من أشهر كواشف الجسيمات

 هناك تقنيات أساسية في علم الفيزياء لا يمكن للباحثين والدارسين الاستغناء عنها عند إجراء التجارب والاختبارات، ومنها كواشف الجسيمات، فهل سمعت عنها من قبل؟ وهل تعرف أشهر كواشف الجسيمات؟ ستحصل على الإجابة الشافية في هذا المقال فتابع القراءة.

ما هي كواشف الجسيمات؟

  كواشف الجسيمات هي أجهزة تقنية تعمل عادة من خلال التفاعل مع الجسيمات أثناء مرورها، مما ينتج عنها إشارات يمكن قياسها وتحليلها. ولها أنواعٌ عديدة يعتمد استخدام أحدها دون الآخر على الخصائص المحددة للجسيمات والظروف التجريبية الأخرى.

وتعتبر أجهزة كواشف الجسيمات مهمة في مجموعة واسعة من التخصصات العلمية، بما في ذلك فيزياء الجسيمات، والفيزياء النووية، والفيزياء الفلكية، والتصوير الطبي، مما يمكّن العلماء من كشف أسرار العالم دون الذري، ومنح العلماء الضوء الأخضر لابتكار واكتشاف أدوات وأجهزة لا محدودة؛ من شأنها تسهيل الحياة على الإنسان.

كواشف التلألؤ خاصة بالإشعاعات ذات الطاقة العالية التي تعمل على تأيين الوسط الذي تمر فيه بسبب اصطدام الشعاع بذرات الوسط،

أشهر كواشف الجسيمات

ساعدت كواشف الجسيمات في رصد حركة الجسيمات الأولية من الجزيئات والذرات، وكانت سببًا في التعرف على خصائصها، ومن أشهر كواشف الجسيمات في الفيزياء التجريبية نذكر:

• كواشف التأين

ولها أنواعٌ عديدة من أبرزها:

1.  عدادات غايغر-مولر: التي تقوم بقياس التأين الناتج عن الجسيمات المشحونة بفضل الغازات الموجودة فيها، وهي مفيدة بشكل خاص لكشف وحساب الإشعاعات المؤينة مثل أشعة ألفا وبيتا وأشعة جاما.
2. العدادات التناسبية: تشبه عدادات جيجر-مولر إلى حدٍ بعيد ولكنها قادرة على قياس طاقة الجسيمات الساقطة بناءً على كمية التأين الناتجة.
3. غرف التأين: تقيس هذه الكواشف الشحنة الإجمالية الناتجة عن التأين، وتستخدم عادة في قياس الجرعات ومراقبة الإشعاع.

• كواشف شيرينكوف

وسميت بهذا الاسم نسبةً إلى العالم الروسي بافل شيرنكوف الحائز على جائزة نوبل كأول مكتشف لهذه الإشعاعات بالتجربة العلمية، ويقوم مبدأ عملها على تحرك الجسيمات المشحونة بسرعة أكبر من سرعة الضوء في وسط ينبعث منه ضوء آخر. كما تُستخدم هذه الكواشف للتعرف على الجسيمات بناءً على سرعتها، خاصة في تجارب فيزياء الطاقة العالية.

• كواشف أشباه الموصلات

وتُعتبر من أكثر الكواشف استخدامًا، ولذلك فإن لها العديد من الأجهزة أبرزها: 

1. أجهزة كشف شرائح السيليكون: تستخدم هذه الكواشف شرائح من السيليكون لقياس الطاقة المترسبة بواسطة الجسيمات بشكل مباشر، مما يوفر دقة مكانية عالية وطاقة كبيرة، كما تُستخدم على نطاق واسع في تجارب فيزياء الجسيمات والتصوير الطبي.
2. أجهزة كشف انجراف السيليكون: تشبه أجهزة كشف شريط السيليكون سابقة الذِكر ولكن مع أداء محسّن من حيث دقة السرعة والطاقة، مما يجعلها مناسبة للتطبيقات التي تتطلب إنتاجية عالية وقياسات دقيقة.
3. المضاعف الضوئي السيليكوني: وهي مصفوفات من الثنائيات الضوئية السيليكونية التي يمكنها اكتشاف الفوتونات المفردة، وتستخدم عادة في كواشف التلألؤ للتحليل الطيفي لأشعة جاما وقياسات المعدلات الزمنية.

