מדריך גלאי קרינה: סוגים ואפשרויות שימוש

מודעות לרמות הקרינה בסביבות עבודה מסוימות, היא גורם חשוב עבור כל מי שעובד עם או סביב קרינה. ניתן לעשות זאת בעיקר באמצעות שימוש בגלאי קרינה מסוגים שונים. הבנה בסיסית של סוגי הגלאים השונים וכיצד הם פועלים, יכולה לתרום רבות הן למציאת הגלאי הטוב ביותר למשימה הנדרשת, והן למקסום היתרונות של הפעלת הגלאי.

הערה כללית בנושא מונה גייגר

אנשים רבים שחושבים על גילוי קרינה, נוטים לקבץ את כל הסוגים יחד תחת המונח "מוני גייגר". זו תפישה מוטעית שנובעת בעיקר מתוכניות טלוויזיה ומסרטים פופולריים. בעוד שאחד מגלאי הקרינה הנפוצים ביותר נקרא למעשה "צינור גייגר מולר" (G-M), הביטוי הכללי "מונה גייגר" אינו תמיד המתאים ביותר. הוא חל על סוג ספציפי מאוד של גלאי קרינה, ובדרך כלל על יישום ספציפי של אותו גלאי.

התקנים לגילוי קרינה מסווגים בדרך כלל לפי סוג רכיב הגלאי בו משתמשים, או לפי היישום המעורב: תא יונים, מד סקר, מד זיהום או גשש פריסקר. התרבות הפופולרית חתרה תחת השימוש הראוי ב"מונה גייגר" עד כדי כך, שהשימוש בביטוי לא נותן מספיק מידע על המכשיר המדובר.

גלאי הקרינה הראשונים

מאז הימים הראשונים של בדיקות הקרינה, שבוצעו על ידי רנטגן ובקרל, מדענים חיפשו דרכים למדוד קרינה ולצפות בקרינה הנפלטת מהחומרים איתם עבדו. אחת השיטות המוקדמות ביותר ללכידת כל סוג של נתונים מתוך רדיואקטיביות, הייתה לוח צילום. לוח זה היה ממוקם בנתיב או בקרבת קרן או חומר רדיואקטיבי. כאשר לוח הצילום עבר פיתוח, היו עליו כתמים או ערפל מחשיפה לקרינה. אנרי בקרל השתמש בשיטה דומה לזו, כדי להדגים את קיומה של קרינה בשנת 1896.

גלאי מוקדם נפוץ נוסף היה האלקטרוסקופ: זוג עלי זהב נטענים על ידי יינון הנגרם על ידי קרינה, ובשל כך דוחים זה את זה מבחינה חשמלית ולכן מתרחקים פיזית אחד מהשני. כלי זה סיפק אמצעי למדידת קרינה עם רמת רגישות טובה יותר מלוחות צילום. בהתאם לסידור המכשיר, ניתן היה להגדיר אותו למדידת חלקיקי אלפא או בטא, והוא היה כלי יקר ערך לניסויים מוקדמים שכללו רדיואקטיביות.

מכשיר מוקדם ומעניין, שנולד מתוך רצון למדוד את החלקיקים או הקרניים הבודדות הנפלטים מחומר רדיואקטיבי (בניגוד למדידה גסה יותר של שדה רדיואקטיבי) היה ספינתריסקופ. מכשיר זה פותח על ידי ויליאם קרוקס, שגם המציא את שפופרת קרוקס ששימשה את וילהלם רנטגן לגילוי קרני רנטגן.

קרוקס השתמש במסך אבץ גופרתי בקצה השפופרת, עם עדשה בקצה השני, וכמות קטנה של חומר רדיואקטיבי ליד מסך האבץ גופרתי. האבץ היה מגיב עם חלקיקי האלפא הנפלטים, וכל אינטראקציה הייתה גורמת להבזק אור זעיר. זו הייתה אחת השיטות הראשונות למדידת קצב דעיכה רדיואקטיבי, אם כי מייגעת מאוד, שכן פירוש הדבר היה שמדענים נאלצו לעבוד במשמרות, לצפות ולספור את הבזקי האור.

הספינתריסקופ לא היה פרקטי במיוחד כפתרון ארוך טווח לגילוי קרינה, אם כי הייתה לו תחיה מאוחרת יותר במאה ה-20 ככלי חינוכי. נטייה זו של חומרים מסוימים לפלוט אור כאשר הם נחשפים לקרינה, תוכיח את עצמה כבעלת ערך גם בטכנולוגיות גילוי קרינה עתידיות.

