GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN EDEBİYAT FAKÜLTESİ FİZİK BÖLÜMÜ FİZ-452 NÜKLEER FİZİK LABORATUVARI DENEY KİTAPÇIĞI

Transkript

1 GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN EDEBİYAT FAKÜLTESİ FİZİK BÖLÜMÜ FİZ-452 NÜKLEER FİZİK LABORATUVARI DENEY KİTAPÇIĞI PROF. DR. A.GÜNEŞ TANIR DOÇ. DR. MUSTAFA HİCABİ BÖLÜKDEMİR ARŞ. GÖR. ERSİN ÇİÇEK DOÇ. DR. AYNUR ÖZCAN TATAR ARŞ. GÖR. NİSA NUR AKTI ARŞ. GÖR. CEREN TAYRAN

2 FİZİK BÖLÜMÜ ÖZEL DEĞERLENDİRMELİ DERS OLARAK LİSANS LABORATUVARLARI UYGULAMA KURALLARI Bölümümüz lisans programında bulunan tüm laboratuar derslerinde devam ve değerlendirme için geçerli olan esaslar aşağıda verilmiştir. Ön Sınav: Yapılacak deneyler ile ilgili olarak öğrencinin deneye hazır olup olmadığını belirlemeye yönelik, deneye başlayabilmenin ön şartı olan teorik bir sınavdır. 100 puan üzerinden değerlendirilir ve 40 puandan daha az alan öğrenciler deneye alınmaz. Bu öğrenciler telafiye kalır. Bir öğrencinin telafiye kalabileceği maksimum deney sayısı 2 dir. Ön Çalışma: Öğrenciler yapılacak deneyle ilgili devre v.b. sistemleri kurabilecek ön bilgiye sahip olmalıdırlar. Ayrıca rapor yazmak için gerekli olan ön çalışmayı yapıp gelmeleri gerekir. Ön çalışmayı yapmayan öğrenci, hazırlıksız gelmiş olduğundan deneye alınmayabilir. Rapor: Her deney sonunda yazılacak olan rapor, yapılan deneyi bütünleştiren bir çalışmadır ve deney saati içinde yazılmalıdır. Raporlar her deney sonunda hazırlanır ve 100 üzerinden değerlendirilir. Telafi: Öğrencinin ön hazırlıksız olduğundan dolayı yapamadığı bir deneydir. Telafi deneyi öğrencinin deneyin yapılışını öğrenmesi için yapılır. Telafi deneylerinde ön sınav ve raporlara not verilmez. Ancak öğrenci deney sonunda rapor hazırlamalıdır. Telafi deneyine katılmayan öğrenci, ilgili deneyden devamsız sayılır. Devamsız olduğundan dolayı yapılamayan deneylerin telafisi yapılmaz. Ara Sınavı: Dönem içinde teorik olarak yapılan bir sınavdır. Sınavda genel olarak rapor hazırlar gibi deney verileri verilerek öğrencinin deneyin yapılışı ve önemi üzerinde bilgisi yoklanır. 100 üzerinden değerlendirilir. Dönem sonu sınavı: İki aşamadan oluşur. İlk aşamada öğrencilerin hepsine aynı anda 45 dak.-1 saat lik teorik bir sınav yapılır. 100 üzerinden değerlendirilir. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 2

3 İkinci aşamada öğrenciler tek tek alınarak kura sonucu herhangi bir deneyi yapması ve bu deney ile ilgili bir işlem yapması istenir 100 üzerinden değerlendirilir. Yapılan teorik sınavın %40 ı, uygulamalı sınavın %60 ı toplanarak final notu 100 puan üzerinden hesaplanır. Başarı notu: G.Ü Eğitim-öğretim sınav yönetmeliğinin 13. maddesinde Özel Değerlendirmeli Dersler başlığı altında ifade edildiği şekliyle başarı notu; dönem içi çalışmaların (ön sınav +rapor notlarının) %30 u, vize notunun %30 u ile dönem sonu sınavının %40 ının toplamı sonucu belirlenir. Devamsızlık Durumu: Dersle ilgili deney sayısının % 30 una gelmeyen öğrenci devamsız sayılır ve sonraki deneylere katılamaz. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 3

4 İÇİNDEKİLER A-GENEL BİLGİLER 1- Laboratuvarda Çalışma Kuralları 2- Grafik Çizimi 3- Deney Raporunun Oluşturulması 4- Sayım Sistemleri 5- Nükleer Radyasyonun Ölçümü B-DENEYLER DENEY 1 Sayma İstatistiği 17 DENEY 2 Geiger Müller (G-M) Tüpünün Çalışma Voltajının Tayin Edilmesi 24 DENEY 3 Geiger Müller (G-M) Tüpü Kullanılarak Radyoaktif Bir Kaynak İçin 30 Ters Kare Yasasının İncelenmesi DENEY 4 β - Parçacıklarının Soğurulması ve β- Bozunma Enerjisinin Tayini 34 DENEY 5 Cs 137 γ Kaynağının Spektrumunun Çizilmesi ve Sintilasyon Dedektörlerinin Çalışma Voltajının Tayini 41 DENEY 6 Gamma Işınlarının Soğurulması İle Kütle Azalma Katsayısının 45 Ölçülmesi DENEY 7 Radyasyon Soğurulması Metoduyla Kalınlık Tayini 49 DENEY 8 Sis Odasında α-parçacıklarının gözlenmesi 52 Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 4

