आयनीकरण कक्ष: Difference between revisions

आयनीकरण कक्ष गैसीय आयनीकरण संसूचक का सबसे सरल प्रकार है, और [[एक्स-रे]], [[गामा किरण|गामा किरणों]] और [[बीटा कण|बीटा कणों]] सहित कई प्रकार के आयनकारी विकिरण का पता लगाने और मापने के लिए व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। परंपरागत रूप से, आयनीकरण कक्ष शब्द विशेष रूप से उन संसूचकों को संदर्भित करता है जो विद्युत क्षेत्र के अनुप्रयोग के माध्यम से गैस के अंदर 'प्रत्यक्ष आयनीकरण' द्वारा बनाए गए सभी शुल्क एकत्र करते हैं।<ref name="knoll">{{cite book |first=Glenn F |last=Knoll |title=Radiation detection and measurement |edition=3rd |year=1999 |location=New York |publisher=Wiley |isbn=978-0-471-07338-3}}</ref> यह घटना विकिरण और गैस के बीच प्रत्येक अंतःक्रिया द्वारा बनाए गए असतत आवेशों का उपयोग छोटे प्रत्यक्ष प्रवाह के रूप में एक आउटपुट उत्पन्न करने के लिए करता है। इसका अर्थ है कि भिन्न-भिन्न आयनकारी घटनाओं को मापा नहीं जा सकता है, इसलिए विभिन्न प्रकार के विकिरण विकिरण की ऊर्जा को भिन्न नहीं किया जा सकता है, लेकिन यह समग्र आयनीकरण प्रभाव का बहुत अच्छा माप देता है। [[आयनीकरण]] [[आनुपातिक काउंटर]] [[गीगर काउंटर]]

आयन कक्षों में ऊर्जा की विस्तृत श्रृंखला में विकिरण के लिए समान प्रतिक्रिया होती है और गामा विकिरण के उच्च स्तर को मापने का रुचिकर साधन है। जैसे कि विकिरण गर्म सेल में क्योंकि वे बिना क्षरण के उच्च विकिरण क्षेत्रों में लंबे समय तक सहन कर सकते हैं। वे व्यापक रूप से परमाणु ऊर्जा उद्योग, अनुसंधान प्रयोगशालाओं, [[रेडियोग्राफ़]], [[रेडियोजीवविज्ञान]] और पर्यावरण निरक्षण में उपयोग किए जाते हैं।

[[File:Ion chamber operation.gif|thumb|right|300px|समानांतर प्लेट आयन कक्ष का योजनाबद्ध आरेख, आयन जोड़े का निर्माण और विद्युत क्षेत्र के कारण आयनों का बहाव दिखा रहा है। इलेक्ट्रॉन सामान्यतः अपने छोटे द्रव्यमान के कारण धनात्मक आयनों की तुलना में 1000 गुना तेजी से प्रवाहित होते हैं।<ref name=knoll/>]]

[[File:Detector regions.gif|thumb|300px|वैचारिक तार सिलेंडर गैसीय विकिरण संसूचक के लिए वोल्टेज के विरुद्ध आयन करंट का प्लॉट। आयन कक्ष सबसे कम वोल्टेज पठार का उपयोग करते हैं।]]गैस [[आयन|आयनीकरण]] कक्ष घटना विकिरण के कारण गैस के अंदर निर्मित आयन की संख्या से आवेश को मापता है। इसमें दो [[इलेक्ट्रोड]] के साथ गैस से भरा कक्ष होता है; जो [[एनोड]] और [[कैथोड]] के रूप में जाना जाता है। इलेक्ट्रोड समानांतर प्लेटों (समानांतर प्लेट आयोनाइजेशन चेम्बर्स: पीपीआईसी) के रूप में हो सकते हैं, या समाक्षीय रूप से स्थित आंतरिक एनोड तार के साथ सिलेंडर हो सकते हैं।

