1. หลักการพื้นฐานของหัววัดซินทิลเลเตอร์ (Scintillation Detector)
หัววัดรังสีชนิดซินทิลเลเตอร์มีหลักการสำคัญอยู่ที่การแปลงพลังงานรังสีให้กลายเป็นแสง แล้วจึงแปลงแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้าเพื่อวิเคราะห์ต่อ กล่าวคือ เมื่อรังสีก่อให้เกิดไอออน (เช่น γ-ray, X-ray, α, β หรือแม้แต่นิวตรอนในบางระบบ) เดินทางเข้าสู่ผลึกซินทิลเลเตอร์ รังสีจะไม่ทำให้เกิดสัญญาณไฟฟ้าโดยตรงเหมือนหัววัดกึ่งตัวนำ แต่จะถ่ายเทพลังงานผ่านการทำอันตรกิริยากับอะตอม/อิเล็กตรอนในผลึกก่อน สำหรับรังสีแกมมา การทำอันตรกิริยาหลักที่พบคือ โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ (photoelectric effect), การกระเจิงคอมป์ตัน (Compton scattering) และการเกิดคู่อิเล็กตรอน–โพซิตรอน (pair production) (ในช่วงพลังงานสูงพอ) ซึ่งผลลัพธ์ร่วมกันคือเกิดอิเล็กตรอนทุติยภูมิในผลึกจำนวนมาก อิเล็กตรอนเหล่านี้ไปกระตุ้นและก่อให้เกิดไอออนในโครงผลึก (crystal lattice) ทำให้เกิดสถานะกระตุ้น (excited states) หรือคู่ อิเล็กตรอน–โฮล (e–h) / เอ็กซิทอน (excitons) ตามกลไกของวัสดุนั้น ๆ
เมื่อระบบที่ถูกกระตุ้นคลายตัวกลับสู่สถานะพื้น (de-excitation) พลังงานบางส่วนถูกปล่อยออกมาเป็นโฟตอนของแสงที่เราเรียกว่าแสงซินทิลเลชัน (scintillation light) ปริมาณแสงที่ได้โดยเฉลี่ยมีความสัมพันธ์กับพลังงานที่รังสีฝากไว้ในผลึก จึงเป็นเหตุผลว่าทำไมซินทิลเลเตอร์สามารถใช้วัดแบบสเปกตรัมจำแนกพลังงานหรือสเปกโทรสโกปี (spectroscopy) ได้ ไม่ใช่แค่นับจำนวนอย่างเดียว จากนั้นแสงที่เกิดขึ้นจะถูกส่งไปยังอุปกรณ์ตรวจวัดแสง (photodetector) เช่น หลอด PMT, โฟโตไดโอด (photodiode) หรือ อุปกรณ์ SiPM เพื่อแปลงเป็นพัลส์ไฟฟ้า โดย “แอมพลิจูดของพัลส์” มักแปรผันตามพลังงานที่ได้รับถ่ายเท (deposited energy) ส่วน “รูปทรงพัลส์/เวลาขึ้น-ลง” จะสะท้อนจลนพลศาสตร์ของการเรืองแสง (kinetics) และมีบทบาทต่อการทำไทม์มิง (timing) หรือการแยกชนิดอนุภาคในบางระบบ (เช่น ระบบ PSD ของระบบวัดซินทิลเลเตอร์สารอินทรีย์ (organic scintillator))
2. องค์ประกอบของหัววัดซินทิลเลเตอร์
ในเชิงโครงสร้าง หัววัดซินทิลเลเตอร์หนึ่งหัว ไม่ได้มีแค่ “ผลึกกับ PMT” แต่เป็นระบบออปติค–อิเล็กทรอนิกส์ (optics–electronics) ที่ต้องทำให้แสงที่เกิดขึ้นเดินทางไปถึงตัวรับแสงได้มากและสม่ำเสมอที่สุด องค์ประกอบหลักเริ่มจากผลึกซินทิลเลชัน (scintillation crystal) ซึ่งเป็นแกนกลางของการดูดกลืนรังสีและสร้างโฟตอนแสง ถัดมาคือส่วนเชื่อมต่อเชิงออปติค (optical coupling) เช่น จาระบี/เจลออปติค (optical grease/gel) หรือไกด์นำแสง (light guide) ที่ทำหน้าที่ลดการสะท้อนสูญเสียที่ผิวสัมผัส (จากการไม่เข้ากันของดัชนีหักเห (refractive-index mismatch)) และช่วยให้การส่งผ่านแสงไปยังตัวตรวจวัดแสง (photodetector) มีประสิทธิภาพสูงขึ้น