5 A- GENEL BİLGİLER LABORATUVARDA ÇALIŞMA KURALLARI l- Laboratuara yiyecek, içecek getirilmesi ve tüketilmesi kesinlikle yasaktır. 2- Laboratuara gelmeden önce yapacağınız deneyi ve deneyle ilgili konuları okuyunuz. 3- Laboratuar dersine deney Kılavuzunu mutlaka getiriniz. 4- Laboratuardaki aletlere deney yöneticisinin bilgisi dışında dokunmayınız. Bilgisiz kullanım aletlerin ayarlarını bozacağı gibi aletlerin arızalanmasına da yol açabilir. 5- Laboratuarda kullanılan aletler hassas olduğu için, aletlerin hor kullanımının ömürlerini azaltacağını unutmayınız. 6- Bu laboratuarda yapılan deneyler ölçüm işleminden ziyade yoruma dayalı deneyler olduğu için deneyin her aşamasında deney arkadaşlarınızla elde ettiğiniz ölçümleri ve sonuçları tartışınız. 7- Laboratuarda sessiz çalışılması esastır. 8- Radyoaktif kaynakların kullanımına dikkat ediniz, vücudunuzun herhangi bir kısmına yerleştirmeyiniz. 9- Radyoaktif kaynağı kullanmadığınız durumlarda aldığınız kutunun içerisine koyunuz. 10- Laboratuar dersi sonunda deney masalarının temiz bırakılması gerektiğini unutmayınız. GRAFİK ÇİZİMİ Her fizik laboratuarında olduğu gibi bu laboratuarda da çeşitli grafikler çizilecektir. Deneysel hatalar çerçevesinde; genel olarak bir grafik çizerken: - Bağımsız değişken x-ekseninde, bağımlı değişken de y-ekseninde yer almalıdır. Bağımlı değişkenin değerlerinin bağımsız değişkene bağlı olarak, bağımsız değişkenin değerlerinin de isteğe göre değiştiği unutulmamalıdır. - Eksen üzerindeki aralıklar belirlenirken değerlerin sıfırdan başlaması zorunlu değildir. Verilere bağlı olarak koordinat başlangıç değerleri değiştirilebilir. Örneğin; x-ekseni 2 birim aralıkla seçilmişse y-ekseni 4 birim aralıkla çizilebilir. - Çizilen grafiğin isimlendirilmesi, grafiği çizen kişiye ait bilgiler ve deney numarası mutlaka belirtilmelidir. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 5

6 DENEY RAPORUNUN OLUŞTURULMASI Konuların anlaşılması, hipotezlerin geçerliliğinin kontrolü, bazı bilgilerin öğrenilmesi ve geliştirilmesi, daha iyi kavrama vb. için deneylerin yapılmasına ve bu deney sonuçlarının rapor olarak sunulmasına ihtiyaç duyulur. Sunulan rapor, okuyucunun bu deneyin neden yapıldığına, ne tür aletlerin kullanıldığını, verilerin nasıl elde edildiğini ve yapılan deneyden ne gibi sonuçlar çıkarıldığını anladığını belirten nitelikte olmalıdır. - Deneyin adı: Rapor başlığı deney ile ilgili olmalı, deney içeriğini yansıtmalıdır. - Deneyin amacı: Deneyin yapılma nedeni açık olarak belirtilmelidir. - Deneyde kullanılan aletler: Deneyin yapımı sırasında kullanılan gerekli aletler, malzemeler belirtilmelidir. - Teorik bilgi: Deneyin dayandığı konular, kapsadığı alanlar ve ilgili bağıntılar belirtilmelidir. (Hazırlık çalışmalarında belirtilen soruların cevaplarını kapsayacak şekilde teorik bilgi oluşturulmalıdır.) - Deneyin yapılışı: Deneyi yapanın; verileri nasıl elde ettiğini, hangi deneysel düzeneğin kullandığını açıkça belirtmesi gerekir. İlgili deneyde, deneyin yapılışı bölümündeki (deney kılavuzundaki) sıraya uyulmalıdır. - Veriler: Alınan veriler uygun bilgilerle ve birimleriyle belirtilmelidir. - Hesaplamalar: Alınan verilerden yararlanılarak yapılan hesaplamalar düzgün bir şekilde belirtilmelidir. - Sonuçlar: İlgili hesaplamalar ile elde edilen sonuçlar düzgün bir şekilde belirtilmelidir - Yorum: Raporun en önemli kısmını oluşturmaktadır. Hesaplamaların yapılması deney sonucunun tam anlaşılmasına yeterli olmayabilir. Bu bakımdan, bulunan hesap sonuçlarıyla çizilen grafiklerin birleştirilip sentezlenmesi, varılan kararlar ve bunların sonucunda yargılar, teklifler ve düşünceler burada ayrıntılarıyla verilmelidir. - Kaynaklar: Raporun hazırlanmasında yararlanılan her türlü kitap, dergi, makale, ansiklopedi, vb. kaynak gösterimi kurallarına uygun olarak belirtilmelidir. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 6

7 1. SAYIM SİSTEMLERİ Radyasyon ölçüm laboratuarında planlanan deneylerde, ST7 ve SR8 sayım sistemleri, Geiger Muller ve Sintilasyon dedektörleri, 14 C( - ), Ra(, ) 137 Cs(, - ), 137 Cs(,), 204 Tl ( - ), 90 Sr( - ), 210 Po(,) ve 60 Co( ) kaynakları ile birlikte kullanılacaktır. ST7 Sayım Sistemi: Scaler timer ST7, sintilasyon sayacı (S.C) veya Geiger Muller (G.M) gibi iki tip dedektörden gelen sinyallerin işlenmesinde kullanılır. Her iki dedektör de ST7 ye tek bir kablo ile bağlanır. Bu tek kablo dedektöre bir yandan yüksek gerilim verirken diğer yandan da dedektör sinyallerinin ST7 ye ulaşmasını sağlar. Dedektör tipine göre ST7 yi ayarlamak için ön paneldeki anahtar (Sc/Gm) kullanılır. Dedektörden çıkan sinyaller, ST7 içerisindeki yükselteçten geçtikten sonra darbe, yükseklik analizörüne gelir ve sonuçta belirli genlikteki darbeler sayıcıya ulaşır. Darbe modunda çalışan bir dedektörde, analizördeki her darbelerin genliği, dedektörde etkileşimi yapan radyasyon tarafından oluşturulan enerji ile ilgili bilgi verir. Darbelerin genliklerinin analiz edilmesi her bir etkileşimde soğurulan radyasyon enerjisinin saptanmasını sağlayabilir. Bu nedenle ST7 scaler timer ile darbe genlik bilgisinin elde edilmesi iki şekilde olur. Birincisinde verilen bir eşik (Threshold) değerinin üzerinde açılan pencere (window) içerisindeki (yani istenilen genlik aralığındaki) darbeler (differential mod da), ikincisi ise yine bir eşik (Threshold) değerinin üzerindeki tüm çıkış darbeleri ( integral modda) sayılır. Tüm bu ayarlar, ST7 nin ön panelindeki anahtar ( Differantial-integral mode) ve potansiyometreler ( Window- Threshold) yardımı ile yapılır. Darbe yükseklik analizöründeki darbeler, zaman kontrollü bir mikro işlemcide sayılır. Yine ST7 nin ön panelinde bulunan anahtarlar yardımıyla maksimum sayım zamanı (PRESENT TİME) veya sayılacak toplam sayım (PRESENT COUNT) ayarlanabilir. Sayım sırasında sayım zamanı (TIME), sayım sayısı (COUNTS) veya bir önceki saniye için sayım hızı (RATE) izlenebilir. SR8 Sayım Sistemi: Scaler ratemeter SR8, nükleer radyasyon dedektörlerinden gelen darbelerin yükseltilmesini, işlenmesini, ve sayılmasını sağlar. İki tane tek kanallı analizör içerir. ST7 den tek farkı, sistem kontrollerinin sayısal olmasıdır. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 7

