રેડિયો-સંસૂચકો (radio detectors)

રેડિયો-સંસૂચકો (radio detectors) : રેડિયોધર્મી પદાર્થમાંથી ઉત્સર્જિત થતાં જુદાં જુદાં વિકિરણોની ઉપસ્થિતિ નોંધવા તથા તેની શક્તિ માપવા માટે વપરાતાં સાધનો.

1896માં બૅક્વેરેલે (Bacquerel) શોધ્યું કે યુરેનિયમનો સ્ફટિક એવા પ્રકારનાં વિકિરણો ઉત્સર્જિત કરે છે, જે ઉચ્ચ વિભેદન-શક્તિ (penetration power) ધરાવે છે. તે ફોટોગ્રાફિક તકતીની ઉપર અસર ઉપજાવી શકે છે અને વાયુમાં વીજવહન પ્રેરિત કરી શકે છે. રેડિયો-સંસૂચક વડે વિકિરણોને પારખવાનું તથા તેનું માપન કરવું શક્ય બનેલ છે. સંસૂચક તેના ઉપર આપાત કણોની સંખ્યા એકમ સમયમાં નોંધે છે તથા તેની શક્તિ (ઊર્જા) પણ નોંધે છે.

જ્યારે કોઈ વીજભારિત કણ પદાર્થમાંથી પસાર થાય ત્યારે પદાર્થના અણુઓમાં ઉત્તેજના (excitation) અને આયનીકરણ (ionization) ઉત્પન્ન કરે છે. આ આયનીકરણની પ્રક્રિયા મોટાભાગનાં ઉપકરણોમાં રેડિયોધર્મી કણો(radioactive particles)ને પારખવામાં અને તેની ઊર્જા માપવામાં થાય છે. ગૅમા-વિકિરણ તથા એક્સ-રે જેવાં વીજભાર વગરનાં વિકિરણો વીજભારિત કણોને પોતાની ઊર્જા આપે છે જે આયનીકરણ ઉત્પન્ન કરે છે. જુદાં જુદાં સંસૂચક ઉપકરણોમાં અલગ અલગ પ્રકારે આયનીકરણ મેળવવામાં આવે છે અને જુદા જુદા પ્રકારે માપવામાં આવે છે. ઘણાં ઉપકરણો વાયુના આયનીકરણ ઉપર આધારિત છે. વિકિરણના કારણે ઉત્પન્ન થયેલા ધન અને ઋણ આયનોને પરસ્પર એકબીજાથી અલગ રાખવામાં આવે છે અને તેની માહિતીનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવે છે. જો બંને પ્રકારના આયનો પરસ્પર નજીક આવે તો આકર્ષાઈને તટસ્થ (neutral) થઈ જાય છે. બંને પ્રકારના આયનોને તટસ્થ થતા રોકવા માટે યોગ્ય સ્થિત વીજક્ષેત્ર (electrostatic field) આપવામાં આવે છે. આ આયનીકરણ પ્રવાહી, વાયુ અને સ્ફટિકમાં પણ શક્ય છે. જ્યારે રેડિયોધર્મી પદાર્થનાં વિકિરણો વિશિષ્ટ ગુણધર્મ ધરાવતા ફૉસ્ફૉર (phosphor) પ્રકારના ઘન પદાર્થો કે પ્રવાહી ઉપર આપાત થાય છે ત્યારે વિકિરણની અમુક ઊર્જા અણુઓને ઉત્તેજિત કરવામાં અને આયનીકરણ કરવામાં વપરાય છે, જે પારજાંબલી કે દૃશ્ય પ્રકાશના રૂપમાં પુન: ઉત્સર્જિત થાય છે. આ પદાર્થો સ્ફસ્ફુરણ(luminescence)ના ગુણધર્મ ધરાવતા હોય છે. કેટલાક કિસ્સામાં ઉત્પન્ન થતો પ્રકાશ જોઈ શકાય છે અથવા યોગ્ય ઉપકરણ વડે પારખી શકાય છે.