จากนั้นคือ ตัวตรวจวัดแสง (photodetector) เอง ซึ่งเป็นผู้ “แปลงแสงเป็นสัญญาณไฟฟ้า” ถ้าเป็นพีเอ็มที (PMT) จะเด่นที่อัตราขยาย (gain) สูงมากและสัญญาณรบกวน (noise) ต่ำ เหมาะกับสัญญาณอ่อนและงานสเปกโทรสโกปี (spectroscopy) แบบดั้งเดิม ส่วนโฟโตไดโอด (photodiode) จะกะทัดรัดแต่ gain ต่ำกว่า ขณะที่ ซิพีเอ็ม (SiPM) เป็นโซลิดสเตต (solid-state) ใช้แรงดันต่ำ ติดตั้งเป็นอาเรย์ (array) ได้ง่าย จึงได้รับความนิยมมากในระบบสมัยใหม่ โดยเฉพาะงานอิมเมจจิง (imaging) หรือระบบพกพา
เพื่อเพิ่มการเก็บแสง (light collection) จะมีการห่อหุ้มผลึกด้วยตัวสะท้อน/วัสดุหุ้ม (reflector/wrapping) เช่น PTFE หรืออลูมิเนียมฟอยล์เพื่อสะท้อนแสงกลับเข้าสู่ผลึก ลดการสูญเสียออกด้านข้าง และเพิ่มโอกาสที่โฟตอนจะไปถึง photodetector สุดท้ายคือโครงหุ้มหรือปลอกหุ้มปิดผนึก (housing/encapsulation) และภาคอิเล็กทรอนิกส์ (electronics) โดยเฉพาะผลึกกลุ่มอัลคาไลฮาไลด์ (alkali halides) บางชนิดอย่าง NaI(Tl) ที่ดูดความชื้นง่ายจึงต้องซีลอย่างดี (hermetic seal) ไม่เช่นนั้นผิวผลึกจะเสื่อมและประสิทธิภาพ/ความละเอียดพลังงานตกถาวร ส่วนภาคอิเล็กทรอนิกส์จะเริ่มตั้งแต่ พรีแอมป์ (preamplifier) หรือวงจรขยายสัญญาณส่วนหน้า, แอมป์ปรับรูปพัลส์ (shaping amplifier) ไปจนถึง ตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล/เครื่องวิเคราะห์หลายช่อง (ADC/MCA) (หรือการประมวลผลพัลส์แบบดิจิทัล (digital pulse processing) ในระบบใหม่) เพื่อให้ได้สเปกตรัมที่เสถียรและตีความได้
3. ประเภทของซินทิลเลเตอร์
โดยภาพรวม ซินทิลเลเตอร์มักแบ่งเป็น 3 กลุ่มใหญ่ตามธรรมชาติของวัสดุและพฤติกรรมเชิงเวลา กลุ่มแรกคือซินทิลเลเตอร์อินทรีย์ (organic scintillator) เช่น แอนทราซีน (anthracene), สติลบีน (stilbene) หรือพลาสติกซินทิลเลเตอร์ (plastic scintillator) ซึ่งเด่นมากเรื่องการตอบสนองเร็วระดับนาโนวินาที จึงเหมาะกับงานไทม์มิง (timing) และงานนิวตรอนบางประเภท โดยเฉพาะเมื่ออาศัยคุณสมบัติการจำแนกรูปทรงพัลส์ (pulse shape discrimination) ในสนามผสมนิวตรอน–แกมมา (neutron-gamma)
กลุ่มที่สองคือซินทิลเลเตอร์ผลึกอนินทรีย์ (inorganic crystal scintillator) ซึ่งเป็น “อุปกรณ์หลักสำคัญ” ของงานตรวจวัดรังสีแกมมาในหลายสาขา เพราะให้ผลได้แสง (light yield) และกำลังหยุดยั้งรังสี (stopping power) ดี วัสดุคลาสสิกอย่าง NaI(Tl) นิยมมากในสเปกโทรสโกปีของรังสีแกมมา (gamma spectroscopy) เนื่องจากให้แสงสูงและทำผลึกขนาดใหญ่ได้ง่าย ขณะที่ CsI(Tl) มักถูกมองว่าแข็งแรงทนทาน (robust) และใช้งานง่ายกว่าในบางสภาพแวดล้อม ส่วน BGO เด่นเรื่องความหนาแน่นสูงเหมาะกับงานที่ต้องการ stopping power แม้ light yield จะต่ำกว่า และกลุ่ม LYSO/LSO เด่นเรื่องไทม์มิง (timing) ดีมากจึงนิยมในงาน PET scan
กลุ่มที่สามคือซินทิลเลเตอร์ของเหลว (liquid scintillator) ซึ่งมักปรากฏในงานปริมาตรใหญ่และงานฟิสิกส์อนุภาค/นิวทริโน (particle physics/neutrino) หรือการวัดบีตาบางรูปแบบ จุดแข็งคือทำเป็นระบบขนาดใหญ่มากได้และผสมสารได้หลากหลาย แต่มีข้อจำกัดด้านความปลอดภัย/การจัดการสารและความเสถียรระยะยาว
4. คุณสมบัติสำคัญของวัสดุซินทิลเลเตอร์