מכשירים מוקדמים אלה, ורבים אחרים כמו תאי ערפל, היו בעלי ערך בהבנת עקרונות הבסיס של הקרינה, ובביצוע ניסויים חשובים שהכינו את הבמה לפיתוחים מאוחרים יותר. זה כלל פיתוח סוגים חדשים של גלאי קרינה, שרבים מהם עדיין בשימוש כיום, כגון שפופרות G-M, תאי יונים וסינטילטורים.

היכן ומתי תזדקקו לגלאי קרינה?

כדי לדעת באיזה סוג של גלאי צריך להשתמש, צריך ראשית לדעת איך והיכן הוא ישמש. יישומים והגדרות שונים דורשים סוגים שונים של גלאים, שכן לכל סוג יש דרכים שונות בהן ניתן להתמחות כדי להתאים לתפקיד. ניתן לסווג את היישומים של גלאי קרינה באופן כללי לכמה משימות ליבה שונות: מדידה, הגנה וחיפוש.

מדידת קרינה מיועדת למצבים בהם ידועה נוכחותם של חומרים רדיואקטיביים שאותם יש לנטר. המטרה בסוג זה של גילוי היא מודעות לעוצמתו של שדה רדיואקטיבי קיים, לגבולות האזור הרדיואקטיבי, או פשוט להתפשטות זיהום רדיואקטיבי. אלו הן סביבות בהן נוכחות קרינה צפויה, או לפחות נחשבת סבירה. הדרישות לגלאים בסביבות אלו הן ייחודיות, לעתים קרובות עם רמת מדידה גבוהה יחסית, או עם שינויים הנדרשים כדי לחפש ספציפית סוג אחד של קרינה.

הגנה מפני קרינה דומה ליישומים של מדידת קרינה, מכיוון שגם כאן מדובר בדרך כלל בסביבה שבה צפויה להימצא קרינה. עם זאת, המטרות שונות. בהגדרות של מדידת קרינה, המטרה היא לנטר את הרדיואקטיביות עצמה, להיות מודע לתנודות, גבולות וכו'. לעומת זאת, בנושא הגנה מפני קרינה, המטרה היא לנטר אנשים. דוזימטריית קרינה היא הדוגמה הנפוצה ביותר לכך, עם תגי קרינה על גופם של צוותים רפואיים, עובדי תעשיית הגרעין ועובדים רבים אחרים שנחשפים לקרינה בתחום תעסוקתם.

גישה זו מספקת הגנה מפני ההשפעות המזיקות ביותר של חשיפה לקרינה באמצעות מודעות. תג הקרינה מאפשר לכל אדם להתעדכן בכמות הקרינה אליה הוא נחשף, וכיצד היא תואמת להשפעות בריאותיות פוטנציאליות, ובהתאם לכך לשנות התנהגות, תנוחה או לוח זמנים.

חיפוש קרינה שונה משתי הקטגוריות הבסיסיות האחרות, מכיוון שהוא מבוסס הן על העובדה שקרינה אינה צפויה באזור, והן על הרצון לשמור על כך. מטרתו העיקרית של תחום חיפוש הקרינה היא אנשי אבטחת קרינה, כוחות תגובה ראשונים או קבוצות כמו מכס ובקרי גבולות. הגלאים צריכים להיות רגישים מאוד, כאשר הדאגה מתמקדת יותר במקורות או בחומרים רדיואקטיביים קטנים ומוסתרים.

גם ספקטרוסקופיה יכולה להועיל לעיתים קרובות, מכיוון שבדרך כלל מדובר בתת-קבוצה קטנה של איזוטופים רדיואקטיביים. היכולת לסנן את אלה הקיימים מסיבות לגיטימיות, כמו טיפול רפואי או פשוט הצטברות של חומר רדיואקטיבי טבעי, היא חשובה.

שלוש הקטגוריות הללו והמשימות המגוונות המתאימות להן, עוזרות לקבוע איזה סוג של מכשיר או גלאי מתאים ביותר למשימה.

סוגים של גלאי קרינה

כאשר מדברים על מכשירים לגילוי קרינה, יש שלושה סוגים נפוצים ביותר, בהתאם לצרכים הספציפיים של המכשיר: גלאי גז, גלאי נצנוץ (סינטילטור) וגלאי מצב מוצק. לכל אחד מהם חוזקות וחולשות שונות וכן תפקידים ספציפיים.

גלאי קרינה באמצעות גז

גלאי קרינה באמצעות גז הם בין הנפוצים ביותר. ישנם מספר סוגים של גלאים על בסיס גז, ולמרות שיש הבדלים שונים באופן פעולתם, כולם מבוססים על עקרונות דומים. כאשר הגז בגלאי בא במגע עם קרינה, הוא הופך להיות מיונן והמטען האלקטרוני שנוצר נמדד על ידי מד.

