કણજ્ઞાપકો

કણજ્ઞાપકો (particle detectors) : ઇલેક્ટ્રૉન, પૉઝિટ્રૉન, પ્રોટૉન, α-કણ, આયનો જેવા વિદ્યુતભાર ધરાવતા કણો, વિદ્યુતભારરહિત ન્યૂટ્રૉન, ફોટૉન (x-કિરણો, γ-કિરણો) તથા મેસૉનના અર્દશ્ય કણને પ્રત્યક્ષ કરતાં તેમજ તેમનું મૂલ્યાંકન કરતાં ઉપકરણો.

કણના અસ્તિત્વના જ્ઞાપન (detection) માટે કણ તથા જ્ઞાપકનો દ્રવ્ય વચ્ચે કોઈ પ્રકારની આંતરક્રિયા થવી જરૂરી છે. સામાન્ય રીતે આ આંતરક્રિયા (i) આયનીકરણ, (ii) પ્રકાશ-ઉત્સર્જન, (iii) અવસ્થા-રૂપાંતર કે (iv) રાસાયણિક રૂપાંતરમાં પરિણમતી જોવા મળે છે. આયનીકરણ ચેમ્બર, સપ્રમાણ ચેમ્બર, ગાઇગર-મૂલર કાઉન્ટર, અર્ધવાહક કાઉન્ટર, સ્પાર્ક કાઉન્ટર જેવા જ્ઞાપકોમાં આયનીકરણની ઘટના, સિન્ટિલેશન કાઉન્ટર અને ચેરેન્કૉવ કાઉન્ટરમાં પ્રકાશ-ઝબકારાની ઘટના; ક્લાઉડ ચેમ્બર અને બબલ ચેમ્બરમાં અવસ્થા-રૂપાન્તરની ઘટના તથા ન્યૂક્લિયર ઇમલ્ઝન જ્ઞાપકમાં રાસાયણિક ફેરફારોની ઘટનાનો કણના પ્રતિસાદ (response) તરીકે ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. જ્ઞાપકના દ્રવ્યના પરમાણુઓ સાથેની આંતરક્રિયામાં, કણનો વિદ્યુતભાર તથા ગતિઊર્જા મહત્વનાં પરિબળો છે. કેટલીક આંતરક્રિયાઓમાં જ્ઞાપકના દ્રવ્યનો પ્રકાર પણ મહત્વનો ભાગ ભજવે છે. જ્યારે કણ, જ્ઞાપકના દ્રવ્યમાં ગતિ કરે છે ત્યારે તેના પરમાણુઓ સાથે સંઘાત (collision) અનુભવીને આયનીકરણ ઉત્પન્ન કરે છે અને ધન આયનો તથા ઇલેક્ટ્રૉનના પથ અંકિત કરે છે. આયનીકરણ ઉપરાંત સંઘાત અનુભવતા ઉત્તેજિત પરમાણુઓ, પ્રકાશઊર્જાનું ઉત્સર્જન કરે છે અથવા વધુ પ્રમાણમાં ગતિઊર્જા મેળવીને ઉષ્મા-ઊર્જા ઉત્પન્ન કરે છે. જ્ઞાપકની રચનામાં આમાંની કોઈ પણ અસરનો ઉપયોગ કરી શકાય. કેટલાક ગુણધર્મો, બે ઘટનાઓ વચ્ચે સમય-વિભેદન (time resolution) તથા સ્થાનવિભેદન(space resolution)ને અનુલક્ષીને જુદા જુદા જ્ઞાપકોનું વિશ્લેષણ કોઠા-1માં દર્શાવેલ છે.

આયનીકરણ ચેમ્બર : વાયુ ભરેલા પાત્રમાં અવાહક વીજાગ્ર દાખલ કરી વીજાગ્ર અને પાત્રની દીવાલ વચ્ચે વિદ્યુતવિભવાંતર (potential difference) આપવામાં આવે છે. પાત્રમાં ઉચ્ચ ઊર્જા ધરાવતાં શક્તિશાળી ફોટૉન કે વિદ્યુતભારિત કણને દાખલ કરતાં તે વાયુના અણુ સાથે સંઘાત અનુભવી આયનીકરણ કરે છે. વિદ્યુતવિભવને કારણે ધન આયનો કૅથોડ તરફ અને ઋણવિદ્યુતભારવાળાં ઇલેક્ટ્રૉન, ઍનોડ તરફ ગતિ કરે છે, જે વીજાગ્રો સુધી પહોંચતાં આયનીકરણ પ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે છે. આ પ્રવાહનું મૂલ્ય અતિસૂક્ષ્મ હોવાથી તેને ભારે અવરોધ (10¹²થી 10¹³ ઓહમ)માંથી પસાર કરી, મળતા પ્રદાન (output) વોલ્ટેજ વડે મપાય છે અથવા તેનું ક્ષણિક પ્રવાહસંકેત(pulse)માં રૂપાંતર કરી પ્રવર્ધન કરવામાં આવે છે. પ્રદાન વોલ્ટેજના મૂલ્ય પરથી આયનીકરણ કરતાં કણની તીવ્રતા તથા ઊર્જા સંબંધી માહિતી મેળવી શકાય છે. સામાન્ય વાયુના એક અણુનું આયનીકરણ કરવા માટે આપાતકણની, લગભગ 30 eV જેટલી ઊર્જા ખર્ચાય છે (1 eV = 1.6 × 10^–19 જૂલ).