การเลือกซินทิลเลเตอร์ให้เหมาะกับงาน ไม่ควรมองแค่ “สว่างมาก-สว่างน้อย” แต่ต้องมองเป็นชุดพารามิเตอร์ที่เชื่อมถึงสมรรถนะของระบบทั้งหมด ค่าอัตราให้แสง (light yield) บอกจำนวนโฟตอนที่เกิดต่อพลังงานที่ฝาก ซึ่งส่งผลต่อความละเอียดพลังงาน (energy resolution) ผ่านสถิติของจำนวนโฟโตอิเล็กตรอน (photoelectrons) ที่ photodetector สร้างได้จริง ขณะที่เวลาหน่วงการเรืองแสง (decay time) เป็นตัวกำหนดความเร็วของสัญญาณและความสามารถรองรับอัตราการนับสูง (ลดไพล์อัป (pile-up)) รวมถึงความละเอียดเวลา (timing resolution) ในงานโคอินซิเดนซ์ (coincidence) เช่น PET
ด้านกำลังหยุดยั้งรังสี (stopping power) จะสัมพันธ์กับความหนาแน่น (density) และเลขอะตอมเชิงประสิทธิผล (Z_eff) เพราะเป็นตัวกำหนดโอกาสเกิดการทำอันตรกิริยาของแกมมาภายในผลึก (ดังนั้นมีผลต่อประสิทธิภาพ (efficiency) และประสิทธิภาพพีค (photopeak efficiency)) ส่วนความยาวคลื่นการปล่อยแสง (emission wavelength) ต้อง “เข้าคู่” กับช่วงความไวของ photodetector (คิวอี/พีดีอี (QE/PDE)) ไม่เช่นนั้นต่อให้ผลึกผลิตโฟตอนได้มาก สุดท้ายยังมีประเด็นเชิงวิศวกรรมที่สำคัญมากคือความดูดความชื้น (hygroscopicity) เพราะผลึกที่ดูดความชื้นต้องใช้การซีลและการประกอบที่เข้มงวดกว่าอย่างชัดเจน
ในกลุ่มวัสดุสมัยใหม่ มีข้อมูลตัวอย่างที่มักถูกอ้างถึงคือ ผลึก Ce:GAGG ที่มีรายงานว่าให้ความละเอียดพลังงาน (energy resolution) ราว 4.9% ที่ 662 keV และมีการอ้างค่าช่วงอัตราให้แสง (light yield) ระดับหลายหมื่น โฟตอนต่อเมกะอิเล็กตรอนโวลต์ (photons/MeV) พร้อมความโดดเด่นด้านความทนทานและการใช้งานร่วมกับ photodetector แบบใหม่ได้ดี
5. รูปแบบอันตรกิริยา (Interaction) ของรังสีในผลึก
สำหรับรังสีแกมมา “รูปทรงสเปกตรัม” ที่เราเห็นจากหัววัดซินทิลเลเตอร์สะท้อนกลไกการทำอันตรกิริยาโดยตรง ในช่วงพลังงานที่ไม่สูงมาก โฟโตอิเล็กทริกเอฟเฟกต์ (photoelectric effect) จะช่วยสร้างเหตุการณ์ที่พลังงานถูกฝากครบจึงเกิดพีค (photopeak) ส่วนการกระเจิงคอมป์ตัน (Compton scattering) จะทำให้พลังงานถูกฝากไม่ครบและโฟตอนที่กระเจิงหลุดออกจากผลึก จึงเกิดคอนทินิวอัมคอมป์ตัน (Compton continuum) และมีขอบคอมป์ตัน (Compton edge) เป็นขอบบนของพลังงานที่ถ่ายให้อิเล็กตรอน (e⁻) ได้มากสุดในการกระเจิงครั้งเดียว ขณะที่การเกิดคู่อิเล็กตรอน–โพซิตรอน (pair production) จะเริ่มสำคัญเมื่อพลังงานสูงเกินขีดจำกัด (threshold) (≈1.022 MeV) และอาจเกี่ยวข้องกับพีคหลบหนี (escape peaks) หากโฟตอน 511 keV หลุดออกจากผลึก
สำหรับนิวตรอน จุดต่างสำคัญคือมันไม่มีประจุ จึงไม่สร้างก่อให้เกิดไอออนโดยตรงแบบเดียวกับอิเล็กตรอนในผลึกทั่วไป การตรวจนิวตรอนด้วยซินทิลเลเตอร์จึงมักต้องพึ่ง “วัสดุแปลงปฏิกิริยา” (converter) เช่น 6Li หรือ 10B เพื่อให้เกิดปฏิกิริยาแล้วปล่อยอนุภาคมีประจุ (เช่น α, ไทรตอน (triton)) ออกมา จากนั้นอนุภาคมีประจุจึงไปกระตุ้นให้เกิดการเรืองแสงซินทิลเลชันต่ออีกทอดหนึ่ง
6. สมรรถนะของหัววัดซินทิลเลชัน