भरण गैस में विद्युत क्षेत्र बनाने के लिए इलेक्ट्रोड के बीच [[वोल्टेज]] क्षमता लागू की जाती है। जब इलेक्ट्रोड के बीच गैस परमाणु या अणु घटना आयनीकरण विकिरण द्वारा आयनित होते हैं, तो आयन-जोड़े बनते हैं और परिणामी सकारात्मक आयन और पृथक इलेक्ट्रॉन विद्युत क्षेत्र के प्रभाव में विपरीत [[रासायनिक ध्रुवीयता]] के इलेक्ट्रोड में चले जाते हैं। यह आयनीकरण धारा उत्पन्न करता है जिसे [[विद्युतमापी]] सर्किट द्वारा मापा जाता है। इलेक्ट्रोमीटर बहुत कम आउटपुट करंट को मापने में सक्षम होना चाहिए जो चैम्बर डिजाइन, विकिरण मात्रा और लागू वोल्टेज के आधार पर [[femtoamps|फेम्टोएम्पीयर]] से [[picoampere|पीकोएम्पीयर]] के क्षेत्र में है।  

आयन युग्मों के [[प्लाज्मा पुनर्संयोजन|पुनर्संयोजन]] को रोकने के लिए विद्युत क्षेत्र पर्याप्त रूप से स्थिर होना चाहिए जो आयन धारा को कम कर देगा, और कैथोड तक पहुंचने पर इलेक्ट्रॉनों के साथ उनके पुनर्संयोजन द्वारा सकारात्मक आयनों के निर्माण को रोका जाता है। ऑपरेशन के इस मोड को "वर्तमान" मोड के रूप में संदर्भित किया जाता है, जिसका अर्थ है कि आउटपुट सिग्नल एक निरंतर चालू है, न कि पल्स आउटपुट जैसा कि गीजर-मुलर ट्यूब या आनुपातिक काउंटर की स्थिति में होता है।<ref name=knoll/>

== चैंबर के प्रकार और निर्माण ==

=== फ्री-एयर चैंबर ===

यह वायुमंडल के लिए स्वतंत्र रूप से खुला कक्ष है, जहां भरण गैस परिवेशी वायु है। घरेलू [[स्मोक डिटेक्टर|धुआँ संसूचक]] इसका अच्छा उदाहरण है, जहां कक्ष के माध्यम से हवा का प्राकृतिक प्रवाह आवश्यक है जिससे आयन धारा में परिवर्तन से धुएं के कणों का पता लगाया जा सके। अन्य उदाहरण ऐसे अनुप्रयोग हैं जहां कक्ष के बाहर आयन बनाए जाते हैं लेकिन हवा या गैस को विवश प्रवाह द्वारा ले जाया जाता है।