આયનીકરણ ચેમ્બર, x-કિરણો, γ-કિરણોની તીવ્રતા તથા 6 MeV જેટલી ઊર્જા ધરાવતા α-કણોની ઊર્જા માપવા માટે ઉપયોગી છે.

કોઠો 1 : કણજ્ઞાપકોનું વિશ્લેષણ

મુખ્ય પ્રતિસાદ	જ્ઞાપકનો પ્રકાર	સંવેદી દ્રવ્ય	સમય વિભેદન	સ્થાન વિભેદન
આયનીકરણ	ઘન અવસ્થા જ્ઞાપક આયનીકરણ ચેમ્બર સપ્રમાણ કાઉન્ટર ગાઇગર-મૂલર કાઉન્ટર સ્પાર્ક કાઉન્ટર	ઘન     વાયુ	1–6થી 10–7 સેમી.	જ્ઞાપકનું કદ             1 મિમી.
પ્રકાશ- ઉત્સર્જન       ચેમ્બર	સિન્ટિલેશન કાઉન્ટર ચેરેન્કૉવ કાઉન્ટર સિન્ટિલેશન	વાયુ, પ્રવાહી કે ઘન   ઘન	10–9 સેમી.       10–8 સેમી.	જ્ઞાપકનું કદ     1 મિમી.
અવસ્થા અથવા રાસાયણિક ફેરફાર	ક્લાઉડ ચેમ્બર બબલ ચેમ્બર ન્યૂક્લિયર ઇમલ્ઝન સૉલિડ સ્ટેટ પથ (ટ્રેક) જ્ઞાપક	વાયુ પ્રવાહી જેલ (Gel)   ઘન	નથી	0.1 મિમી.   1 માઇક્રો મીટર

ઘનઅવસ્થાજ્ઞાપક : આયનીકરણ ઉપકરણોમાં વપરાતું સંવેદી દ્રવ્ય એવું હોવું જોઈએ કે આયનીકરણને લીધે ઉત્પન્ન થતાં આયનો વીજાગ્ર સુધી પહોંચવા સક્ષમ હોય, વળી આયનીકરણ સિવાયના અન્ય કોઈ પ્રવાહનું વહન થાય નહિ તે માટે તે ભારે અવરોધ ધરાવતું હોવું જોઈએ. આ હેતુસર આયનીકરણ ચેમ્બરમાં આયનીકરણ દ્રવ્ય તરીકે હિલિયમ અને આર્ગન જેવા નિષ્ક્રિય (inert) વાયુનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. અવાહક ઘન પદાર્થનો પણ આયનીકરણ માધ્યમ તરીકે ઉપયોગ કરી શકાય. ઘનઅવસ્થાજ્ઞાપકમાં અવાહક તરીકે P-N જંક્શનનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. જર્મેનિયમ કે સિલિકોનના અર્ધવાહકો(semi-conductors)માં અતિઅલ્પ પ્રમાણમાં પેન્ટા-વેલન્ટ/ટ્રાયવેલન્ટ પરમાણુઓને અશુદ્ધિ તરીકે દાખલ કરતાં N-પ્રકાર/P-પ્રકારના અર્ધવાહકો મળે છે, જેમના જોડાણથી P-N જંક્શન મળે છે. તેની સાથે પ્રતિવલણ (reverse bias) જોડાણ કરતાં ડેપ્લેશન સ્તર મળે છે. તેમાંથી આયનીકરણ ઉત્પન્ન કરી શકે તેવા કણને દાખલ કરતાં આયનીકરણ પ્રવાહ મળે છે. આ પ્રકારના ઉપકરણમાં આયનીકરણની એક જોડ ઉત્પન્ન કરવા માટે આપાત કણની ઊર્જા લગભગ 3 eV જેટલી હોય છે, જે આયનીકરણ ચેમ્બરમાંની 30eVની સરખામણીમાં અલ્પ ગણી શકાય. આમ, ઘન-અવસ્થાજ્ઞાપક, આયનીકરણ ચેમ્બરની સરખામણીમાં વધુ સંવેદી છે. α-કણો તથા લઘુ ઊર્જા ધરાવતા પ્રોટૉનની ઊર્જા માપવા માટે આ પ્રકારના જ્ઞાપકો ઉપયોગી છે.