ในเชิงการใช้งานจริง สมรรถนะที่คนพูดถึงมากที่สุดมี 3 ตัวคือ ประสิทธิภาพการตรวจวัด (detection efficiency), ความละเอียดพลังงาน (energy resolution) และความละเอียดเวลา (timing resolution) โดย detection efficiency ของแกมมาขึ้นกับขนาดผลึก ความหนาแน่น และเลขอะตอมเฉลี่ย เพราะสิ่งเหล่านี้ควบคุมโอกาสที่โฟตอนจะเกิดการทำอันตรกิริยาและถูกดูดกลืนภายในผลึก ส่วน energy resolution ถูกกำหนดทั้งโดยสถิติของโฟโตอิเล็กตรอน (photoelectrons) (ซึ่งโยงกับ light yield และการเก็บแสง) และโดยปัจจัยระบบ เช่น ความไม่เป็นสัดส่วน (nonproportionality) ของวัสดุ ความไม่สม่ำเสมอของการเก็บแสง (light collection) รวมถึงสัญญาณรบกวน/การตั้งค่าเชปปิง (noise/shaping) ในอิเล็กทรอนิกส์
ค่าที่พบทั่วไปในงานมาตรฐาน เช่น NaI(Tl) มักรายงานความละเอียด (resolution) ระดับประมาณ 6–8% ที่ 662 keV ซึ่งเพียงพอสำหรับการใช้งานจำนวนมาก แม้จะยังด้อยกว่าหัววัดกึ่งตัวนำอย่าง เอชพีจีอี (HPGe) ในเรื่องความละเอียดพลังงาน ขณะที่วัสดุสมัยใหม่บางชนิดถูกพัฒนาขึ้นเพื่อ “ดัน resolution ให้ดีขึ้น” เช่น ซีอีบีอาร์₃ (CeBr₃) ที่รายงานว่าให้ความละเอียดพลังงาน (energy resolution) ประมาณ 3.8% ที่ 662 keV พร้อมเวลาหน่วงการเรืองแสง (decay time) ราว 17 ns (เป็นจุดเด่นด้านความเร็วและกำลังจำแนกพลังงานเมื่อเทียบกับซินทิลเลเตอร์คลาสสิกหลายชนิด)
7.ตัวอย่างการใช้งานของหัววัดซินทิลเลชันในสาขาต่าง ๆ
หัววัดซินทิลเลเตอร์ถูกนำมาใช้ในงานที่หลากหลายมากในวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีนิวเคลียร์ เนื่องจากสามารถตรวจวัดรังสีได้ด้วยประสิทธิภาพสูงและมีความยืดหยุ่นในการเลือกวัสดุให้เหมาะกับประเภทของรังสีและเงื่อนไขการใช้งาน ในสาขาเวชศาสตร์นิวเคลียร์ ซินทิลเลเตอร์เป็นองค์ประกอบหลักของเครื่องตรวจวินิจฉัยทางภาพ เช่น สเปกต์ (SPECT) และเครื่องสแกนพีอีที (PET scanner) ในระบบ SPECT มักใช้ผลึก NaI(Tl) เป็นตัวตรวจวัดรังสีแกมมาที่ปล่อยจากสารเภสัชรังสี (radiopharmaceuticals) เนื่องจากให้ light yield สูงและสามารถทำผลึกขนาดใหญ่ได้ ในขณะที่ระบบ PET ต้องการความละเอียดเวลาและ stopping power ที่สูงกว่า จึงนิยมใช้ผลึกที่มีความหนาแน่นสูงและมี decay time สั้น เช่น LYSO หรือ LSO (Cherry et al., 2012)
ในงานตรวจวัดรังสีสิ่งแวดล้อมและการสำรวจทางธรณีฟิสิกส์ เครื่องวัดแกมมาภาคสนาม (portable gamma spectrometer) มักใช้ NaI(Tl) เนื่องจากมีความไวสูงและสามารถตรวจวัดความเข้มของรังสีธรรมชาติในสิ่งแวดล้อมได้อย่างรวดเร็ว ในอุตสาหกรรมพลังงานและความปลอดภัยทางนิวเคลียร์ ซินทิลเลเตอร์ยังถูกใช้ในระบบตรวจวัดรังสีเพื่อความปลอดภัย (radiation portal monitors) และระบบตรวจสอบวัสดุนิวเคลียร์ โดยเฉพาะวัสดุที่ให้ resolution ดีกว่า NaI(Tl) เช่น LaBr₃(Ce) หรือ CeBr₃ ซึ่งช่วยให้สามารถจำแนกไอโซโทปจากสเปกตรัมแกมมาได้แม่นยำขึ้น (Knoll, 2010)
ในฟิสิกส์พลังงานสูงและฟิสิกส์อนุภาค ซินทิลเลเตอร์ยังถูกใช้ในคาโลริมิเตอร์ (calorimeter) หรือแผงอาเรย์หัววัด (detector array) ขนาดใหญ่ เช่น ในการทดลองที่เครื่องเร่งอนุภาค ซึ่งต้องการวัสดุที่สามารถดูดกลืนพลังงานของอนุภาคพลังงานสูงได้อย่างมีประสิทธิภาพและให้สัญญาณที่รวดเร็ว วัสดุอย่าง BGO, PbWO₄ หรือ LYSO จึงถูกนำมาใช้ในระบบหัววัดรังสี (detector system) ที่ซับซ้อนเพื่อวัดพลังงานของอนุภาคอย่างแม่นยำ (Lecoq et al., 2016)