• كواشف التلألؤ (الإضاءة)

وهي كواشف خاصة بالإشعاعات ذات الطاقة العالية التي تعمل على تأيين الوسط الذي تمر فيه بسبب اصطدام الشعاع بذرات الوسط، مما يؤدي إلى طرد بعض إلكترونات الذرات وتكوّن الأيونات في الوسط.ومن أبرز أنواعها: 

1. كواشف الوميض (أنبوب المضاعف الضوئي): تستخدم هذه الكواشف مواد وامضة تنبعث منها الضوء (الوميض) عندما تمر الجسيمات المشحونة، بحيث يتم الكشف عن الضوء المنبعث بواسطة أنابيب مضاعفة ضوئية، تُستخدم في تطبيقات مختلفة بما في ذلك تجارب فيزياء الطاقة العالية والتصوير الطبي.
2. كواشف الزمن: والتي تعمل من خلال الجمع بين مواد التلألؤ وأنابيب المضاعف الضوئي، وتقيس هذه الكواشف الفارق الزمني بين إشارات الإضاءة، مما يوفر معلومات حول سرعة الجسيمات.

• مطياف الكتلة

وهي تقنية تحليلية لتحديد العناصر المكونة لمادة أو جزيء ما. وتُستخدم لوصف البنى الكيميائية للجزيئات، ومن أبرز أنواعها:

1. مطياف الكتلة الزمني: ويُستخدم لقياس الوقت الذي تستغرقه الأيونات ذات الكتل المختلفة للوصول إلى الكاشف، مما يسمح بتحديد دقيق لنسبة الكتلة إلى الشحنة للأيونات.
2. مطياف الكتلة الرباعي: يستخدم هذا الكاشف المجالات الكهربائية لتصفية الأيونات بشكل انتقائي بناءً على نسبة الكتلة إلى الشحنة، مما يسمح بإجراء تحليل حساس وانتقائي للغاية للمركبات الكيميائية.

• السعرات الحرارية

ومن أشهر أنواع هذا الكاشف:

1. المسعرات الكهرومغناطيسية: وهي تمتص وتقيس الطاقة الإجمالية للإلكترونات والفوتونات من خلال الكشف عن المجال الكهرومغناطيسي الذي تنتجه في المواد الكثيفة مثل الرصاص أو البلورات المتلألئة.
2. المسعرات الهادرونية: وتُستخدم لقياس طاقة الهادرونات (البروتونات والنيوترونات وغيرها) عن طريق امتصاصها والكشف عن زخم الهادرونات الناتجة.

كواشف ألميون سُميت بهذا الاسم نسبة إلى مكتشفها العالم كارل ألميون، الذي توصل إليها صدفة أثناء القيام بإحدى التجارب

• غرف الأسلاك

هي كواشف شهيرة في فيزياء الجسيمات، وتُستخدم كعداد للجسيمات المؤينة وتعتبر من الكواشف المتطورة، ومن أهم أنواعها:

1. غرف الانجراف: تستخدم هذه الكواشف غرفة مملوءة بالغاز مع مجال كهربائي لقياس مواقع الجسيمات المشحونة أثناء انجرافها نحو الأقطاب الكهربائية السلكية، مما يوفر معلومات تتبع دقيقة.
2. غرف إسقاط الوقت: تقيس غرف إسقاط الوقت المسار ثلاثي الأبعاد للجسيمات المشحونة عن طريق تسجيل مسارات التأين التي تتركها في غرفة مملوءة بالغاز، بالإضافة إلى مجال مغناطيسي خارجي لتحديد زخم الجسيمات.