8 2. NÜKLEER RADYASYON ÖLÇÜMÜ Nükleer radyasyon ölçmek için kullanılan tüm dedektörler benzer özelliklere sahiptirler. Radyasyon dedektöre girer, dedektör materyalinin atomlarıyla etkileşir (enerjisinin tamamını veya bir kısmını kaybeder) ve atomik yörüngelerden düşük enerjili elektronlar salınmasına neden olur. Bu elektronlar, analiz için elektronik devre tarafından ya akım atması ya da voltaj şekline dönüştürülür. Dedektör materyalinin seçimi ölçülecek radyasyon tipine ve hakkında mevcut bilgiye bağlıdır. Radyoaktif bozunma sonucu salınan parçacıkları veya nükleer reaksiyonlardan yayınlanan düşük enerjili yüklü parçacıklar için çok ince pencereli dedektör gereklidir. Çünkü bu parçacıkların katılardaki maksimum menzili 100µm den küçüktür. bozunumlarında yayınlanan elektronlar için bu kalınlığın 0,1-1 mm arasında olması gerekirken lar için bu aralık daha fazladır ve hatta 5 cm kalınlıklı dedektörler yüksek enerjili fotonları (MeV veya daha fazla) elektronik atmalara çevirmek için yeterli olmayabilir. Radyasyonun sadece varlığını göstermek için Geiger sayacının bilinen sesi yeterli olur. Gelen tüm radyasyonlar aynı çıkış sesini verirler. Radyasyonun enerjisini ölçmek için çıkış atma genliğinin radyasyon enerjisi ile orantılı olduğu dedektörler seçilmelidir. Bu da, salınacak elektronların sayısının fazla olacağı dedektör materyali seçmekle mümkün olur. İstatistiksel sapmalar hatalar oluştursa da bu, enerjiyi ölçebilmeyi çok fazla etkilemez. Radyasyonun yayınlandığı anı tespit edebilmek, elektronların hızla atma haline geçebileceği materyali seçmekle mümkündür. Elektron sayısının fazlalığı daha az önemlidir. Parçacığın tipini tespit etmek için öyle bir materyal seçilmelidir ki, parçacığın yük ve kütlesi için fark edilebilir işaretler elde edilebilmelidir. Radyasyonun spin ve polarizasyonunu ölçmek için faklı spin ve polarizasyon durumlarını ayırıp çözebilen dedektörlere gereksinim duyulur. Eğer alışılmışın dışında yüksek sayım hızı bekliyorsak arka arkaya gelen her bir radyasyonu çabucak tespit edebilecek dedektör seçilmelidir. Düşük sayım hızlarının nedenlerinden biri taban sayımıdır; girişimi göz önüne alınıp çıkarılmalıdır. Bu bölümde, bu gereksinimlerden bir veya daha fazlasını sağlayan çeşitli dedektör tiplerini tartışacağız. Tüm bu gereksinimlerin hepsini sağlayan tek bir dedektör tipi yoktur. Tartışmamız en fazla karşılaşılan nükleer reaksiyon veya nükleer bozunmalardaki radyasyonlarla kısıtlanacaktır. Bunlar; göreceli olmayan enerjilerde ağır yüklü parçacıklar (protonlar, lar), göreli elektronlar, x ve bölgesindeki fotonlardır. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 8