==== वेंटेड चैंबर ====

ये कक्ष सामान्य रूप से बेलनाकार होते हैं और वायुमंडलीय दबाव पर काम करते हैं, लेकिन नमी के प्रवेश को रोकने के लिए जलशुष्कक युक्त फिल्टर को वेंट लाइन में स्थापित किया जाता है।<ref name=radpro>{{cite journal |last=Steinmeyer |first=Paul R. |journal=RSO Magazine |volume=8 |number=5 |year=2003 |title=Ion Chambers: Everything You've Wanted to Know (But Were Afraid to Ask) |url=http://www.radpro.com/ION2.pdf |access-date=2013-08-18 |url-status=dead |archive-url=https://web.archive.org/web/20120915030829/http://www.radpro.com/ION2.pdf |archive-date=2012-09-15 }}</ref> यह कक्ष के आंतरिक भाग में नमी के निर्माण को रोकने के लिए है, जो अन्यथा परिवर्तित वायुमंडलीय वायु दबाव के "पंप" प्रभाव से प्रारंभ हो जाएगा। इन कक्षों में बेलनाकार शरीर होता है जो कुछ मिलीमीटर मोटी एल्यूमीनियम या प्लास्टिक से बना होता है। सामग्री को हवा के समान परमाणु संख्या के लिए चुना जाता है जिससे कि विकिरण बीम ऊर्जा की सीमा पर दीवार को "वायु समतुल्य" कहा जा सके।<ref name=knoll/><ref>{{cite journal |last1=Seco |first1=Joao |last2=Clasie |first2=Ben |last3=Partridge |first3=Mike |title=Review on the characteristics of radiation detectors for dosimetry and imaging |journal=Physics in Medicine and Biology |date=21 October 2014 |volume=59 |issue=20 |pages=R303–R347 |doi=10.1088/0031-9155/59/20/R303 |pmid=25229250 |doi-access=free |bibcode=2014PMB....59R.303S}}</ref><ref name=Hill2014>{{cite journal |last1=Hill |first1=Robin |last2=Healy |first2=Brendan |last3=Holloway |first3=Lois |last4=Kuncic |first4=Zdenka |last5=Thwaites |first5=David |last6=Baldock |first6=Clive |title=Advances in kilovoltage x-ray beam dosimetry |journal=Physics in Medicine and Biology |date=21 March 2014 |volume=59 |issue=6 |pages=R183–R231 |doi=10.1088/0031-9155/59/6/R183 |pmid=24584183 |bibcode=2014PMB....59R.183H|s2cid=18082594 }}</ref> यह सुनिश्चित करने का प्रभाव है कि कक्ष में गैस कार्य कर रही है जैसे कि यह असीम रूप से बड़ी गैस मात्रा का भाग था, और दीवार सामग्री के साथ गामा की बातचीत को कम करके त्रुटिहीन को बढ़ाता है। दीवार सामग्री की परमाणु संख्या जितनी अधिक होगी, बातचीत की संभावना उतनी ही अधिक होगी। दीवार की मोटाई मोटी दीवार के साथ हवा के प्रभाव को बनाए रखने और पतली दीवार का उपयोग करके बढ़ती संवेदनशीलता के बीच व्यापार-बंद है। इन कक्षों में अक्सर पर्याप्त पतली सामग्री से बनी अंत खिड़की होती है, जैसे कि माइलर, जिससे कि बीटा कण गैस की मात्रा में प्रवेश कर सकें। गामा विकिरण अंत खिड़की और बगल की दीवारों दोनों से प्रवेश करता है। हाथ से पकड़े जाने वाले उपकरणों के लिए दीवार की मोटाई फोटॉन दिशात्मकता को कम करने के लिए यथासंभव समान बनाई जाती है, चूंकि कोई भी बीटा विंडो प्रतिक्रिया स्पष्ट रूप से अत्यधिक दिशात्मक होती है। हवा के दबाव के साथ दक्षता में छोटे बदलावों के लिए वेंटेड कक्ष अतिसंवेदनशील होते हैं <ref name=radpro/>और सुधार कारक बहुत सटीक माप अनुप्रयोगों के लिए लागू किए जा सकते हैं।

==== मुहरबंद कम दबाव कक्ष ====

ये वेंटेड चैंबर के निर्माण के समान हैं, लेकिन वायुमंडलीय दबाव पर या उसके आसपास सील और संचालित होते हैं। इन कक्षों में वेंट और डिसेकेंट की आवश्यकता नहीं होने का भी लाभ होता है। पता लगाने की दक्षता में सुधार करने के लिए, वे महान गैस से भरे हुए हैं क्योंकि हवा में अत्यधिक विद्युतीय ऑक्सीजन आसानी से मुक्त इलेक्ट्रॉनों को पकड़ लेती है, जिससे नकारात्मक आयन बनते हैं। बीटा विंडो की ताकत वायुमंडलीय दबाव से भिन्न दबाव को सीमित करती है जिसे सहन किया जा सकता है, और सामान्य सामग्री स्टेनलेस स्टील या टाइटेनियम है जिसकी सामान्य मोटाई 25 माइक्रोमीटर है।<ref>[https://www.lndinc.com/product-category/ionization-chambers/end-window-beta-gamma-ionization-chambers/ LND, Inc. ion chamber specification sheets]</ref>

[[File:Ionizacni komory v dozimetru.jpg|thumb|एक बाड़े में दो उच्च दाब बेलनाकार आयन कक्ष।]]उच्च दबाव वाली गैस के उपयोग से कक्ष की दक्षता को और बढ़ाया जा सकता है। सामान्यतः 8-10 वायुमंडल का दबाव उपयोग किया जा सकता है, और विभिन्न महान गैसों को नियोजित किया जाता है। उच्च दबाव के परिणामस्वरूप अधिक गैस घनत्व होता है और इस प्रकार घटना विकिरण द्वारा भरण गैस और आयन-जोड़ी निर्माण के साथ टकराव की अधिक संभावना होती है। इस उच्च दबाव का सामना करने के लिए आवश्यक दीवार की मोटाई में वृद्धि के कारण, केवल गामा विकिरण का पता लगाया जा सकता है। इन डिटेक्टरों का उपयोग सर्वेक्षण मीटर और पर्यावरण निगरानी के लिए किया जाता है।<ref name=radpro/>