સપ્રમાણ કાઉન્ટર : આયનીકરણ ચેમ્બર તથા ઘન-અવસ્થા-જ્ઞાપકની મુખ્ય મર્યાદા એ છે કે આયનીકરણ-પ્રવાહ અલ્પ પ્રમાણમાં મળતો હોવાથી, તે માપવા માટે ઉચ્ચ પ્રવર્ધન ધરાવતાં ઇલેક્ટ્રૉન વિવર્ધકો(amplifiers)ની જરૂર પડે છે. ચેમ્બરને આપવામાં આવતું વોલ્ટેજ વધારતાં આયનીકરણ-પ્રવાહ સતત વધીને સંતૃપ્ત બને છે. પછી પણ વોલ્ટેજ વધારતાં પ્રાથમિક આયનીકરણને લીધે ઉત્પન્ન થતા ઇલેક્ટ્રૉન પૂરતી ઊર્જા પ્રાપ્ત કરી, ગૌણ આયનીકરણ ઉત્પન્ન કરે છે. પરિણામે પ્રત્યેક આયનીકરણ ઘટના સાથે સંકળાયેલા પ્રવાહની તીવ્રતામાં નોંધપાત્ર વધારો થાય છે. આ સ્થિતિમાં જ્ઞાપકને, સપ્રમાણ જ્ઞાપક તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. આયનીકરણ પ્રવાહની તીવ્રતામાં થતા વધારાને ગુણક અંક (multiplication factor) વડે દર્શાવવામાં આવે છે. ગુણક અંક સરેરાશ આયનીકરણ ઘટનાને અનુરૂપ, ગૌણ આયનીકરણની સંખ્યા દર્શાવે છે. તેનું મૂલ્ય જ્ઞાપકમાં વિદ્યુતક્ષેત્રની તીવ્રતા પર આધાર રાખે છે. સમાંતર તકતી (parallel plate) ચેમ્બરમાં આ તીવ્રતાનું મૂલ્ય 10 ન્યૂટન/કુલમ્બ(NC^–1)થી માંડી, નળાકાર ચેમ્બર(જેમાં એક વીજાગ્ર-ઍનોડ તેના અક્ષ આગળ હોય)માં 10³ સુધી મળી શકે છે. આમ નળાકાર આયનીકરણ ચેમ્બર (જેના અક્ષ પર રાખેલો પાતળો તાર ઍનોડ તરીકે વર્તે છે તે) સપ્રમાણ કાઉન્ટર તરીકે ઉપયોગી છે. મૃદુ X-કિરણો, β-કિરણો, મેસૉન, ઝડપી પ્રોટૉન વગેરે સાથે સંકળાયેલી ઊર્જા સપ્રમાણ કાઉન્ટર વડે માપી શકાય છે.

ગાઇગર–મૂલર કાઉન્ટર : સપ્રમાણ કાઉન્ટરમાં વોલ્ટેજ વધારવાથી ઉદભવતા સંકેતનું ગુણાંકન અમર્યાદિત વધારી શકાતું નથી. કોઈ એવી સ્થિતિ પ્રાપ્ત થાય જ્યારે આ રીતે મળતો આયનીકરણ પ્રવાહસંકેત, પ્રાથમિક આયનીકરણના સમપ્રમાણમાં ન હોય. આ સ્થિતિમાં આયનીકરણ ચેમ્બર ગાઇગર કાઉન્ટર તરીકે વર્તે છે. આમ એવું કાઉન્ટર બનાવી શકાય જે ઍનોડ તથા કૅથોડ વચ્ચે આપવામાં આવતા વોલ્ટેજને અનુરૂપ, આયનીકરણ ચેમ્બર, સપ્રમાણ કાઉન્ટર તથા ગાઇગર કાઉન્ટર તરીકે વર્તી શકે.