9 2.1 Radyasyon Dedektörleri 1- Gazlı Sayaçlar Nükleer radyasyon dedektörlerinin pek çoğu, dedektöre gelen radyasyonun oluşturduğu iyonları (veya elektronları) ayırmak ve saymak için bir elektrik alan kullanımına dayanır. En basit tipte dedektör iyonizasyon odası dır. Bunlar, plakalarının arasına gaz (daha çok hava) doldurulmuş paralel düzlem kondansatörlerdir. Plakalar arasındaki elektrik alanı, iyonların elektronlarla tekrar birleşmesini engeller. Elektron bulutu pozitif potansiyelde tutulan plakaya doğru sürüklenirken, yüklü iyonlar da diğer plakaya doğru sürüklenir. Havada bir iyon üretmek için gerekli enerji 34eV dur. Böylece bir MeV lik radyasyon maksimum iyon veya elektron üretimine neden olur. Orta büyüklükte bir oda (örneğin 10x10cm lik, 1cm aralıklı plakalar) için sığa 8, F dır ve oluşan voltaj atmaları, 4 19 (3.10 iyon)(1,6.10 coul / iyon) 12 8,9.10 F 0,5mV Bu nispeten küçük bir sinyaldir. Analizden önce, standart elektronik düzenlemelerle sinyal yükseltilmelidir. ( 10 4 çarpanı kadar) Sinyal genliği, oluşan iyonların sayısı ile doğru orantılıdır. Bu da radyasyonun verdiği enerji ile orantılı demektir. Ancak plakalar arasındaki voltajdan bağımsızdır. Uygulanan voltaj, elektrotlar arasında sürüklenen iyon ve elektron bulutunun hızlarını belirler. Tipik bir voltaj kabaca 100V dur, iyonlar 1m/s hızla hareket ederler ve 0,01s de 1cm lik odayı geçerler (Elektronlar daha hareketlidir ve 1000 kat daha hızla hareket ederler.) Nükleer sayma standartlarına göre bu süre son derece uzun bir zamandır (1µCi lik zayıf bir kaynak her 30µs de ortalama 1 bozunma verir.) ve iyon odaları her atması saymada kullanılamaz. Radyasyon monitörü olarak geniş bir kullanım alanı bulur ve pek çok ticari radyasyon monitörleri gerçekte iyon odalarıdır. Radyasyon şiddeti; sayacın cevap süresi esnasında pek çok radyasyon etkileşmesini gösteren akım olarak kaydedilir. Çıkış akımı hem kaynağın aktivitesi ile hem de radyasyonların enerjileriyle orantılıdır. Daha yüksek enerjili radyasyonlar daha çok iyonizasyona neden olurlar ve tepki daha büyük olur. Bir gazlı dedektör, her bir atmayı gözlemek için kullanılmak istenirse atmalar önemli derecede yükseltilmelidir. Bunu yapmanın yollarından biri voltajı daha fazla arttırmaktır. (Genellikle 1000V kadar.) Daha büyük elektrik alan, iyonizasyon işlemi sonucu çıkan elektronları daha çok hızlandırır ve gaz atomlarıyla daha çok elastik çarpışmalar yaparak sürüklenen elektronlar bu kez inelastik çarpışmalar yapmak için gerekli enerjiyi kazanabilirler ve hatta yeni iyonize olmuş atomlar üretebilirler. İkincil iyonizasyonun üretimi ile olan hızlı yükselmeye Towsend Çığı denir. Her birincil iyon için çok sayıda ( ) ikincil olay olmasına rağmen, sayaç daima, ikincil Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 9

10 olayların sayısını ilk olayların sayısı ile orantılı olacak şekilde çalışır. Bu yüzden de bu sayaçlara Orantılı Sayaç denir. Bir orantılı sayacın geometrisi genellikle Şekil 2.1 de gösterildiği gibi silindiriktir. Bu geometride bir r yarıçapındaki elektrik alan aşağıdaki gibi ifade edilir. (V elektrotlar arasındaki voltajdır) E(r) = V rln( b a ) Burada b katodun iç yarıçapı; a da anot telinin dış yarıçapıdır. Elektron-iyon çığlarının anot telinin kenarındaki yüksek alan bölgesinde oluşacakları aşikardır. Şekil 2.1. Silindirik yapıda bir orantılı sayacın geometrisi Gelen radyasyon çok sayıda elektron iyon çiftleri oluşturur. Elektronlar anot telinin yakınlarına kadar yavaşça sürüklenirler. Burada hızlanırlar ve çok sayıda ikincil iyonizasyona neden olurlar. Ancak bu bölge sayaç hacminin çok küçük bir kısmıdır. İlk iyonların aşırı artmaları bu merkezcil bölgeden uzaklaşmaya neden olur ve elektronlar yavaş yavaş çığ işlemine başlayana dek sürüklenirler. Orantılı sayacın çıkış sinyalleri esas olarak çok hızlı oluşan çığ işleminden kaynaklandığı için, zaman tespiti, ilk iyonların oluştuğu noktadan çığın oluştuğu anot telinin civarına kadar ilk elektronların sürüklenme zamanı olarak bulunur. Bu zaman µs mertebesindedir ve sayaç 10 6 /s mertebesinde sayım hızındaki atma modunda çalıştırılabilir. Eğer elektrik alan daha da büyük değerlere çıkarılırsa ikincil çığlar oluşur. Bunları ilk çığdaki uyarılmış atomlar tarafından yayınlanan fotonlar başlatır. Bu fotonlar ilk çığın olduğu bölgeye göre biraz daha uzakta hareket ederler ve hemen hemen tüpün tamamı işleme katılmış olur. Yükselme faktörü kadardır. Bütün tüp bir olay için işleme katıldığından orijinal radyasyon enerjisi hakkında tam bir bilgi mevcut değildir, gelen bütün radyasyonlar özdeş çıkış atmaları Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 10