સિન્ટિલેશન પદ્ધતિ (scintillation method) : આશરે 1900માં જાણવા મળ્યું કે આલ્ફા-કણો ઝિંક સલ્ફાઇડ અને બેરિયમ પ્લૅટિનો સાઇનાઇડમાં સ્ફસ્ફુરણ (luminescence) ઉત્પન્ન કરે છે. દૃક્-કાચ (lense) હેઠળ જોવામાં આવે તો આલ્ફા-કણ દ્વારા ઉત્પન્ન થતું સ્ફસ્ફુરણ એકસમાન જોવા મળતું નથી, દરેક આલ્ફા-કણ એક પ્રકાશનો ચમકારો (scintillation) પદાર્થમાં ઉત્પન્ન કરે છે. આથી સંસૂચક ઉપર આપાત થતા આલ્ફા-કણોની સંખ્યા ઉત્પન્ન થતા પ્રકાશના ચમકારા વડે જાણી શકાય છે. શરૂઆતના સમયમાં યોગ્ય સૂક્ષ્મદર્શક વડે પ્રકાશના ચમકારા જોવામાં આવતા, પરંતુ તેની મર્યાદાઓ હતી. આધુનિક સંસૂચકમાં પ્રકાશના ચમકારાઓ નોંધવા માટે પ્રકાશગુણક (photomultiplier) નલિકાઓ (tubes) વાપરવામાં આવે છે તથા નવા પ્રકારના ફૉસ્ફર વાપરવામાં આવે છે જે આલ્ફા, બીટા તેમજ ગૅમા-વિકિરણો માટે કાર્ય કરી શકે. આલ્કલી હેલાઇડના સ્ફટિકોમાં યોગ્ય તત્વની અશુદ્ધિ સ્ફસ્ફુરણના ઉત્તેજક (activator) તરીકે ઉમેરવામાં આવે છે; જેમ કે, પોટૅશિયમ આયોડાઇડના સ્ફટિકમાં થૅલિયમની અશુદ્ધિ. કાર્બનિક સ્ફટિકો (organic crystals), નૅફ્થેલીન (naphthalene), ઍન્થ્રેસીન (anthracene) અને સ્ટિલબીન (stilbene) તેમજ ટરફીનાઇલ(terphenyl)નું ઝાઇલીન(xylene)માં દ્રાવણ પણ ફૉસ્ફર તરીકે ઉપયોગી સાબિત થયેલ છે. આધુનિક સિન્ટિલેશન પદ્ધતિમાં ફોટોમલ્ટિપ્લાયર વડે પ્રકાશના ચમકારારૂપી મળતો સંકેત વીજપદ્ધતિથી વીજસંકેતના રૂપમાં વિવર્ધિત (amplify) કરીને તેનું વિશ્લેષણ કરવામાં આવે છે. આધુનિક સિન્ટિલેશન ગણક (counter) એક સેકંડમાં લાખો ચમકારાઓ પારખીને નોંધી શકે છે.