ગાઇગર-મૂલર કાઉન્ટર, ગાઇગર અને મૂલર નામના વૈજ્ઞાનિકોએ રચેલું વિશિષ્ટ પ્રકારનું ચેમ્બર છે. ઍલ્યુમિનિયમની નળાકાર નળીના અક્ષ પર ઍલ્યુમિનિયમનો તાર ધન વીજાગ્ર તરીકે હોય છે. નળીમાં નીચા દબાણે બ્રોમીનમિશ્રિત આર્ગન વાયુ ભરવામાં આવે છે. નળી અને તાર વચ્ચે 400 વોલ્ટ કે તેથી વધુ વિદ્યુતદબાણ લાગુ પાડવામાં આવે છે.

નળીમાં α કે β જેવા વિદ્યુતભારિત કણ દાખલ કરતાં, તે નળીમાંના વાયુના પરમાણુ સાથે સંઘાત પામીને આયનીકરણ ઉપજાવે છે. આયનીકરણમાં ઉત્પન્ન થતા ઇલેક્ટ્રૉન, ભારે વિદ્યુતવિભવને લીધે અક્ષ ઉપર રાખેલા ધન વીજાગ્ર તરફ ત્વરિત ગતિ કરે છે. ગતિ દરમિયાન તેના માર્ગમાં આવતા અન્ય પરમાણુઓ સાથે સંઘાત અનુભવીને ગૌણ આયનીકરણ ઉપજાવે છે અને તેનાથી મળતો ઇલેક્ટ્રૉનનો સમૂહ (avalanche) ધન વીજાગ્ર સુધી પહોંચતાં પરિપથ પૂર્ણ થઈ, વિદ્યુતપ્રવાહ ચાલુ થાય છે. બાહ્ય પરિપથમાં મોટો અવરોધ જોડેલો હોવાથી જેવો પરિપથ પૂર્ણ થાય કે તરત જ, નળીમાંનું વિદ્યુતવિભવ એકદમ ઘટી જઈ પરિપથમાંનો વિદ્યુતપ્રવાહ બંધ થઈ જાય છે. આમ નળીમાં દાખલ થતા, આયનીકરણ ઉપજાવી શકે તેવા પ્રત્યેક કણ માટે, ક્ષણિક વિદ્યુતપ્રવાહ (pulse) ઉદભવે છે, જેનું વિવર્ધન કરી યાંત્રિક ગણક(counter)માંથી પસાર કરતાં, નળીમાં દાખલ થતા અને આયનીકરણ પામતા કણની ગણતરી થઈ શકે છે, તેથી તેને કાઉન્ટર કહે છે.

સિન્ટિલેશન કાઉન્ટર : α-કણોની ગણતરી માટે રૂધરફૉર્ડે સૌપ્રથમ સિન્ટિલેશન કાઉન્ટરની રચના કરી. ઝિંક સલ્ફાઇડના લેપવાળા પડદા પર α-કણો આપાત થતાં, પ્રકાશના ઝબકારા (scintillation) ઉદભવે છે. લો-પાવર માઇક્રોસ્કોપ વડે તેનું નિરીક્ષણ તથા ગણતરી કરી શકાય છે. આધુનિક રીતમાં ફૉસ્ફોર (પ્રસ્ફુરણ દર્શાવતા પદાર્થ) સાથે ‘ફોટો મલ્ટિપ્લાયર ટ્યૂબ’ જોડવામાં આવે છે. ફૉસ્ફોર પર વિદ્યુતભારિત કણો અથવા શક્તિશાળી ફોટૉન (X-કિરણો, γ-કિરણો) આપાત કરવાથી, ઉદભવતા ઝબકારાને લીધે મળતો પ્રકાશ ફોટો કૅથોડ પર પડે છે, જેથી ફોટો ઇલેક્ટ્રૉન ઉત્પન્ન થાય છે. મલ્ટિપ્લાયર ટ્યૂબ વડે ફોટો ઇલેક્ટ્રૉનનું ગુણન (multiplication) કરી, યોગ્ય વીજ-પરિપથને આપતાં, તેનું ચોક્કસ કંપવિસ્તાર કે ઊંચાઈ ધરાવતા સ્પંદમાં રૂપાંતર થાય છે. કૅથોડ રે ઑસિલોસ્કોપ (cathode ray oscilloscope – CRO) વડે તેનું નિરીક્ષણ કરી શકાય છે. ગણતરી કરતા વીજ-પરિપથ તથા સ્કેલરને આ સ્પંદ આપવાથી, ઝબકારાની સંખ્યાની ગણતરી થઈ શકે છે. સ્પંદની ઊંચાઈ, આપાતકણની ઊર્જાના સમપ્રમાણમાં હોય છે.