11 üretirler. Bu çalışma bölgesine Geiger-Müller bölgesi denir ve sayaçlar bu prensibe dayandıkları için genellikle Geiger sayacı olarak bilinirler. Geiger sayaçları portatif radyasyon monitörleridir. Bir Geiger sayacının çıkış sinyalleri pek çok çığ işlemi sonucu birikmiş elektronları içerir. Bu sinyal 1V mertebesindedir ve genellikle daha fazla yükselme gerekli değildir. Elektronların birikme zamanı 10-6 s kadardır. Bu sürede pozitif iyonlar çığ bölgesinden çok uzağa gidemezler. Böylece anot teli civarı pozitif yüklü iyon bulutuyla çevrilir. Bu bulut elektrik alan şiddetini düşürür ve sonunda çığ işlemi durur. Pozitif iyonların katoda sürüklenmeleri ve nötralize olmalarıyla işlem tamamlanır.( s içinde), fakat bu süredeki hareketleri esnasında iyonlar hızlanırlar ve katottan elektron sökebilecek kadar yeterli enerji kazanabilirler ve işlem tekrar başlamış olur. (Geiger tüpündeki çoğalan çığ işleminin doğasından dolayı çıkış atmasını yaratan tek bir elektrondur). Sürekli artıştan korunmak için tüpe 2. bir tür gaz eklenir, buna söndürücü gaz denir. Söndürücü gaz genellikle, etanol gibi, karmaşık organik moleküllüdür. Orijinal gaz genellikle argon gibi basit moleküllü bir gazdır. Tipik bir karışım %90 argon ve %10 etanoldur. Çoğunluğunu argon gazının içerdiği yükler (+ yüklü) katoda doğru sürüklenmeye başlarlar. Söndürücü gaz atomlarıyla yaptıkları çarpışmalar sonucu bu atomların elektronlarıyla birleşebileceklerdir. Böylece argon nötralize olmuş olur ve iyonize olan etanol katoda doğru sürüklenmeye başlar ve katoda ulaştığında nötralize olur. Daha önce katottan bir elektron çıkarmaya giden enerji şimdi molekülün ayrışması için soğurulabilir. (Bu işlem basit argon atomları için mümkün değildir.) Söndürücü gaz böylece yavaş yavaş kullanılıp bitirileceği için Geiger tüpü periyodik olarak değiştirilmelidir. Bazı Geiger tüpleri de söndürücü gaz olarak halojenler kullanılarak yapılırlar. Bu, ayrılmış moleküllerin tekrar bir araya gelmesi için tüpü yenilemek gereksinimini ortadan kaldırır. Gazlı sayaçların çalışma bölgeleri Şekil 2.2 de özetlenmiştir. Uygulanan düşük voltajlarda ilk elektron ve iyonlar tekrar birleşebilirler. V potansiyeli arttırıldıkça, iyon odası bölgesine ulaşılır; buradaki çıkış atmaları radyasyon tarafından üretilen birincil iyonlaşma ve radyasyon enerjisi ile orantılıdır, fakat V potansiyelinden bağımsızdır. Orantılı bölgede, analizi daha kolay hale getirmek için, atma genliği V ile artar, fakat çıkış atmaları hala üretilen iyonizasyon süresinde radyasyon enerjisi ile orantılıdır. Son olarak, Geiger platosuna ulaşılır, burada tüm radyasyonlar aynı çıkış atmalarını verirler, radyasyonun enerjisi veya ilk iyonlaşmanın miktarı önemli değildir. G-M bölgesinde tüm radyasyonlar aynı çıkış atmasını verirler. Diğer bölgelerde çıkış yüksekliği ilk iyonizasyon boyunca radyasyon tarafından aktarılan enerji ile orantılıdır. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 11

12 Şekil 2.2. Farklı iki enerjili radyasyonlar aynı çıkış atmasını verirler. Diğer bölgelerde çıkış yüksekliği ilk iyonizasyon boyunca radyasyon tarafından aktarılan enerji ile orantılıdır. 2-Sintilasyon Dedektörleri Gazlı dedektörlerin dezavantajlarından biri, nükleer fizikle ilgili pek çok radyasyon için düşük verimli olmalarıdır. 1MeV lik ların havadaki menzilleri 100 m civarındadır. Katı dedektörlerin yoğunluklarının fazla olması uygun soğurulma olasılıklarına neden olur. Ancak çalışabilir bir katı dedektör yapmak için çelişen iki ölçütü sağlamak gerekir. 1- Kullanılacak dedektör materyali büyük elektrik alanlara dayanabilmelidir. Fazla elektron ve iyonların birikiminde zarar görmemelidir ki bunlar elektronik atmalara çevrilebilsinler. Radyasyonun yokluğunda akım çok az veya hiç olmamalıdır ki böylece taban sayım (background) gürültüsü çok az olsun. 2- Radyasyon, çok sayıda atomdan kolayca elektron koparabilmeli ve elektronlarla, iyonize olmuş atomlar materyal içinde kolayca hareket edebilmelidirler. Katı içinde hareket edenler gerçekte iyonların kendileri değildir. Elektronik boşluklar veya delikler bir atomdan diğerine aktarılan elektronlarla doldurulur; böylece delik hareket ediyormuş gibidir. 1.şart, yalıtkan bir materyalin seçimini gerekli kılar; 2. şart ise bir iletken kullanımı gereğini söyler. İki şartı da sağlayan yarıiletkendir ların sonlarına kadar uygun bir radyasyon dedektörü yapmak için yeteri kadar büyük boyutlarda yarıiletken madde bulmak mümkün olamadı ve 1950 lerde nükleer spektroskopide ihtiyacı gidermek için yüksek verimli ve uygun çözme gücüne sahip sintilasyon sayaçları geliştirilmiştir. Sintilasyon sayaçları materyal seçimindeki ikilemi akıllı bir yolla çözerler. İyonizasyon işleminde oluşan elektronlar, elektrik atmaları meydana getiren elektronlarla aynı değildir. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 12

13 İyonizasyon ve atma elektronları arasına bir arabulucu yerleştirilir, bu da ışıktır. Tam işlem Şekil 2.3 ün yardımıyla şöyle anlaşılabilir. - Gelen radyasyon dedektöre girer ve atomu uyarılmış seviyeye çıkaran çok sayıda etkileşme yapar. - Uyarılmış durumlar hızlıca görünür ışık (veya yakın) yayınlar. Böyle materyale sintilatör denir. - Işık, foton-hassas yüzeye çarpar ve foton başına en çok bir fotoelektron koparır. - Bu ikincil elektronlar çoğaltılır, hızlandırılır ve fotoçoğaltıcı tüp (PM) içinde çıkış sinyallerine dönüştürülür. Kullanılacak amaca bağlı pek çok farklı sintilatör ve PM tüpleri mevcuttur. Şekil 2.3. Bir sintilasyon dedektöründeki basit işlemler Materyal seçimini yapmak için göz önüne alınacak özellikler ışık çıkışı (ışık olarak görünecek gelen enerji kesri), verim (soğurulacak radyasyon olasılığı), zamanlama ve enerji çözme gücüdür. Çalışmayı kolaylaştıracak materyalle ilgili diğer kriterler; yaygın bir sintilatör, NaI kristalidir. Nem çekici; su buharına maruz kaldığında saydam kristal halden donuk toz haline geçer. Diğer taraftan pek çok plastik sintilatöre herhangi bir kesici ile kesilerek arzu edilen şekli vermek mümkündür. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 13