הסוגים השונים של גלאים על בסיס גז הם: תאי יינון, מונים פרופורציונליים ושפופרות גייגר-מילר (G-M). ההבדל העיקרי בין סוגים שונים אלה הוא המתח המופעל על פני הגלאי, הקובע את סוג התגובה שהגלאי ירשום בעקבות אירוע יינון.

תא יונים

בקצה התחתון של סולם המתח עבור גלאי גז נמצאים תאי יינון, או תאי יונים. הם פועלים במתח נמוך, כלומר הגלאי רושם רק מדידה מהיונים ה"ראשוניים" (בפועל זוג יונים שנוצר: יון טעון חיובי ואלקטרון חופשי), שנוצרים על ידי אינטראקציה עם פוטון רדיואקטיבי בתא התגובה.

לפיכך, המדידה שהגלאי רושם היא ביחס ישר למספר זוגות היונים שנוצרו. זה שימושי במיוחד כמדד למינון נספג לאורך זמן. הם גם בעלי ערך למדידת קרני גמא בעלות אנרגיה גבוהה, מכיוון שאין להם בעיות שיכולות להיות בסוגי גלאים אחרים.

עם זאת, תאי יונים אינם מסוגלים להבחין בין סוגים שונים של קרינה, כלומר לא ניתן להשתמש בהם לספקטרוסקופיה. הם יכולים גם להיות יקרים יותר מפתרונות אחרים. למרות זאת, הם גלאים בעלי ערך עבור מדידות סקר. הם נמצאים בשימוש נרחב גם במעבדות לקביעת סטנדרט ייחוס לכיולים.

גלאי קרינה פרופורציונלי

השלב הבא בסולם המתח עבור גלאי גז הוא המונה הפרופורציונלי (או המונה הפרופורציונלי לגז). הם מתוכננים בדרך כלל כך שבחלק ניכר מהשטח בתוך התא, הם פועלים באופן דומה לתא יונים, כך שאינטראקציות עם קרינה יוצרות זוגות יונים.

עם זאת, יש להם מתח חזק מספיק כדי שהיונים "יסחפו" לעבר אנודת הגלאי. ככל שהיונים מתקרבים לאנודת הגלאי, המתח עולה, עד שהם מגיעים לנקודה שבה מתרחש אפקט "הגברת גז".

הגברת גז פירושה שהיונים המקוריים שנוצרים על ידי התגובה עם פוטון של קרינה, גורמים לתגובות יינון נוספות, אשר מכפילות את עוצמת הפלט הנמדד. הפולס המתקבל הוא פרופורציונלי למספר זוגות היונים המקוריים שנוצרו, אשר תואם לאנרגיה של השדה הרדיואקטיבי שאליו הוא מתקשר.

דבר זה הופך את המונים הפרופורציונליים לשימושיים מאוד עבור יישומי ספקטרוסקופיה מסוימים, מכיוון שהם מגיבים בצורה שונה לאנרגיות שונות. לפיכך הם מסוגלים להבחין בהבדל בין סוגים שונים של קרינה שאיתם הם באים איתם. הם גם רגישים מאוד, ובשילוב עם יעילותם בגילוי והבחנה של אלפא ובטא, הם בעלי ערך רב כגלאי סינון זיהום.

גלאי גייגר מילר (GM)

הסוג העיקרי האחרון של גלאי גז הוא צינור גייגר-מילר, מקור השם "מונה גייגר". הם פועלים במתח גבוה יותר מסוגי גלאים אחרים, ונבדלים מהם בכך שכל תגובת יינון, בין אם מדובר באינטראקציה של חלקיק בודד או בשדה חזק יותר, גורמת לאפקט הגברת גז לאורך כל אנודת הגלאי. לפיכך הם יכולים לתפקד רק כמכשירי ספירה פשוטים, המשמשים למדידת קצבי ספירה או, עם האלגוריתמים הנכונים, קצבי מינון.

לאחר כל פולס, יש "לאפס" גלאי G-M למצבו המקורי. ניתן להשיג זאת בשלוש דרכים:

• באופן פיזי - כיבוי המכשיר.

• באופן אלקטרוני - הורדה זמנית של מתח האנודה בגלאי לאחר כל פולס. דבר זה מאפשר ליונים להתחבר חזרה למצבם האינרטי.

• באופן כימי - באמצעות גז כיבוי כגון הלוגן, אשר סופג את הפוטונים הנוספים שנוצרים בלי להפוך ליונים בעצמם.