ઝિંક સલ્ફાઇડ ઉપરાંત બીજા ઘણા અકાર્બનિક અને કાર્બનિક પદાર્થો ઘન અને પ્રવાહી સ્વરૂપમાં ‘ફૉસ્ફોર’ તરીકે યોગ્ય જણાયા છે. વળી, શુદ્ધ સ્ફટિકને બદલે ચોક્કસ પ્રમાણમાં અશુદ્ધિ ધરાવતા સ્ફટિકો ‘ફૉસ્ફોર’ તરીકે વધુ કાર્યક્ષમ પુરવાર થયા છે. આ અશુદ્ધિરૂપ પરમાણુઓને ક્રિયાશીલ પરમાણુઓ (activators) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. બેરિયમ પ્લેટિનોસાઇનાઇડ, કૅલ્શિયમ ટંગસ્ટેટ, થેલિયમયુક્ત આલ્કલી હેલાઇડ, પેરાટેરેપ્થેલાઇનયુક્ત પૉલિસ્ટિરીન વગેરે ‘ફૉસ્ફોર’ તરીકે જાણીતા પદાર્થો છે.

સપ્રમાણ કાઉન્ટરની માફક સિન્ટિલેશન કાઉન્ટર, આપાતકણની ઊર્જા માપવા તથા સંખ્યાની ગણતરી કરવા ઉપરાંત અસ્થાયી રેડિયોઍક્ટિવ કણનો જીવનકાળ માપવા માટે પણ ઉપયોગી છે; દા.ત., અસ્થાયી એવા K અથવા π-મેસૉનના આગમન તથા વિઘટનના સમય નોંધી તેમનો સરેરાશ જીવનકાળ જાણી શકાય છે. સિન્ટિલેશન કાઉન્ટર 10^–9 સેકંડના ક્રમનું સમયવિભેદન ધરાવે છે.

અવકાશમાં કૉસ્મિક કિરણોના અભ્યાસ માટે, ફૉસ્ફોર તરીકે કાર્બનિક પ્રવાહી તથા પ્લાસ્ટિકનો ઉપયોગ કરી કોઈ પણ કદ અને આકારનું સિન્ટિલેશન કાઉન્ટર બનાવી શકાય છે.

ચેરેન્કૉવ કાઉન્ટર : 1934માં ચેરેન્કૉવે ર્દશ્યમાન વિકિરણ મેળવવાની નવી રીત શોધી. જ્યારે કોઈ વિદ્યુતભારિત કણ પ્રચંડ વેગથી કોઈ ઘટ્ટ માધ્યમમાંથી પસાર થાય અને જો તેનો વેગ તે માધ્યમમાં પ્રકાશના વેગ કરતાં વધુ હોય તો ર્દશ્યમાન પ્રકાશનું ઉત્સર્જન થાય છે, જેને ‘ચેરેન્કૉવ વિકિરણ’ કહે છે. ચેરેન્કૉવ વિકિરણ ‘શૉક’તરંગો (shock waves) સાથે સામ્ય ધરાવે છે. [જ્યારે કોઈ વિમાન ધ્વનિના વેગ કરતાં વધુ (supersonic) ઝડપથી ગતિ કરતું હોય ત્યારે શૉકતરંગો ઉદભવે છે.] ચેરેન્કૉવ વિકિરણ વિદ્યુતભારિત કણની દિશા સાથે ચોક્કસ મૂલ્યના θ કોણે પ્રસારિત થાય છે, જ્યાં COS θ =  જ્યાં c = પ્રકાશનો વેગ, v = વીજભારિત કણનો વેગ, n = માધ્યમનો વક્રીભવનાંક છે.

માધ્યમમાં ગતિ કરતા વીજભારિત કણની ઊર્જાનો મોટો ભાગ પરમાણુઓના આયનીકરણ માટે તથા તેમને ઉત્તેજિત કરવામાં વપરાય છે. ચેરેન્કૉવ કિરણો વીજભારિત કણના પથ પરનાં જુદાં જુદાં બિંદુઓએ ઉદભવે છે. આ તરંગો એકબીજાને સહાયક સ્થિતિમાં હોય ત્યારે ચેરેન્કૉવ કિરણોનું નિરીક્ષણ કરી શકાય છે. વિદ્યુતભારિત કણની નોંધ અને માહિતી માટે ચેરેન્કૉવ વિકિરણને ફોટો-મલ્ટિપ્લાયર નળી પર કેન્દ્રિત કરી મળતો સંકેત, સ્કેલર રેકર્ડરને આપવામાં આવે છે.