14 Sintilatörün işleyişini anlamak için atomu uyarılmış duruma çıkaran enerjinin elektron tarafından soğurulduğu mekanizmayı göz önüne almak gerekir. Temel olarak iki tip sintilasyon dedektörü vardır, birisi organik diğeri inorganik materyaller içerir. Organik sintilatörde (katı veya sıvı olabilir) moleküller arası etkileşmeler bağıl olarak zayıftır ve moleküllerin kesikli uyarılmış seviyeleri cinsinden özellikleri tartışılabilir. Bir molekülün enerji soğurabileceği iki yol vardır: elektronlar daha yüksek uyarılmış duruma geçirilebilirler ve moleküldeki atomlar titreşebilirler. Tipik bir titreşim enerji aralığı 0,1eV iken elektronik uyarılma enerjileri için bu birkaç ev civarındadır. Sonuç yapı Şekil 2.4 deki gibidir. Şekil 2.4. Organik sintilatörlerde elektronik yapı Uyarılmış elektronlar genellikle materyale kuvvetli bir bağ ile bağlı değillerdir. Benzenin halka yapısı gibi, aromatik hidrokarbonlarda, karbonun dört valans elektronunun üçü hibritleşmiş yörüngelerdedirler, bunlara orbitalleri nedir. Bunlar her bir karbon arasına kuvvetli şekilde yerleşmişlerdir, iki komşu karbon ve tek bir hidrojen orbitali denen yörüngede bulunan dördüncü elektronun yerleşimi böyle değildir ve elektronları kadar kuvvetli olarak bağlanma işlemine katılmazlar. Bu elektronları sintilasyon işlemine en çok cevap verenlerdir. İçeri giren radyasyon pek çok molekülle, her bir etkileşmede birkaç ev kaybederek etkileşir ve molekülü uyarır. Pek çok mümkün titreşim durumu uyarılabilir (ve aynı zamanda pek çok mümkün elektronik uyarılmış durum; basit olması nedeniyle sadece en düşük elektronik uyarılmış durum gösterilmiştir.) Bunlar ( 1ps) çabucak elektronik uyarılmış durumların en düşük titreşim durumlarına bozunurlar ve sonra ( 10ns de) elektronik taban durumunun bir titreşim durumuna bozunurlar. Bunlar da hızla titreşim taban durumuna geçerler. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 14

15 Normal şartlarda, oda sıcaklığında, sintilatör moleküllerinin hepsi elektronik taban durumun en düşük titreşim durumundadır. Oda sıcaklığındaki termal enerji 0,025eV dur ve Boltzman dağılımına göre, e -E/KT, elektronik taban durumun üstünde herhangi bir titreşim durumu bulmak olası değildir. Böylece pek çok yayınlanmış foton geçişlerden sadece birisi soğurulma olasılığına sahiptir. Bu, sintilatörün önemli bir özelliğini anlatır. Sintilatör kendi radyasyonuna şeffaf olmalıdır. İnorganik sintilatörlerden en yaygın kullanılanı alkali halojenürün tek kristalidir. NaI en çok kullanılandır. Şeffaflığı elde etmek için tek kristale gerek vardır. Kristal yüzeyindeki yansıma ve soğurulmalar çok kristalli sintilatörü kullanışsız hale getirir. Kristaldeki atomların bir arada etkileşmeleri bir seri enerji bandında kesikli enerji seviyelerine neden olurlar. En yüksek iki bant Şekil 2.5 deki gibi valans band ve iletim bandıdır. Şekil 2.5. Kristaldeki enerji bandları NaI gibi bir materyalde valans band durumları genellikle doludur, iletim bandı ise boştur. Gelen radyasyon bir elektronu, enerji boşluğunu ( ev) geçirerek iletim bandına uyarabilir. Sonra enerjisini, bir foton salarak kaybeder ve valans banda geri döner. Foton yayınlanma olasılığını arttırmak ve ışığın kendi soğurulması için aktivatör denen küçük miktarda safsızlıklar kristale ilave edilir. Yaygın olarak kullanılan aktivatör Talyum dur ve bu dedektörleri NaI(Tl) şeklinde göstermek uygun olur. Aktivatör, enerji boşluğunda durumlar meydana getirir ve bu aktivatör durumları arasında ışık yayınımı meydana gelir. NaI de maksimum 303nm dalga boylu ışık yayınlanırken NaI(Tl) da 410nm lik ışık yayınlanır. NaI de bu enerjide soğurulma olmaz. Çünkü aktivatör taban durumları işgal edilmez ve dalga boyundaki morötesi bölgesinden görünür bölgeye değişim, pek çok fotoçoğaltıcı tüpün maksimum duyarlılığı ile uyuşur. Sintilatörün gerçek seçimi, yapılacak deneyin tipine bağlı olacaktır. Örneğin, ışınları için yüksek verim gerekliliğinden NaI(Tl) iyi bir seçimdir. I un büyük Z si (53) foton soğurulması için yüksek olasılık sağlar. Ancak tam bir zamanlama için NaI(Tl) iyi değildir ve bağıl olarak daha düşük verimli plastik sintilatörler daha iyi bir seçim olur. Sintilatörün fotoçoğaltıcı tüpe Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 15

16 birleştirilmesi çeşitli yollarla yapılabilir. Bazı dedektör-tüp sistemleri girip çıkacak şekilde monte edilir. NaI(Tl) dedektörleri PM tüpünün camı ile şeffaf optik kayıcı kullanılarak direk temaslı yerleştirilir. Bu iç yansımaları minimuma indirmek ve yansıma göstergelerindeki değişmeleri homojen tutabilmek içindir. Fotoçoğaltıcının geometrisi bazen sintilatör geometrisinden çok farklıdır ve sintilatörden çok uzağa yerleştirilmiştir. (Manyetik alan etkilerini yok etmek için) Bu durumda ışık boruları kullanılır; ışık boruları herhangi bir boyut veya şekilde olabilir. Şeffaf herhangi bir maddeden yapılmış olabilir. Örneğin Lucite gibi. Hem sintilatör hem de ışık boruları ışık birikimlerinin verimini arttırmak için yansıtıcı bir madde ile bağlamaktadırlar. Fotokatotta az sayıda (gelen foton sayısından) yayınlanan elektronlar dynod denen bir dizi elektrotla çoğaltılır ve odaklanırlar. Dynodlar bir yüksek voltaj kaynağı ve bir dizi voltaj bölücülerle üretilen voltaj zincirine bağlıdırlar. Komşu dynodlar arasındaki potansiyel farkı 100V dur. Böylece elektronlar dynodlara 100eV luk enerji ile çarparlar. Dynodlar ikincil elektron yayınımının yüksek olasılıklı olduğu maddelerden yapılır. Bir elektron salmak için 2-3eV yeterli olabilir ve elektron sayısındaki kazanç kat kadar mümkün olur. Ancak elektronlar materyal içinde rastgele doğrultularda salındıkları için yüzeyde sadece birkaç tane salınacaktır ve her bir dynodta en tipik kazanç 5 kattır. Hatta 10 dynodlu bir tüp ile kazancın hepsi 5 10 ( 10 7 ) olur. Enerji spektrometreleri için iki önemli karakter, lineerlik ve kararlılıktır. Lineerlik: Son çıkış atma genliğinin sintilasyon olaylarının ilk sayısı ile doğrudan orantılı olması demektir ve böylece de radyasyon tarafından dedektörde depo edilen enerji ile orantılı olması demektir. Kararlılık: Her bir dynod evresinin kazancı voltaj farkına bağlı olduğu için yüksek voltajdaki herhangi bir değişme çıkış atmalarındaki değişmelere neden olacaktır. Yüksek voltaj kaynağını kararlı hale getirmek gerekir. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 16