8. ข้อดีของหัววัดรังสีชนิดซินทิลเลเตอร์
หัววัดชนิดซินทิลเลเตอร์มีข้อดีหลายประการที่ทำให้ยังคงเป็นหัววัดรังสีที่ได้รับความนิยมอย่างกว้างขวาง แม้ว่าจะมีเทคโนโลยีใหม่ ๆ เกิดขึ้นก็ตาม
ประการแรกคือ ประสิทธิภาพในการตรวจวัดรังสีสูง โดยเฉพาะสำหรับรังสีแกมมา เนื่องจากวัสดุหลายชนิดมีความหนาแน่นและเลขอะตอมเฉลี่ยสูง ทำให้โฟตอนมีโอกาสเกิดการทำอันตรกิริยาในผลึกมากขึ้น นอกจากนี้ยังสามารถผลิตผลึกขนาดใหญ่ได้ง่ายกว่าหัววัดกึ่งตัวนำ ทำให้เพิ่มประสิทธิภาพการตรวจวัด (detection efficiency) ได้ตามต้องการ
ประการที่สองคือ การตอบสนองที่รวดเร็ว โดยเฉพาะในวัสดุที่มี decay time สั้น เช่น LYSO หรือ LaBr₃(Ce) ซึ่งเหมาะกับงานที่ต้องการการวัดเวลาอย่างแม่นยำ เช่น ดีเทคเตอร์พีอีทีแบบไทม์ออฟไฟลต์ (time-of-flight PET detector) นอกจากนี้ซินทิลเลเตอร์ยังสามารถออกแบบเป็นดีเทคเตอร์อาเรย์ (detector array) หรือระบบอิมเมจจิง (imaging) ได้ง่าย เนื่องจากสามารถตัดผลึกเป็นชิ้นเล็กและจัดเรียงร่วมกับ photodetector แบบอาเรย์ (array) เช่น SiPM ได้
ข้อดีอีกประการคือ ความยืดหยุ่นในการเลือกวัสดุ นักวิจัยสามารถเลือกวัสดุซินทิลเลเตอร์ให้เหมาะกับการใช้งาน เช่น เลือกวัสดุที่มี light yield สูงเพื่อให้ได้ energy resolution ดี เลือกวัสดุที่มี density สูงเพื่อเพิ่ม stopping power หรือเลือกวัสดุที่มี decay time สั้นสำหรับงานดีเทคเตอร์ด้านเวลา (timing detector) (Knoll, 2010; Lecoq et al., 2016)
9. ข้อจำกัดของหัววัดรังสีชนิดซินทิลเลเตอร์
แม้ว่าหัววัดซินทิลเลเตอร์จะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีข้อจำกัดที่ต้องพิจารณาเช่นกัน ข้อจำกัดสำคัญประการหนึ่งคือกำลังจำแนกพลังงาน (energy resolution) ที่ด้อยกว่าหัววัดกึ่งตัวนำ เช่น HPGe detector เนื่องจากการสร้างสัญญาณในซินทิลเลเตอร์ต้องผ่านขั้นตอนหลายกระบวนการ ได้แก่ การสร้างสถานะกระตุ้น (excitations) การปล่อยโฟตอนของแสง และการแปลงแสงเป็นโฟโตอิเล็กตรอน (photoelectrons) ใน photodetector ซึ่งแต่ละขั้นตอนมีความผันผวนทางสถิติ ส่งผลให้ความละเอียดพลังงานต่ำกว่าระบบที่สร้างประจุโดยตรงในสารกึ่งตัวนำ
อีกข้อจำกัดหนึ่งคือสมบัติการดูดความชื้น (hygroscopic) ของผลึกบางชนิด เช่น NaI(Tl) และ CsI(Tl) ซึ่งสามารถดูดความชื้นจากอากาศได้ง่าย หากไม่ได้ซีลอย่างดี ผิวผลึกจะเสื่อมสภาพและทำให้ประสิทธิภาพลดลง นอกจากนี้ซินทิลเลเตอร์บางชนิดยังมีความไม่เป็นสัดส่วนของแสง (nonproportional light yield) กล่าวคือจำนวนโฟตอนที่เกิดขึ้นไม่แปรผันตรงกับพลังงานที่ฝากในทุกช่วงพลังงาน ซึ่งเป็นสาเหตุหนึ่งที่ทำให้ energy resolution ของดีเทคเตอร์ประเภทนี้มีข้อจำกัด (Lecoq et al., 2016)
นอกจากนี้ การตอบสนองของระบบยังอาจขึ้นกับอุณหภูมิและสภาวะแวดล้อม โดยเฉพาะเมื่อใช้ photodetector แบบโซลิดสเตต (solid-state) เช่น SiPM ซึ่ง gain และสัญญาณรบกวนพื้น (dark noise) สามารถเปลี่ยนแปลงตามอุณหภูมิได้ ดังนั้นระบบตรวจวัดที่ต้องการความเสถียรสูงจึงต้องมีการควบคุมอุณหภูมิหรือระบบชดเชยค่าการทำงานของ detector