સિન્ટિલેશન કાઉન્ટરની સરખામણીમાં ચેરેન્કૉવ કાઉન્ટર આ બાબતોમાં ચડિયાતું છે : (1) પ્રકાશસંકેત અતિ અલ્પ સમયગાળા માટે મળે છે, તેથી ઉચ્ચ સમયવિભેદન માટે વધુ સક્ષમ છે. (2) પ્રકાશનું દિશીય ઉત્સર્જન (directional emission) ફક્ત કણના વેગ પર આધાર રાખે છે. (3) કણનો વેગ  કરતાં ઓછો હોય તો પ્રકાશનું ઉત્સર્જન થતું નથી, તેથી ઉચ્ચ ઊર્જા ધરાવતા કણોના અભ્યાસ માટે ખૂબ ઉપયોગી છે.

ન્યૂટ્રૉન અને ગૅમા–કિરણ જ્ઞાપકો : ન્યૂટ્રૉન અને ગૅમા-ફોટૉન જેવાં વિદ્યુતભારરહિત કણોના માપન માટે, દ્રવ્ય સાથે તેમની એવા પ્રકારની આંતરક્રિયા વિચારવી જોઈએ કે જેથી વિદ્યુતભારિત કણો ઉત્પન્ન થાય, જેને પ્રતિસાદ આપતા જ્ઞાપકો વડે તેમના ગુણધર્મોનું મૂલ્યાંકન થઈ શકે.

ગૅમા-કિરણો તેમની દ્રવ્ય સાથેની આંતરક્રિયાને કારણે ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઘટના, કૉમ્પટન ઘટના તથા ઇલેક્ટ્રૉન-પૉઝિટ્રૉનની જોડની ઉત્પત્તિ દ્વારા વિદ્યુતભારિત કણો ઉત્પન્ન કરે છે. ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઘટના પ્રકાશ-ઉત્સર્જનની ઘટના કરતાં વિરુદ્ધ પ્રકારની છે. આ ઘટનામાં આપાત ગૅમા-કિરણોના ફોટૉનનું દ્રવ્યના પરમાણુ વડે શોષણ થાય છે અને તેથી ઉત્સર્જિત થતા ઇલેક્ટ્રૉનની ઊર્જા, આપાત ગૅમા- કિરણના ફોટૉનની ઊર્જા અને ઇલેક્ટ્રૉનની પરમાણુ સાથેની બંધન ઊર્જાના તફાવત જેટલી હોય છે. 1 MeV કરતાં ઓછી ઊર્જા ધરાવતાં ગૅમા-કિરણો માટે આ ઘટના મહત્વની છે. ગૅમાફોટૉન તથા પરમાણુના ઇલેક્ટ્રૉનના સંઘાતના કારણે કૉમ્પટન અસર મળે છે. કાર્બન જેવા ઓછો પરમાણુભાર ધરાવતા પરમાણુ તથા 1 MeV જેટલી ઊર્જા ધરાવતાં ગૅમા-કિરણો માટે કૉમ્પટન ઘટનાની સંભાવના વધુ છે. સીસા (Pb) જેવા ભારે પરમાણુભાર ધરાવતા પદાર્થ સામે 1 MeV કરતાં વધુ ઊર્જા ધરાવતાં ગૅમા-કિરણોની આંતરક્રિયાને લીધે ઇલેક્ટ્રૉન-પૉઝિટ્રૉનની જોડ ઉદભવે છે.

ગૅમા-કિરણો માટેના જ્ઞાપકમાં ગૅમા-કિરણોનું શોષણ કરી શકે તેવા ઉચ્ચ પરમાણુભાર ધરાવતા તથા ઉત્સર્જિત થતા ઇલેક્ટ્રૉન માટે સંવેદી હોય તેવા દ્રવ્યનો ઉપયોગ કરવો જોઈએ. ગૅમા-કિરણોની ઓળખ તથા તેની તીવ્રતાના માપન માટે સિન્ટિલેશન જ્ઞાપકો ખૂબ ઉપયોગી જણાયા છે. સોડિયમ આયોડાઇડના સ્ફટિક, પ્રસ્ફુરણ ઉત્પન્ન કરતા પદાર્થ તરીકે વાપરી શકાય. ગૅમા-કિરણો માટેના જ્ઞાપકોમાં દ્રવ્યની પસંદગી, ચકાસણી માટેનાં ગૅમા-કિરણોની ઊર્જા પર આધારિત હોય છે. ઘણી ઊંચી ઊર્જા ધરાવતાં ગૅમા-કિરણો માટે ચેરેન્કૉવ કાઉન્ટર પણ વાપરી શકાય.

