี 1950 และใช้กันอย่างกว้างขวางนับแต่นั้นมา NaI(Tl) เป็นวัสดุตัวกลางสำหรับตรวจหาสเปกตรัมรังสีแกมมาที่ใช้ได้ดีจริง ๆ ชนิดแรก และยังเป็น เครื่องนับรังสีจากแสงวับ (scintillation detector) ที่นิยมใช้มากที่สุดมาจนปัจจุบัน และกลายเป็นแนวทางให้เครื่องวัดรังสีต่อ ๆ มา ใช้สารกึ่งตัวนำเป็น วัสดุตัวกลางที่เรียกว่า เครื่องตรวจหารังสีแบบโซลิดสเตต (solid-state detectors)
สำหรับ เครื่องนับรังสีจากแสงวับแบบของเหลว (liquid scintillation detector) มีรายงานปรากฏมาตั้งแต่ปี 1948 แต่ไม่ได้รับความสนใจจนกระทั่งทศวรรษ 1960 และเป็นตัวกลาง “ผลึกของแข็ง” ซึ่งจะได้กล่าวถึงภายหลัง

โครงเรื่องจาก Detecting and measuring ionizing radiation – a short history โดย F.N. Flakus, IAEA BULLETIN, VOL 23, No 4

โพสต์เมื่อ : 19 ธันวาคม 2554