10. แนวโน้มการวิจัยและพัฒนาวัสดุซินทิลเลเตอร์
ในช่วงสองทศวรรษที่ผ่านมา การวิจัยด้านซินทิลเลเตอร์ได้มุ่งเน้นไปที่การพัฒนาวัสดุใหม่ที่ให้ light yield สูงขึ้น ความเร็วในการตอบสนองดีขึ้น และ energy resolution ที่ดีกว่าเดิม วัสดุอย่าง LaBr₃(Ce) และ CeBr₃ ได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากสามารถให้ energy resolution ที่ดีกว่า NaI(Tl) อย่างมีนัยสำคัญ ขณะเดียวกันยังมี decay time ที่สั้น ทำให้เหมาะกับงานสเปกโทรสโกปี (spectroscopy) และดีเทคเตอร์ด้านเวลา (timing detector) (Knoll, 2010)
นอกจากนี้ วัสดุประเภทการ์เนตซินทิลเลเตอร์ (garnet scintillator) เช่น GAGG(Ce) ได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเนื่องจากมีความเสถียรทางเคมีสูง ไม่ดูดความชื้น และสามารถใช้งานร่วมกับ photodetector แบบ SiPM ได้ดี ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบสำคัญสำหรับหัววัดรังสีรุ่นใหม่ที่ต้องการขนาดกะทัดรัดและทนทานต่อสภาพแวดล้อม
อีกแนวโน้มหนึ่งคือการพัฒนาซินทิลเลเตอร์โครงสร้างระดับนาโน (nanostructured scintillator) และซินทิลเลเตอร์เพอรอฟสไกต์ (perovskite scintillator) ซึ่งมีศักยภาพในการปรับแต่งคุณสมบัติทางแสงและการเรืองแสงได้อย่างละเอียด รวมทั้งการใช้วิศวกรรมโฟโตนิกส์ (photonic engineering) เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเก็บแสงภายในหัววัดรังสี โดยการควบคุมโครงสร้างระดับนาโนของวัสดุ (Lecoq et al., 2016)
11. การเปรียบเทียบหัววัดรังสีประเภทต่าง ๆ
เพื่อให้เห็นภาพรวมของหัววัดรังสีที่ใช้ในงานตรวจวัดรังสี สามารถเปรียบเทียบหลักการทำงานของหัววัดชนิดต่าง ๆ ได้ดังนี้
ชนิดหัววัด (Detector Type)& หลักการทำงาน
ห้องไอออไนเซชัน (Ionization chamber) วัดประจุที่เกิดจากการก่อให้เกิดไอออนในก๊าซ
เคาน์เตอร์ไกเกอร์–มึลเลอร์ (Geiger–Müller counter) การทวีคูณแบบอะวาลานช์ (avalanche multiplication) ในก๊าซ
หัววัดซินทิลเลชัน แปลงพลังงานรังสีเป็นแสง แล้วแปลงเป็นสัญญาณไฟฟ้า
หัววัดสารกึ่งตัวนำ สร้างคู่อิเล็กตรอน–โฮล (electron–hole pair) โดยตรงในผลึกกึ่งตัวนำ
หัววัดรังสีชนิดบรรจุก๊าซมีข้อดีด้านความเรียบง่ายและความทนทาน แต่ไม่สามารถให้ข้อมูลพลังงานได้ละเอียด ในขณะที่หัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ เช่น HPGe ให้ energy resolution สูงมากแต่ต้องใช้ระบบทำความเย็นและมีต้นทุนสูง ดังนั้นหัววัดซินทิลเลชันจึงอยู่ในตำแหน่งกึ่งกลางระหว่างสองเทคโนโลยีนี้ โดยให้ประสิทธิภาพในการตรวจวัดสูง ใช้งานง่าย และต้นทุนต่ำกว่าหัววัดรังสีชนิดสารกึ่งตัวนำ ทำให้ยังคงเป็นหัววัดรังสีที่ใช้แพร่หลายที่สุดในงานตรวจวัดรังสีหลายสาขา (Knoll, 2010)
การปรับแต่งวัสดุซินทิลเลเตอร์ CsI ด้วยการเติมสารเจือ (Dopant Engineering in CsI-Based Scintillator Materials)