17 DENEY 1 SAYMA İSTATİSTİĞİ HAZIRLIK ÇALIŞMASI 1- Radyasyon nedir? Zararlı ve zararsız radyasyonu örneklerle açıklayınız. DENEYİN AMACI Bir radyoaktif kaynağın bozunması tamamen rastgele olup, radyoaktif azalım sırasında kaç tane çekirdeğin parçalanacağını önceden bilmek mümkün değildir. Bu nedenle birbirini takip eden sayımlarda gözlenen dalgalanmaların, bir ortalama değerden nasıl saptığı ve elde edilen bilgilerin istatistiki analizlerinin nasıl yapılacağı tartışılacaktır. GİRİŞ Biliyoruz ki bir radyoaktif çekirdeğin bozunması rastgele bir olaydır. Rastgele olaylar olasılık yorumlarıyla anlatılır. Bu deneyde, radyoaktivite ölçümlerindeki doğal hatanın nasıl azaltılabileceği görülecektir. Bu nedenle yayınlanan yüklü parçacıkların ve fotonların sayısı da zamana göre rastgele olacaktır. Uzun yarı ömürlü bir kaynaktan çıkan parçacıklar, eşit koşullar altında birçok kez ayrı ayrı sayıldığında gözlenen değerler ortalama değerin etrafında belli bir dağılım gösterirler. Gözlemlerin sayısı sonsuz büyük değere çıkarılırsa gözlenen ortalama, gerçek ortalamaya eşit olur. Eğer gerçek ortalama m ise bir tek ölçmede n tane parçacık olasılığı (veya çok sayıda gözlemlerin bir tek ölçmede n sayım veren kesri) m n P m n e n! bağıntısı ile verilir. Bu frekans dağılımı ya da olasılık fonksiyonuna Poisson dağılımı adı verilir. m nin küçük değerleri için bu fonksiyonu gösteren eğri simetrik değildir. m büyüdükçe, eğri daha simetrik bir hal alır ve dağılım normal Gauss dağılımı haline gelir. Şiddetli zamanla değişmeyecek kadar çok uzun ömürlü bir kaynakla yapılan n sayıda ölçmede elde edilen değerler N1,N2,, Nn ise gerçek değere en yakın değer olarak bunların N ortalaması alınır. n -m m -m m Pn e e e 1 ( 1 e normalizedir.) n 0 n 0 n! n Ni m N İ1 n n sayısı ne kadar büyük olursa aritmetik ortalama N, gerçek ortalama m ye o kadar yakın olur. m büyüdükçe Poisson dağılımı Gaussian dağılımına yaklaşır. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 17

18 Tam olarak rastgele olmak demek, olayların bir önceki olaydan ve çevresel parametrelerden etkilenmeden oluşması demektir. Poisson ve Gaussian dağılımlarının her ikisi de tam olarak rasgele olayları tanımlarlar. Şekil 2.6. Poisson ve Gaussian dağılımlarının karşılaştırılması P n, Poisson a göre olasılıktır. Gerçek sayım ise gözlenen sayımın özel bir değeri de n dir. Gaussian dağılımını ( = Normal dağılım) hesaplamak daha kolaydır. G n, özel bir gözlenmiş değeri elde etme olasılığıdır. Gerçek sayım ü doğrudan ölçmek istersek istatistik ile bunu başarabiliriz. nün en iyi tahmini n dır. dir. n1 n2 n n N 3... n Gaussian dağılımı ve (standart sapma) parametreleriyle tanımlanır. Standart sapma, i N n = dür. Unutmamak gerekir ki, gerçek ortalama değeri ve tam olarak rasgele olan veriler için beklenen dağılımı göstermektedir. Teorik olarak gözlenen değerlerin hepsinin % 68,3 ü - ile + arasında olmalıdır. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 18

19 Pratikte değeri ölçülmez. Bu yüzden n, nün en iyi tahmin edilen değeri olarak kullanılır ve standart sapma n dir. Gözlenen olaylar tam olarak rasgele ise gözlenen sayımların % 68.3 ü n - ile n + arasında olmalıdır. Aşağıdaki şekillerde görülüyor. Gaussian dağılımı Gözlenen kaynak dağılımı (katı çizgi) %50 dir. Muhtemel Hata Aşılması ihtimali, aşılmaması ihtimaline eşit olan hatadır. Bu tanıma göre güven derecesi Güven derecesi % Standart Sapmanın Kesri Olarak Hata (Maksimum hatadan daha küçük bir sapma Maksimumu gösteren gözlem) 50 0,67 Muhtemel hata 68,3 1,00 Standart hata 90 1,64 Ondadokuzluk hata (Güvenilir hata) 95,5 2,00 Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 19