ફોટોમલ્ટિપ્લાયર નલિકા આકૃતિ(1)માં દર્શાવેલ છે. ફૉસ્ફર દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ પ્રકાશનો ચમકારો ઍન્ટિમની (antimony) તથા સીઝિયમ(cesium)ના બનેલા કૅથોડ ઉપર આપાત થાય છે, જે ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઘટનાને કારણે ઇલેક્ટ્રૉન ઉત્સર્જિત કરે છે. આ નલિકામાં ઘણા વીજાગ્રો (electrodes) આવેલ હોય છે, જે કૅથોડને સાપેક્ષ ક્રમશ: વધારે ને વધારે ધન વીજસ્થિતિમાન ધરાવતા હોય છે. આ સંરચના ડાયનોડ (dynode) તરીકે ઓળખાય છે. કૅથોડ ઉપરથી ફોટોઇલેક્ટ્રિક ઘટનાને કારણે છૂટો પડેલ ઇલેક્ટ્રૉન ડાયનોડના પ્રથમ વીજાગ્ર તરફ આકર્ષાય છે, ત્યાં તે અથડાતાં વીજાગ્રમાંથી અનેક ઇલેક્ટ્રૉનો અથડામણના કારણે છૂટા પડે છે; આ ઇલેક્ટ્રૉનો ફરી બીજા ડાયનોડના વીજાગ્રને અથડાઈને વધારે ઇલેક્ટ્રૉનો છૂટા પાડે છે. આમ આ પ્રક્રિયા ક્રમશ: આગળ ચાલે છે અને અંતે ઍનોડ પાસે અનેક-ગણા ઇલેક્ટ્રૉનો પહોંચી જાય છે. ઍનોડ પાસે મળતો વીજસંકેત કે પ્રવાહ કૅથોડ દ્વારા ઉત્પન્ન થયેલ સંકેત કરતાં લાખો ગણો મોટો હોય છે. ફોટોમલ્ટિપ્લાયરમાં એક પ્રકારનું સંકેતનું વિવર્ધન જોવા મળે છે. આ સંકેતને વીજાણુ-પ્રણાલી(electronic system)માં મોકલવામાં આવે છે. ત્યાં આવા સંકેતોની સંખ્યાની નોંધ-ગણતરી (counting) કરવામાં આવે છે. રેડિયોધર્મી કણની શક્તિ માપી શકે તે પ્રણાલી સિન્ટિલેશન સ્પેક્ટ્રૉમિટર તરીકે ઓળખાય છે. આકૃતિ(2)માં સિન્ટિલેશન સંસૂચક દર્શાવેલ છે.

આયનીકરણ પદ્ધતિ : આયનીકરણ ઉપર કાર્ય કરતાં ઘણાં ઉપકરણો છે, જેમાં ઇલેક્ટ્રોસ્કોપ, આયોનાઇઝેશન ચેમ્બર, પ્રપૉર્શનલ કાઉન્ટર, ગાઇગર-મૂલર કાઉન્ટર વગેરે પ્રમુખ છે.

ઇલેક્ટ્રોસ્કોપ એક ખાસ પ્રકારનું સંગ્રાહક (condenser) છે, જેમાં એક ઘટક સાધનના આવરણની બહાર અને બીજો ઘટક સાધનના આવરણની અંદર હોય છે, જે બે પાતળા સોનાના વરખોની પટ્ટીઓ પરસ્પર એક બિંદુએ જોડાયેલી ધરાવે છે [આકૃતિ 3]. જ્યારે તેમને બાહ્ય રીતે બૅટરી સાથે જોડવામાં આવે છે ત્યારે બંને સોનાના વરખો ઉપર એક સમાન વીજભાર એકત્રિત થવાથી પરસ્પર અપાકર્ષણ પામીને એકબીજાથી દૂર તરફ જાય છે. જ્યારે બૅટરીને દૂર કરીને અંદર રહેલા વાયુ ઉપર રેડિયોધર્મી કણો આપાત કરીને આયનીકૃત કરવામાં આવે છે ત્યારે વિરુદ્ધ પ્રકારના વીજભારિત આયનો વરખો  તરફ ગતિ કરીને તેના અમુક વીજભારને તટસ્થ કરે છે. પરિણામે બંને વરખો ઉપર કુલ વીજભાર ઘટતાં એકબીજા તરફનું અપાકર્ષણ ઘટે છે અને તેઓ થોડા નજીક આવે છે. જે દરે બંને વરખો નજીક આવે છે તેટલા દરે પાત્રનો વાયુ વિકિરણના કારણે આયનીકૃત થાય છે. આલ્ફા, બીટા અને ગૅમા વિકિરણો આયનીકરણ ઉત્પન્ન કરે છે તેથી તે માપી શકાય છે. આલ્ફા-કણો સૌથી વધારે આયનીકરણ કરતા હોવાથી આ સાધન આલ્ફા-વિકિરણો માટે પ્રચલિત છે અને આલ્ફા-રે ઇલેક્ટ્રોસ્કોપ તરીકે જાણીતું છે. બીટા અને ગૅમા-વિકિરણો માપવા માટે તેમાં ફેરફાર કરવામાં આવે છે. બીટા-વિકિરણને પારખવા માટે 0.01 સેમી. જાડાઈના ઍલ્યુમિનિયમના પતરા વડે વરખને ઢાંકવામાં આવે છે, જેથી જોવા મળતો ફેરફાર બીટા-વિકિરણના કારણે જ હોય અને આલ્ફા-વિકિરણ પતરામાં શોષાઈ જાય. તેવી રીતે ગૅમા-વિકિરણને પારખવા માટે 2થી 3 મિમી. જાડું સીસાનું પતરું વાપરવામાં આવે છે, જે આલ્ફા તથા બીટા-વિકિરણોને શોષી લે છે, ફક્ત ગૅમા-કિરણોને કારણે આયનીકરણ મળે છે.