વિદ્યુતભારરહિત ન્યૂટ્રૉન, દ્રવ્યના ન્યૂક્લિયસ સાથે સીધી આંતરક્રિયા કરે છે. પ્રોટૉન સાથેના સ્થિતિસ્થાપક સંઘાતમાં ન્યૂટ્રૉન તેની બધી જ ઊર્જા પ્રોટૉનને આપે છે. પ્રોટૉન વિદ્યુતભારિત હોવાથી પ્રણાલિકાગત જ્ઞાપકો વડે તેનું માપન કરી શકાય છે. આમ સ્થિતિસ્થાપક પ્રકીર્ણન દ્વારા 0.1 MeV કરતાં વધુ ઊર્જા ધરાવતા ન્યૂટ્રૉનની જાણકારી મેળવી શકાય. ન્યૂટ્રૉનની પરખ માટે ફૉસ્ફોર તરીકે પ્લાસ્ટિક તથા ઉચ્ચ હાઇડ્રોજન ઘનતા ધરાવતા પ્રવાહીનો ઉપયોગ કરી શકાય. 1 eV જેટલી ઊર્જા ધરાવતા ન્યૂટ્રૉન બોરોન સાથે પ્રક્રિયા કરી વિદ્યુતભારિત કણોનું ઉત્સર્જન કરે છે, તેથી બોરોન ટ્રાયફ્લોરાઇડ વાયુ ભરેલા ગાઇગર-કાઉન્ટર વડે ઉષ્મીય ન્યૂટ્રૉન(thermal neutron)ની માહિતી મેળવી શકાય છે. ઉષ્મીય ન્યૂટ્રૉન, U²³⁵ સાથે ન્યૂક્લિયર વિખંડન (fission) પ્રક્રિયા કરી પ્રચંડ ઊર્જા મુક્ત કરે છે. આયનીકરણ ચેમ્બરમાં વીજાગ્ર પર U²³⁵નું આવરણ કરી ન્યૂક્લિયર વિચ્છેદન દ્વારા ન્યૂટ્રૉનના અસ્તિત્વની પરખ થઈ શકે છે. સિન્ટિલેશન કાઉન્ટરમાં ગૅમા-કિરણો તથા ન્યૂટ્રૉન માટેની સંભાવના સમાન હોય છે, પરંતુ તેમના પ્રદાનસંકેતના આકાર જુદા હોય છે. ન્યૂટ્રૉન પ્રમાણમાં વધુ પહોળા સંકેતો ઉત્પન્ન કરે છે. ‘પલ્સ ડિસ્ક્રિમિનેટર’ વડે ન્યૂટ્રૉન અને ગૅમા-કિરણો વચ્ચેનો ભેદ તારવી શકાય છે.

વિલ્સન ક્લાઉડ ચેમ્બર : સંતૃપ્ત બાષ્પ ભરેલા પાત્રમાં દબાણના સમોષ્મી પ્રકારના ત્વરિત ફેરફારો કરતાં બાષ્પનું તાપમાન ઘટે છે અને બાષ્પ અતિસંતૃપ્ત બને છે. આ સંજોગોમાં જો તેમાંથી વિદ્યુતભારિત કણ પસાર કરવામાં આવે તો 1 મિલીસેકંડ જેટલા અલ્પ સમયમાં તે કણ પર બાષ્પ ઠારણ પામી બુંદ રચે છે. અસંખ્ય વીજભારિત કણો પર આવાં બુંદો રચાતાં, તેમનું વાદળ રચાય છે. આ બુંદોને પ્રકાશિત કરી તેમના ફોટોગ્રાફ લઈ શકાય છે. બુંદોના ગતિપથની લંબાઈ, જાડાઈ, ચુંબકીય ક્ષેત્રની અસર નીચે તેમનું આવર્તન વગેરેના અભ્યાસ પરથી કણનો પ્રકાર, વિદ્યુતભાર, દળ, ગતિ ઊર્જા વગેરેનો અભ્યાસ થઈ શકે છે. ક્લાઉડ ચેમ્બરના ઉપયોગ વડે પૉઝિટ્રૉન, મ્યુયોન, K-મેસૉન, હાઇપરોન વગેરે કણોની શોધ તથા તેમના ગુણધર્મોનો અભ્યાસ શક્ય બન્યો છે. વિલ્સન ક્લાઉડ ચેમ્બરની કેટલીક ક્ષતિઓ અને મર્યાદાઓના નિવારણ માટે 1936માં લેંગ્સડોર્ફ નામના વૈજ્ઞાનિકે ‘ડિફ્યૂઝન ક્લાઉડ ચેમ્બર’ની રચના કરી હતી.