=== चैंबर ज्यामिति ===

सामान्यतः [[विकिरण चिकित्सा]] मापन के लिए उपयोग किया जाने वाला बेलनाकार या थिम्बल कक्ष है। सक्रिय आयतन आंतरिक प्रवाहकीय सतह (कैथोड) और केंद्रीय एनोड के साथ थिम्बल आकार की गुहा के अंदर रखा जाता है। कैविटी में लगाया गया बायस वोल्टेज आयन एकत्र करता है और करंट उत्पन्न करता है जिसे इलेक्ट्रोमीटर से मापा जा सकता है।

समानांतर-प्लेट कक्ष (पीपीआईसी) छोटी सी डिस्क के आकार के होते हैं, जिसमें गोलाकार एकत्रित इलेक्ट्रोड छोटे से अंतर से अलग होते हैं, सामान्यतः 2 मिमी या उससे कम। ऊपरी डिस्क बेहद पतली है, जो बेलनाकार कक्ष के साथ संभव होने की तुलना में अधिक सटीक निकट-सतह खुराक माप की अनुमति देती है। मॉनिटर कक्ष सामान्यतः पीपीआईसी होते हैं जिनका उपयोग विकिरण बीम की तीव्रता जैसे लगातार मापने के लिए किया जाता है। उदाहरण के लिए, [[रेडियोथेरेपी]] के लिए उपयोग किए जाने वाले [[रैखिक त्वरक]] के शीर्ष के भीतर। मल्टी-कैविटी आयनीकरण कक्ष कई अलग-अलग क्षेत्रों में विकिरण बीम की तीव्रता को माप सकते हैं, बीम समरूपता और सपाटता की जानकारी प्रदान करते हैं।

[[File:Ionisation chamber made by Pierre Curie, c 1895-1900. (9660571297).jpg|thumb|पियरे क्यूरी द्वारा बनाया गया आयनीकरण कक्ष, c 1895-1900]]आयन कक्ष के प्रारंभिक संस्करणों का उपयोग [[मैरी क्यूरी]] और [[पियरे क्यूरी]] द्वारा रेडियोधर्मी सामग्री को अलग करने में उनके मूल कार्य में किया गया था। तब से आयन कक्ष अनुसंधान और अंशांकन उद्देश्यों के लिए प्रयोगशाला में व्यापक रूप से उपयोग किया जाने वाला उपकरण रहा है।

==== कंडेनसर कक्ष ====

संघनित्र कक्ष में तने के अंदर द्वितीयक गुहा होता है जो [[संधारित्र]] के रूप में कार्य करता है। जब यह संधारित्र पूरी तरह से चार्ज हो जाता है, तो थिम्बल के भीतर कोई भी आयनीकरण इस आवेश का प्रतिकार करता है, और आवेश में परिवर्तन को मापा जा सकता है। वे केवल 2 मेव या उससे कम ऊर्जा वाले बीम के लिए व्यावहारिक हैं, और उच्च स्टेम रिसाव उन्हें सटीक डोसिमेट्री के लिए अनुपयुक्त बनाता है।

==== एक्सट्रपलेशन चैंबर ====

एक समानांतर प्लेट कक्ष के डिजाइन के समान, एक्सट्रपलेशन कक्ष की ऊपरी प्लेट को माइक्रोमीटर स्क्रू का उपयोग करके कम किया जा सकता है। मापन को अलग-अलग प्लेट स्पेसिंग के साथ लिया जा सकता है और शून्य की प्लेट स्पेसिंग के लिए एक्सट्रपलेशन किया जा सकता है, अर्थात चैम्बर के बिना खुराक।

[[File:CivilDefenseVictoreen720 underside.jpg|thumb|इंटीग्रल हैंड हेल्ड इंस्ट्रूमेंट पर स्लाइडिंग बीटा शील्ड का दृश्य]]बीटा और गामा विकिरण को मापने के लिए [[सर्वेक्षण मीटर]] में आयन कक्षों का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। वे विशेष रूप से उच्च खुराक दर माप के लिए पसंद किए जाते हैं और गामा विकिरण के लिए वे 50-100 keV से ऊपर की ऊर्जा के लिए अच्छी सटीकता देते हैं।<ref name=knoll/>

