ประวัติย่อการตรวจหาและการวัดรังสีชนิดก่อไอออน
6. วิวัฒนาการอุปกรณ์วัดรังสี : การแตกตัวเป็นไอออน |
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 โดยในตอนนี้จะกล่าวถึง การแตกตัวเป็นไอออน
มีวัสดุหลายชนิดที่แตกตัวเป็นไอออนได้ แต่ที่จะนำมาใช้ในเครื่องตรวจหารังสีได้นั้น ประจุที่เกิดจากรังสี จะต้องอยู่ภายใต้อิทธิพลของสนามไฟฟ้าด้วย ซึ่งแก๊สเติมเต็มเงื่อนไขนี้ได้โดยง่าย และเครื่องตรวจหา ที่ใช้การแตกตัวเป็นไอออนรุ่นแรก ๆ ก็เป็นแบบบรรจุด้วยแก๊ส โดยแบบที่ง่ายที่สุด คือ “ห้องการแตกตัวเป็นไอออน” (ionization chamber) และในยุคนั้นก็เป็นอุปกรณ์จำเป็นสำหรับการศึกษารังสีเอกซ์ในยุคแรก ๆ ยกตัวอย่างเมื่อปี 1910 วิคเตอร์ เฮสส์ (Victor Hess) ชาวออสเตรีย-อเมริกัน ก็ใช้ห้องการแตกตัวเป็นไอออนขึ้นบอลลูนไปวัดรังสี เพื่อพิสูจน์ว่าบนฟ้ามีรังสีสูงกว่าบนพื้นดินเสียอีก และเขาก็คือ ผู้ค้นพบพร้อมกับตั้งชื่อ ให้กับรังสีจากสวรรค์นี้ว่า รังสีคอสมิก (cosmic radiation หรือ cosmic rays) |
 |
Hess, right, prior to one of his ten balloon trips to measure atmospheric ionization levels.
วิคเตอร์ เฮสส์ ขึ้นไปกับบอลลูนด้วยความสูงถึง 17,500 ฟุต รวม 10 ครั้ง ระหว่างปี 1911 ถึง 1913 |
|
ปี 1908 เออร์เนสต์ รัทเทอร์ฟอร์ด (Ernest Rutherford) และ ฮันส์ ไกเกอร์ (Hans Geiger) อธิบายเครื่องนับรังสีแอลฟาใช้ไฟฟ้าเป็นครั้งแรก ครั้งนั้นทำเป็นทรงกระบอก จากนั้นถึงปี 1912 ปรับปรุงเป็นทรงกลม และก้าวหน้าไปอีกขั้นหนึ่งในปี 1913 เมื่อพัฒนาเครื่องนับอนุภาคบีตาได้สำเร็จ
ปี 1928 ไกเกอร์ และ วอลเทอร์ มึลเลอร์ (Walther Mueller) ก็ประดิษฐ์ เครื่องนับรังสีบรรจุแก๊ส (gas-filled counter) แบบใหม่ ที่ตอบสนองต่อเหตุการณ์เดี่ยวที่เกิดจากรังสีเหนี่ยวนำได้ โดยให้สัญญาณออกมาในระดับสูง เรียกอุปกรณ์นี้ว่า เครื่องนับไกเกอร์-มึลเลอร์ (Geiger-Muller counter) หรือ เครื่องนับจีเอ็ม (GM counter) ซึ่งพัฒนากันต่อไปตลอดทศวรรษ 1930 และใช้กันกว้างขวางเนื่องจาก ผลิตง่าย ใช้ง่าย และราคาถูก อย่างไรก็ดี เครื่องนับจีเอ็มใช้วัดพลังงานของรังสีไม่ได้โดยตรง และจำกัดวัดรังสีได้อัตราต่ำ ๆ แต่ก็เป็นทางเลือกที่ดีที่สุด เมื่อเป็นการวัดง่าย ๆ และมีงบประมาณน้อย
การพัฒนาเครื่องตรวจหาแบบบรรจุแก๊สมีความเข้มข้นในทศวรรษ 1940 เริ่มตั้งแต่ปี 1940 ชาวออสเตรีย-อังกฤษชื่อ ออทโท ฟริช (Otto Frisch) ประดิษฐ์ Frisch grid ionization chamber ใช้วัดสเปกตรัมของรังสีแอลฟา แต่ก็ยังใช้งานได้จำกัด จนถึงปลายทศวรรษ การคิดค้นจึงบรรลุถึงแบบที่ 3 เรียกว่า เครื่องนับรังสีแบบสัดส่วน (proportional counter) ใช้วิธีเพิ่มจำนวนประจุที่เกิดในแก๊ส ซึ่งมีประโยชน์มาก สำหรับหาสเปกตรัมของ รังสีเอกซเรย์พลังงานต่ำ เครื่องวัดแบบนี้ยังใช้อย่างกว้างขวางในปัจจุบัน ในห้องปฏิบัติการตรวจวัดรังสีแอลฟา และรังสีบีตาทั่วไป แต่ไม่มีใช้แล้ว ถ้าเป็นงานที่ต้องการความแม่นยำสูง |
 |
เครื่องนับรังสีแบบสัดส่วน
เมื่อรังสีชนิดก่อไอออน ผ่านทางหน้าต่าง (thin window) เข้าไปในหลอด ทำให้ โมเลกุลแก๊สในหลอด แตกตัวเป็น ไอออนบวก กับ อิเล็กตรอน สนามไฟฟ้า กำลังสูงภายในหลอด ระหว่างขั้วบวก และขั้วลบ จะเร่งไอออนบวกไปที่แคโทด และอิเล็กตรอนไปที่แอโนด ซึ่งระหว่างทาง ยังสามารถชนกับแก๊ส ทำให้เกิดแตกตัวเป็นไอออนอีก รุนแรง เหมือนหิมะถล่ม ผลคือ ทำให้เกิด กระแสไฟฟ้ารุนแรง ในช่วงสั้น ๆ (short, intense pulse of current) ไหลเหมือนน้ำตก (cascade) จากขั้วลบไปยังขั้วบวก ซึ่งวัดหรือนับไว้ได้ |
|
โครงเรื่องจาก Detecting and measuring ionizing radiation – a short history โดย F.N. Flakus, IAEA BULLETIN, VOL 23, No 4
โพสต์เมื่อ : 19 ธันวาคม 2554 |
| |