આયનીકરણ ચેમ્બર, પ્રપૉર્શનલ ગણક (કાઉન્ટર), ગાઇગર-મૂલર ગણક (Geiger–Mller counter) – એ ત્રણેય પ્રકારના સંસૂચકો વિકિરણ દ્વારા વાયુના આયનીકરણ અને ધન તથા ઋણ આયનોને સ્થિતવીજક્ષેત્ર વડે અલગ પાડીને વીજસંકેત પ્રાપ્ત કરવાના સિદ્ધાંત ઉપર કાર્ય કરે છે. તેમની સામાન્ય રચના આકૃતિ(4)માં દર્શાવેલ છે. એક નળાકાર વાહકપાત્રની મધ્યમાં એક વાહક સળિયો રાખેલ હોય છે. આ સળિયાને વાહક નળાકારથી વીજરીતે અલગ રાખવા વચ્ચે અવાહક પદાર્થનું આવરણ રાખવામાં આવે છે. પાત્રમાં 1 અથવા તેથી ઓછા વાતાવરણના દબાણે યોગ્ય વાયુ ભરવામાં આવે છે. સંગ્રાહક C અને અવરોધ R મારફત સળિયા અને નળાકાર પાત્ર વચ્ચે વીજસ્થિતિમાન આપવામાં આવે છે. વચ્ચે રહેલ સળિયો નળાકારની સાપેક્ષ ધન વીજસ્થિતિમાને હોય છે. રેડિયોધર્મી કણના કારણે પાત્રમાં રહેલ વાયુમાં આયનીકરણ ઉત્પન્ન થાય છે અને તેથી ધન આયનો અને ઇલેક્ટ્રૉનો ઉત્પન્ન થાય છે. ધન આયનો ઋણ એવા નળાકાર તરફ જાય છે અને ઇલેક્ટ્રૉનો ધન વીજાગ્ર એવા સળિયા તરફ ગતિ કરે છે. વીજસ્થિતિમાન બદલાવતાં ઉત્પન્ન થતા ધન આયન અને ઇલેક્ટ્રૉનોની જોડીઓની સંખ્યા બદલાય છે, તેનો આલેખ આકૃતિ 5માં દર્શાવેલ છે. વીજસ્થિતિમાન V₁ અને V₂ વચ્ચેનો વિસ્તાર આયનીકરણ (ionization) ચેમ્બર માટેનો છે. અહીં વીજાગ્રો ઉપર પહોંચતી આયનોની જોડીઓની સંખ્યા આપેલ વીજસ્થિતિમાન ઉપર આધારિત નથી. સ્થિતિમાન V₂ અને V₃ વચ્ચે વીજાગ્રો ઉપર પહોંચતી આયનોની સંખ્યા શરૂઆતના આયનીકરણના સપ્રમાણમાં હોય છે. સ્થિતિમાન V3થી વધારે માટે વાયુમાં વીજભાર ધસી પડવા(avalanche)ની ઘટનાને કારણે