બબલ ચેમ્બર : વિલ્સને સંતૃપ્ત બાષ્પની અસ્થિરતાના ગુણધર્મ પરથી ક્લાઉડ ચેમ્બરની રચના કરી, જ્યારે ગ્લેઝટરે અતિતપ્ત પ્રવાહીની અસ્થિરતાનો ઉપયોગ કરી બબલ ચેમ્બરની રચના કરી. ઊંચા દબાણે પ્રવાહીને તેના ઉત્કલનબિંદુ કરતાં ઊંચા તાપમાને ગરમ કરી તેનું દબાણ એકાએક ઘટાડવામાં આવે તો થોડી ક્ષણો માટે તે સ્થિર અવસ્થા જાળવી રાખે છે, જે દરમિયાન વીજભારિત કણો તેમાંથી પસાર કરતાં તેમની આસપાસ બુંદ (bubble) રચાય છે. તંત્રને પ્રકાશિત કરી કૅમેરા વડે વીજભારિત કણોના પથ અંકિત કરી શકાય છે. ક્લાઉડ ચેમ્બરની સરખામણીમાં બબલ ચેમ્બરમાં મોટો ફાયદો એ છે કે કોઈ પણ પ્રકારની પાર્શ્વ અસર સિવાય મોટી સંખ્યામાં વિદ્યુતભારિત કણોનો અભ્યાસ કરી શકાય છે. મોટાભાગના પ્રયોગોમાં, પ્રવાહી તરીકે પ્રોપેનનો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે. ખાસ પ્રકારના પ્રયોગોમાં પ્રવાહી હાઇડ્રોજન, હિલિયમ કે ઝેનોનનો ઉપયોગ કરી શકાય.

ન્યૂક્લિયર ઇમલ્ઝન જ્ઞાપક : રેડિયો-ઍક્ટિવિટીના અભ્યાસ માટે બૅકેરલે સૌપ્રથમ ફોટોગ્રાફિક ઇમલ્ઝન ટેકનિકનો ઉપયોગ કર્યો. વિદ્યુતભારિત કણ ફોટોગ્રાફિક પ્લેટના ઇમલ્ઝનમાંથી પસાર થાય ત્યારે તે સિલ્વર ક્લોરાઇડના નાજુક સ્ફટિકો સાથે આંતરક્રિયા કરીને તેમના પથનું અર્દશ્ય પ્રતિબિંબ અંકિત કરે છે. પ્લેટને ડેવલપ કરીને હાઇપાવર માઇક્રોસ્કોપ વડે, વીજભારિત કણોના પથ ર્દશ્યમાન બને છે.

ન્યૂક્લિયર ઇમલ્ઝન જ્ઞાપકો વડે વિદ્યુતભારિત કણનો સંપૂર્ણ પથ મેળવી શકાતો હોવાથી સમગ્ર ન્યૂક્લિયર પ્રક્રિયાનો અભ્યાસ થઈ શકે છે. આ પ્રકારના જ્ઞાપકોને લીધે π-મેસૉન, K-મેસૉન, પ્રતિલૅમડા હાઇપરોન તથા કૉસ્મિક કિરણોમાંના અનેક પ્રાથમિક કણોની શોધ શક્ય બની.

સ્પાર્ક ચેમ્બર : 1959માં જાપાની વૈજ્ઞાનિકો કુકુઈ તથા મિયામોટોએ શોધેલી સ્પાર્ક ચેમ્બરને આયનીકરણ પથના નિરીક્ષણ માટે મહત્વની આધુનિક કૃતિ ગણી શકાય. આ પદ્ધતિમાં વિદ્યુત-તણખાનું નિરીક્ષણ કરી શકાય છે. વિદ્યુત-તણખા મેળવવાની રીત ખૂબ જટિલ છે, પરંતુ ખાસ શરતો હેઠળ શૃંખલા-પ્રક્રિયા દ્વારા વિદ્યુત-તણખા મેળવી શકાય છે. આ પદ્ધતિ વડે વિદ્યુતભારિત કણની દિશાનો પણ સ્પષ્ટ નિર્દેશ મળતો હોવાથી ઉચ્ચ ઊર્જા-ભૌતિકશાસ્ત્રના અભ્યાસમાં તેનું સ્થાન મહત્વનું છે.

શશીધર ગોપેશ્વર ત્રિવેદી

સચ્ચિદાનંદ પ્રકાશ ભટનાગર