בשל התגובה הנרחבת של שפופרות G-M עם כל פולס קרינה, הן עלולות לחוות משהו שנקרא "זמן מת" בקצבי חשיפה גבוהים יותר; כלומר יש השהיה בין מפל הפולסים לבין הרגע שבו הגז מסוגל לחזור למצבו המקורי ולהיות מוכן לזהות פולס נוסף. ניתן לטפל בכך באמצעות כיול, או באמצעות אלגוריתמים במכשירי הגילוי עצמם כדי "לחשב" מה יהיו הפולסים הנוספים בהתבסס על נתוני המדידה הקיימים.

גלאי נצנוץ (סינטילטור)

הסוג השני העיקרי של גלאי קרינה הם גלאי נצנוץ. סינטילציה היא פעולה של פליטת אור, המתרחשת בחומרים מסוימים כאשר הם נחשפים לקרינה. כל פוטון של קרינה שמקיים אינטראקציה עם חומר הנצנוץ, יגרום להבזק אור ברור. כלומר בנוסף להיותם רגישים מאוד, גלאי נצנוץ מסוגלים למדוד פרופילים ספקטרוסקופיים ספציפיים עבור החומרים הרדיואקטיביים הנמדדים.

גלאי נצנוץ פועלים באמצעות חיבור של חומר נצנוץ עם שפופרת פוטו-מכפיל (PM). שפופרת ה-PM משתמשת בחומר פוטוקתודי כדי להמיר כל פולס אור לאלקטרון, ולאחר מכן מגבירה את האות הזה באופן משמעותי על מנת לייצר פולס שניתן לקרוא ולפרש לאחר מכן. מספר הפולסים הללו שנמדדים לאורך זמן מצביע על עוצמת המקור הרדיואקטיבי הנמדד, בעוד שהמידע על האנרגיה הספציפית של הקרינה, כפי שמצוין על ידי מספר פוטוני האור הנלכדים בכל פולס, נותן מידע על סוג החומר הרדיואקטיבי הקיים.

בשל רגישותם הגבוהה ויכולתם הפוטנציאלית "לזהות" מקורות רדיואקטיביים, גלאי נצנוץ שימושיים במיוחד עבור יישומי אבטחת קרינה. אלה יכולים ללבוש צורות רבות, החל ממכשירים ניידים המשמשים לאיתור חומר רדיואקטיבי מוסתר או מוגן, ועד צגים לסינון אזורים גדולים או אוכלוסיות, המסוגלים להבחין בין מקורות קרינה טבעיים או רפואיים לבין מקורות מדאיגים יותר, כגון חומר גרעיני.

גלאי מצב מוצק

בשיטה זו בדרך כלל משתמשים בחומר מוליך למחצה כמו סיליקון, והגלאים פועלים בדומה לתא יונים, אך בקנה מידה קטן יותר ובמתח נמוך יותר. מוליכים למחצה הם חומרים בעלי התנגדות גבוהה לזרם חשמלי, אך לא התנגדות גבוהה כמו חומר מבודד. הם מורכבים מסריג של אטומים המכילים "נושאי מטען" - אלקטרונים הזמינים להיצמדות לאטום אחר ("חורים" של אלקטרונים, כלומר אטומים עם מקום ריק שבו אלקטרון היה/יכול להיות).

גלאי מצב מוצק מסיליקון מורכבים משתי שכבות של חומר מוליך למחצה מסיליקון, שכבה אחת "סוג n", כלומר מכילה מספר גדול יותר של אלקטרונים בהשוואה לחורים, ושכבה אחת "סוג p", כלומר מכילה מספר גדול יותר של חורים בהשוואה לאלקטרונים.

אלקטרונים מסוג n נודדים על פני הצומת בין שתי השכבות כדי למלא את החורים בסוג p, ויוצרים מה שנקרא אזור דלדול. אזור זה פועל כמו אזור הגילוי של תא יונים. קרינה מקיימת אינטראקציה עם האטומים בתוך אזור הדלדול, שעוברים יינון מחדש ויוצרים פולס חשמלי שניתן למדוד.

קנה המידה הקטן של הגלאי ושל אזור הדלדול עצמו, מאפשרים לאסוף את זוגות היונים במהירות, כלומר למכשירים המשתמשים בסוג זה של גלאי יכול להיות זמן תגובה מהיר במיוחד. שילוב זה עם גודלם הקטן, הופך גלאי מצב מוצק מסוג זה לשימושי מאוד עבור יישומי דוזימטריה אלקטרונית.

הם גם מסוגלים לעמוד בכמות קרינה גבוהה בהרבה לאורך חייהם בהשוואה לסוגי גלאים אחרים, כמו שפופרות G-M, כלומר הם שימושיים גם עבור מכשירים הפועלים באזורים עם שדות קרינה חזקים במיוחד.

קטלוג מוצרים לרפואה גרעינית >