• كواشف الحالة الصلبة

تختص هذه الكواشف في الكشف عن الأجسام في حالة الصلابة الفيزيائية، ومن أبرز أنواعها الشهيرة:

1. أجهزة كشف الألماس: هي كواشف مصنوعة من بلورات الألماس، وتتميز بأنها مقاومة للإشعاع وقادرة على تحمل الجرعات الإشعاعية العالية، مما يجعلها مناسبة للاستخدام في تجارب فيزياء الطاقة العالية ومراقبة الإشعاع والتجارب النووية.
2. كواشف CdZnTe: هي كواشف مصنوعة من مادة أشباه الموصلات تيلوريد الزنك والكادميوم، التي تُستخدم في التحليل الطيفي لأشعة جاما والتصوير نظرًا لدقة طاقتها العالية وكفاءتها في الكشف عن الحالة الصلبة للمادة.

• كواشف ألميون

سُميت بهذا الاسم نسبة إلى مكتشفها العالم كارل ألميون، الذي توصل إليها عن طريق الصدفة أثناء القيام بإحدى التجارب، ومن أبرز أنواعها:

1. أجهزة كشف الميونات المستندة إلى وامض: هي مصفوفات وامضة كبيرة تستخدم للكشف عن الجسيمات المنتجة في زخات الأشعة الكونية أو تصادمات الجسيمات عالية الطاقة، مما يوفر معلومات حول اتجاه وطاقة الذرات الواردة.
2. غرف انجراف الميون: وتقيس هذه الكواشف مسارات الجسيمات عن طريق الكشف عن مسارات التأين التي تتركها في غرفة مملوءة بالغاز، وتشبه في عملها كواشف الغرف السلكية إلى حدٍ بعيد.

• أجهزة الكشف عن الإشعاع الانتقالية

ومن أبرز أنواعها نذكر كواشف TRD التي تستغل الإشعاع الانتقالي المنبعث عند مرور الجسيمات المشحونة عبر طبقات من المواد المختلفة، مما يسمح بتحديد وقياس طاقة الجسيمات المشحونة مثل الإلكترونات والبروتونات والبوزيترونات، وهي جُسيمات أولية لا تدخل في تكوين المادة العادية ولا توجد بصورة حرة في الطبيعة.

• كواشف النيوترونات

ومن أهم أنواعها:

1. كواشف النيوترونات الوامضة: تستخدم هذه الكواشف مواد وامضة مقترنة بأنابيب مضاعفة ضوئية لاكتشاف النيوترونات من خلال تفاعلها مع جهاز الوامض.
2. كواشف النيوترونات الغازية: كواشف مملوءة بالغازات التي تخضع لتفاعلات نووية مع النيوترونات، وينتج عنها تأين يمكن قياسه.

• مقاييس الجرعات الإشعاعية

ومن أنواعها: 

1. مقاييس الجرعات الفيلمية: وهي عبارة عن أغشية رقيقة من مواد حساسة للإشعاع تستخدم لقياس التعرض للإشعاع، وخاصة في قياس الجرعات الشخصية.
2. أجهزة قياس الجرعات الإلكترونية: أجهزة تقوم بقياس وتسجيل التعرض للإشعاع إلكترونيًا، مما يوفر مراقبة فورية لمستويات الإشعاع في البيئات المختلفة.

تُستخدم هذه الأنواع من أجهزة كواشف الجسيمات في نطاق واسع من التطبيقات العلمية، بدءًا من تجارب فيزياء الطاقة العالية وحتى الكشف عن الإشعاع ومراقبته في المنشآت النووية، والتصوير الطبي، واستكشاف الفضاء. ويقدم كل نوع من أجهزة الكشف مزايا محددة ويتم اختياره بناءً على متطلبات التجربة أو التطبيق.

اقرأ/ي أيضًا:

جورج لوميتر.. من هو فيزيائي "البيضة الكونية" الذي نحتفي بذكراه كل عام؟

منح ماجستير الفيزياء النظرية في كندا