ซีเซียมไอโอไดด์ (CsI) เป็นวัสดุซินทิลเลเตอร์ที่มีความสำคัญมาอย่างยาวนาน เนื่องจากมีเลขอะตอมเฉลี่ยค่อนข้างสูง มีประสิทธิภาพในการดูดกลืนรังสีดี และสามารถผลิตได้ทั้งในรูปผลึกขนาดใหญ่และฟิล์มบาง โดยทั่วไปวัสดุ CsI ที่ใช้เป็นซินทิลเลเตอร์มักถูกกระตุ้นด้วยสารเจือชนิดตัวกระตุ้น (activator) เช่น ทัลเลียม (Tl) หรือโซเดียม (Na) ซึ่งทำหน้าที่สร้างศูนย์กำเนิดการเรืองแสง (luminescence centers) เพื่อให้เกิดการรวมตัวของประจุแบบปล่อยแสง (radiative recombination) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิจัยได้ให้ความสนใจมากขึ้นต่อการปรับแต่งสมบัติของ CsI ผ่านการเติมสารเจือชนิดอื่น ๆ เพื่อควบคุมสมบัติทางแสง สมบัติทางไฟฟ้า และการตอบสนองต่อรังสีของวัสดุ แนวทางการปรับแต่งด้วยสารเจือนี้มีเป้าหมายเพื่อควบคุมโครงสร้างข้อบกพร่อง (defect) การเคลื่อนที่ของตัวพาประจุ (carrier transport) และกระบวนการรวมตัวของประจุภายในวัสดุ ซึ่งอาจนำไปสู่การปรับปรุงประสิทธิภาพของการเรืองแสงและเปิดโอกาสให้เกิดโครงสร้างหัววัดรังสีแบบผสมผสานกับอุปกรณ์กึ่งตัวนำในอนาคต (Lecoq et al., 2016)
ในวัสดุซินทิลเลเตอร์กลุ่มอัลคาไลฮาไลด์ (alkali halides) เช่น CsI การเติมสารเจือสามารถส่งผลต่อทั้งโครงสร้างผลึกและโครงสร้างพลังงานอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุได้ อะตอมของสารเจืออาจสร้างระดับพลังงานเฉพาะที่ภายในแบนด์แกป (bandgap) ทำหน้าที่เป็นศูนย์ดักจับประจุ (carrier trapping centers) หรือส่งผลต่อการเกิดข้อบกพร่อง (defect) ภายในโครงผลึก เช่น แวเคนซี (vacancy) และอินเตอร์สติเชียล (interstitial) การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้สามารถส่งผลโดยตรงต่อการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนและโฮล กระบวนการดักจับประจุ และการรวมตัวของประจุ ซึ่งเป็นกระบวนการพื้นฐานที่กำหนดประสิทธิภาพการเรืองแสงและลักษณะการปล่อยแสงของวัสดุซินทิลเลเตอร์ (Knoll, 2010) ดังนั้น การศึกษาผลของสารเจืออย่างเป็นระบบจึงมีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคของวัสดุและสมรรถนะในการตรวจวัดรังสี
ในงานวิจัยช่วงหลัง ได้มีการศึกษาการเติมสารเจือหลายชนิดในวัสดุ CsI นอกเหนือจาก activator แบบดั้งเดิม โดยเฉพาะธาตุในกลุ่มแอลคาไลน์เอิร์ท (alkaline-earth) เช่น แคลเซียม (Ca) และสตรอนเทียม (Sr) ซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นตัวปรับโครงสร้างแลตทิซ (lattice) ของผลึก การแทนที่ตำแหน่งของ Cs⁺ ด้วยไอออนสองประจุ เช่น Ca²⁺ หรือ Sr²⁺ อาจทำให้เกิดข้อบกพร่องเพื่อการชดเชยประจุ (charge-compensating defects) หรือเปลี่ยนแปลงสนามผลึกเฉพาะที่ (local crystal field) ภายในโครงสร้างของวัสดุ ปรากฏการณ์ดังกล่าวสามารถส่งผลต่อกลไกการดักจับประจุและการรวมตัวของอิเล็กตรอนและโฮล ซึ่งท้ายที่สุดอาจมีผลต่อประสิทธิภาพการเรืองแสงและลักษณะการตอบสนองต่อรังสีของวัสดุ