दो बुनियादी विन्यास हैं; ही मामले में कक्ष और इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ अभिन्न इकाई, और दो-टुकड़ा उपकरण जिसमें लचीली केबल द्वारा इलेक्ट्रॉनिक्स मॉड्यूल से जुड़ी अलग आयन कक्ष जांच होती है।

इंटीग्रल इंस्ट्रूमेंट का चैम्बर सामान्यतः केस के सामने नीचे की ओर होता है, और बीटा/गामा इंस्ट्रूमेंट्स के लिए केसिंग के नीचे विंडो होती है। इसमें सामान्यतः स्लाइडिंग शील्ड होता है जो गामा और बीटा विकिरण के बीच भेदभाव को सक्षम बनाता है। ऑपरेटर बीटा को बाहर करने के लिए शील्ड को बंद कर देता है, और इस प्रकार प्रत्येक विकिरण प्रकार की दर की गणना कर सकता है।

हाथ से चलने वाले कुछ यंत्र ऐसे ही श्रव्य क्लिक उत्पन्न करते हैं जो जी-एम काउंटर द्वारा उत्पन्न होने वाले ऑपरेटरों की सहायता के लिए होते हैं, जो विकिरण सर्वेक्षण और संदूषण जांच में ऑडियो फीडबैक का उपयोग करते हैं। जैसा कि आयन कक्ष वर्तमान मोड में काम करता है, न कि पल्स मोड में, यह विकिरण दर से संश्लेषित होता है।

औद्योगिक प्रक्रिया मापन और निरंतर उच्च विकिरण स्तर वाले इंटरलॉक के लिए, आयन कक्ष पसंदीदा डिटेक्टर है। इन अनुप्रयोगों में केवल कक्ष माप क्षेत्र में स्थित है, और इलेक्ट्रॉनिक्स दूर से विकिरण से बचाने के लिए स्थित हैं और केबल द्वारा जुड़े हुए हैं। कर्मियों की सुरक्षा के लिए परिवेशी गामा को मापने के लिए स्थापित उपकरणों का उपयोग किया जा सकता है और सामान्यतः पूर्व निर्धारित दर से ऊपर अलार्म बजता है, चूंकि गीजर-मुलर ट्यूब उपकरण सामान्यतः पसंद किया जाता है जहां उच्च स्तर की सटीकता की आवश्यकता नहीं होती है।

नमी मुख्य समस्या है जो आयन कक्षों की सटीकता को प्रभावित करती है। चैम्बर की आंतरिक मात्रा को पूरी तरह से सूखा रखा जाना चाहिए, और इसके साथ सहायता करने के लिए वेंटेड प्रकार जलशुष्कक का उपयोग करता है।<ref name=radpro/>उत्पन्न होने वाली बहुत कम धाराओं के कारण, सटीकता को बनाए रखने के लिए किसी भी आवारा लीकेज करंट को न्यूनतम रखा जाना चाहिए। केबल डाइलेक्ट्रिक्स और कनेक्टर्स की सतह पर अदृश्य हाइग्रोस्कोपिक नमी लीकेज करंट पैदा करने के लिए पर्याप्त हो सकती है जो किसी भी विकिरण-प्रेरित आयन करंट को स्वाहा कर देगी। इसके लिए चेंबर की साफ-सफाई, इसके सिरे और केबल की सफाई और बाद में ओवन में सुखाने की जरूरत होती है। गार्ड रिंग सामान्यतः ट्यूब कनेक्शन इंसुलेटर की सतह के माध्यम से या साथ में रिसाव को कम करने के लिए उच्च वोल्टेज ट्यूबों पर डिज़ाइन सुविधा के रूप में उपयोग किया जाता है, जिसके लिए 10 के क्रम में प्रतिरोध की आवश्यकता हो सकती है।¹³ ओह।<ref>{{cite journal |last1=Taylor |first1=D. |last2=Sharpe |first2=J. |title=Nuclear particle and radiation detectors. Part 1: Ion chambers and ion-chamber instruments |journal=Proceedings of the IEE - Part II: Power Engineering |date=April 1951 |volume=98 |issue=62 |pages=174–190 |doi=10.1049/pi-2.1951.0058}}</ref>

दूरस्थ इलेक्ट्रॉनिक्स के साथ औद्योगिक अनुप्रयोगों के लिए, आयन कक्ष को