વીજભારોની સંખ્યા ઝડપથી વધે છે. V₃ અને V₄ વચ્ચેનો વિસ્તાર મર્યાદિત ચલ(limited proportionality)નો વિસ્તાર છે. એક ધન આયનોનો વિસ્તાર બીજા ધન આયનોના વિસ્તારને વૃદ્ધિ પામતો રોકે છે એટલે વીજસ્થિતિમાન વધતાં વૃદ્ધિદર ઘટતો જાય છે અને બે વક્રો V₄ પાસે એકરૂપ થાય છે. V₄ પછીનો વિસ્તાર ગાઇગર-મૂલર ગણક વિસ્તાર કહેવાય છે. અહીં શરૂઆતની આયનીકરણની પ્રક્રિયા ઉપર આયનીકરણ આધાર રાખતું નથી. અહીં આયનીકરણની સંખ્યામાં વધારો ચેમ્બરની લાક્ષણિકતા અને વીજપરિપથ(electronic circuit)ની મર્યાદા ઉપર પણ આધારિત છે. V₅ વીજસ્થિતિમાનનો વિસ્તાર સતત આયનીકરણ અને વીજવિભવ(discharge)નો વિસ્તાર છે. આ વિસ્તારનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે કરવામાં આવતો નથી.

આયનીકરણ ચેમ્બર આકૃતિ(6)માં દર્શાવેલ છે. આ સાધનમાં રેડિયોધર્મી વિકિરણ પસાર થતાં ઉત્પન્ન થતા આયનીકરણ દ્વારા મળતા ઇલેક્ટ્રૉનોને વાયુ દ્વારા વિવર્ધન વગર પારખવામાં આવે છે. ઉત્પન્ન થતા વીજસંકેતનો આધાર ઇલેક્ટ્રૉનોની સંખ્યા ઉપર છે. આ માટે જરૂરી વીજસ્થિતિમાન 10 Vથી 200 V વચ્ચે છે. સાધનમાં બાહ્ય નળાકાર 1 સેમી. ત્રિજ્યાનો હોય છે અને વચ્ચેનો વીજાગ્રનો સળિયો 0.01 સેમી. ત્રિજ્યાનો હોય છે. નળાકારમાં આલ્કોહૉલ 6 સેમી. પારાના દબાણે ભરેલ હોય છે.

પ્રપૉર્શનલ ગણકમાં વાયુ દ્વારા વિવર્ધન થાય છે, જે શરૂઆતના ઇલેક્ટ્રૉનોની સંખ્યા ઉપર આધારિત નથી. અહીં વીજસંકેતનો આધાર શરૂઆતના આયનીકરણ ઉપર છે. આ સાધન કણની સંખ્યા અને તેની શક્તિ જાણવામાં ઉપયોગી છે. બીટા-કણના સંસૂચનમાં પણ ઉપયોગી છે.

ગાઇગર-મૂલર ગણક V₄થી V₅ વીજસ્થિતિમાન વિસ્તારમાં કાર્ય કરે છે. અહીં વીજસંકેતનો આધાર શરૂઆતના આયનીકરણ ઉપર નથી. તે મુખ્યત્વે બીટા-કણ અને ગૅમા-વિકિરણ માટે વપરાય છે. આ સાધનમાં ટંગસ્ટનનો પાતળો તાર નળાકારની અક્ષ ઉપર રાખેલ હોય છે. નળાકારમાં 90 % આર્ગન, 10 % ઇથાઇલ આલ્કોહૉલનું મિશ્રણ 2થી 10 સેમી. પારાના દબાણે ભરેલ હોય છે. કાચના આવરણમાં તાંબાનો નળાકાર રાખેલ હોય છે, જે બાહ્ય વીજાગ્ર તરીકે કાર્ય કરે છે. બંને વીજાગ્રો વચ્ચે 800થી 2,000 Vનો વીજદાબ આપવામાં આવે છે. આકૃતિ (7)માં આ ગણક દર્શાવેલ છે. આધુનિક ઉપકરણો આલ્ફા, બીટા અને ગૅમા-વિકિરણો પારખી શકે છે.

મિહિર જોશી