นอกจากธาตุกลุ่มแอลคาไลน์เอิร์ท (alkaline-earth) แล้ว ยังมีการศึกษาการเติมสารเจือที่เกี่ยวข้องกับวัสดุกึ่งตัวนำ เช่น ซิลิคอน (Si) เพื่อปรับแต่งสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของ CsI การเติมซิลิคอนอาจทำให้เกิดระดับพลังงานเพิ่มเติมภายในแบนด์แกป (bandgap) หรือส่งผลต่อโครงสร้างแบนด์ (band structure) ของวัสดุ ซึ่งสามารถมีผลต่อการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุและกระบวนการรวมตัวของประจุได้ การปรับแต่งสมบัติเช่นนี้มีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการพัฒนาหัววัดรังสีแบบผสมผสานระหว่างซินทิลเลเตอร์และกึ่งตัวนำ (hybrid scintillator–semiconductor detectors) ซึ่งวัสดุซินทิลเลเตอร์ถูกนำมารวมกับฐานรองกึ่งตัวนำเพื่อสร้างโครงสร้างอุปกรณ์ตรวจวัดรังสีรูปแบบใหม่
ในอีกด้านหนึ่ง การเติมโลหะทรานซิชัน (transition metal) เช่น ทองแดง (Cu) ก็ได้รับความสนใจเช่นกัน เนื่องจาก Cu อาจทำหน้าที่เป็นศูนย์กำเนิดการเรืองแสง (luminescence center) ในวัสดุฮาไลด์หลายชนิด ศูนย์กำเนิดแสงที่เกี่ยวข้องกับ Cu สามารถสร้างเส้นทางการรวมตัวของประจุแบบปล่อยแสงทางเลือก ซึ่งอาจนำไปสู่การเปลี่ยนแปลงของสเปกตรัมการปล่อยแสงและจลนพลศาสตร์การเรืองแสง (luminescence kinetics) การปรับแต่งคุณสมบัติดังกล่าวอาจเปิดโอกาสให้สามารถออกแบบวัสดุซินทิลเลเตอร์ที่มีคุณสมบัติทางแสงเฉพาะสำหรับการใช้งานหัววัดรังสีแบบเฉพาะทาง
การศึกษาทดลองเกี่ยวกับฟิล์ม CsI ที่เตรียมด้วยเทคนิคสปัตเตอริง (sputtering) และมีการเติมสารเจือหลายชนิด พบว่าการเติมสารเจือสามารถส่งผลต่อสมบัติของวัสดุอย่างมีนัยสำคัญ ทั้งในด้านโครงสร้างผลึก สมบัติทางแสง และสมบัติทางไฟฟ้า การศึกษาฟิล์ม CsI ที่มีการเติมสารเจือ เช่น Ca, Sr, Si และ Cu แสดงให้เห็นว่าชนิดของสารเจือสามารถส่งผลต่อสัณฐานวิทยา (morphology) ของผลึก พฤติกรรมของแบนด์แกปเชิงออปติค (optical bandgap) และคุณสมบัติการนำไฟฟ้าของวัสดุ ซึ่งสะท้อนให้เห็นว่าการควบคุมชนิดและปริมาณของสารเจือมีบทบาทสำคัญต่อการปรับแต่งสมบัติของวัสดุ CsI สำหรับการตรวจวัดรังสี
โดยเฉพาะอย่างยิ่ง งานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับฟิล์ม CsI ที่ปลูกเคลือบบนฐานรองซิลิคอน ได้แสดงให้เห็นว่าการเติมสารเจือสามารถส่งผลต่อสมบัติการดูดกลืนแสง สมบัติการนำไฟฟ้า และพฤติกรรมการตอบสนองต่อรังสีของวัสดุได้อย่างชัดเจน ผลลัพธ์ดังกล่าวชี้ให้เห็นว่าวัสดุ CsI ที่ถูกปรับแต่งด้วยสารเจืออาจเป็นแพลตฟอร์มที่มีศักยภาพสำหรับการพัฒนาหัววัดรังสีรุ่นใหม่ ซึ่งรวมกลไกการเกิดแสงจากซินทิลเลเตอร์เข้ากับกลไกการตรวจวัดประจุของอุปกรณ์กึ่งตัวนำในโครงสร้างเดียวกัน
โดยสรุป การปรับแต่งวัสดุ CsI ด้วยการเติมสารเจือถือเป็นแนวทางที่มีศักยภาพสูงในการควบคุมสมบัติของวัสดุซินทิลเลเตอร์ ทั้งในด้านประสิทธิภาพการเรืองแสง ลักษณะการปล่อยแสง และสมบัติการเคลื่อนที่ของตัวพาประจุ การเลือกชนิดและปริมาณของสารเจืออย่างเหมาะสมอาจนำไปสู่การพัฒนาวัสดุซินทิลเลเตอร์รุ่นใหม่ที่มีสมรรถนะดีขึ้น และสามารถทำงานร่วมกับเทคโนโลยีหัววัดรังสีสมัยใหม่ เช่น photodetector แบบโซลิดสเตต (solid-state) หรือโครงสร้างหัววัดรังสีแบบลูกผสม (hybrid) ได้อย่างมีประสิทธิภาพ
Around Radiation Detectors 
ใส่ความเห็น