20 DENEYDE KULLANILAN ALETLER: 1- G-M tüpü (Şekil 1) 2- Sayıcı (Scaler Ratemeter Model 575) Çalışma voltajı : 360 Volt (Şekil 2) Şekil 1. G-M tüpü Şekil 2. Sayıcı 3- Radyoaktif kaynak Co-60 DENEYİN YAPILIŞI A) Bilgi Dağılım Fonksiyonunun Bulunması Ölçmelere başlamadan önce sayma devresinin kararlı bir hale gelmesi için sistemi belirli bir süre çalıştırınız. 1. Sayacın yakınında radyoaktif kaynak yokken tabii fonu bulmak üzere arka arkaya 1 dakika süreli 20 gözlem yapınız. Her bir sayımı (n) kaydederek taban sayım için Tablo 1. oluşturunuz. 2. Kaynağı, fazla sayımın elde edilebileceği rafa yerleştiriniz. 1 dakikalık arka arkaya 20 gözlem yapınız. Her bir sayımı kaydederek Co-60 için ilgili Tablo 2 yi tamamlayınız. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 20

21 Örnek Tablo Gözlenen sayımlar n (sayımı) n- n (n- n ) 2 n (Co-60) (nn) (nn) 2 n A 20 Ortalama sayım (hızı) gerçek n gözlem Standart sapma n n Gerçek sayım S = C /19 Kaynağın Standart sapması Hesaplamalar 1. n, 20 sayımın ortalama değeridir. n yi her bir n değerinden çıkararak tabloya kaydediniz. Bunların toplamı B değerini verir. Bu değerin 0 olması gerekir. Sonuç 0 değilse çalışmaya tekrar dönünüz. B yi bulmanın başka bir amacı yoktur. 2. Bulunan (n- n ) değerlerinin her birinin karesini alın ve kaydedin. (n- n ) 2 değerlerini toplayarak C yi elde edin. 3. yı hesaplayın. Bu değer n nin kareköküdür. ya standart sapma denir. Eğer değerleriniz tam olarak rastgele ise n nin gözlenen değerlerinin % 68 i yani 20 değerin 13 ü (n- ) ile (n+ ) arsında olmalıdır. 4. S değerini hesaplayınız. S kaynağın standart sapmasıdır. Bunu bulmak için C yi yani (nn ) 2 nin toplamını 19 a bölünüz ve karekökünü alınız. S değerini n değeri ile karşılaştırınız. 5. Alınan sayımlar gerçekten rastgele ise, gözlemlerin sayısı arttıkça S değeri değerine yaklaşacaktır. Aslında teoriye daha uygun sonuçlar almak için ölçme sayısının 20 den fazla olması gerekir. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 21

22 Tablo 1. Taban Sayım için 2 Gözlenen sayımlar n (Sayım) n n ( n n) A = B= C = n A 20 n C S 19 n - = Bütün sayımlar.ile.arasındadır. n + = Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 22

23 Tablo 2. Co-60 için 2 Gözlenen sayımlar n (Sayım) n n ( n n) A = B= C = n A 20 n C S 19 n - = Bütün sayımlar.ile.arasındadır. n + = Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 23

24 DENEY 2 GEIGER MULLER (G-M) TÜPÜNÜN ÇALIŞMA VOLTAJININ TAYİN EDİLMESİ HAZIRLIK ÇALIŞMASI 1- İyi bir GM tüpü nasıl belirlenir? 2- GM ve Sintilasyon dedektörleri arasındaki farklar nelerdir? 3- Dedektörlerde çalışma voltajının önemi nedir? DENEYİN AMACI G-M Sayacının karakteristik eğrisini elde etmek ve çalışma voltajını tayin etmek. GİRİŞ Geiger Muller (G-M) sayaçları, oluşturduğu iyon çifti sayısına bakılmaksızın sayaç içinde iyonlama yapan herhangi bir tip nükleer parçacığın sayılmasında kullanılabilir. Bu sayaçlar elektronların, parçacıklarının, gamma ışınlarının ve X-ışınlarının sayılmasında ideal bir uygunlukta kullanabilirler. parçacıkları ve yüksek iyonlama özelliği olan parçacıklar da bazı durumlarda G-M sayaçları ile dedekte edilebilirler. Fakat bu parçacıkların yolları kısa olduğundan ya ince pencereli sayaçlar gerekir ya da radyasyon kaynağı sayaç içine konulmalıdır. Şekil 1. G-M sayacı Radyoaktif parçacık G-M tüpü içine girdiği zaman gaz moleküllerini iyonlaştırır. Koparılan elektronlar tüpün anot teli tarafından çekilirler. Genellikle toplam 100 torr basıncında olan %90 argon gibi soygaz ve %10 halojen (özellikle bromin) karışımı kullanılır. Pozitif iyonlar katot Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 24

25 tarafından çekilirler. Anot ve katot arasındaki potansiyel farkı yeteri kadar yüksekse, bu iyonlar diğer gaz atomlarına çarparak onları iyonlaştırırlar. Bu şekilde çoğalan iyonlar elektroda ulaşınca onun yükünü değiştirirler. Yükteki bu ani değişme tel ile silindir arasındaki potansiyel farkını değiştirir. Telin civarındaki elektrik alan daha büyüktür ve buraya gelen elektronlar gaz atomlarını iyonlaştırırlar. Bu şekilde elektron sayısı 10 5 kat artar. Çıkışta 10Mv luk sinyal üretilir. Çıkıştaki direnç akım sinyali, voltaj sinyaline dönüştürülür. Mikrosaniye mertebesinde olan bir akım atmaundan sonra tel ve silindir arasındaki potansiyel farkı başlangıçtaki değerine geri döner. Tüpten boşalımın temizlenebilmesi için belirli zaman gereklidir. Bu zaman boyunca tüpün voltajı, tüpün elektrotlarına ulaşabilen radyasyonu dedekte edebilmek için gerekli olan voltajdan daha azdır. Bu zaman tüpün ölü zamanı olarak isimlendirilir. Eğer aşırı miktarda radyasyon tüpe ulaşırsa, sayıcıda gösterilen sayım hızı değeri gerçek değerinden daha az olur. G-M sayacında çıkış atmaunun boyu ilk iyonların sayısından bağımsızdır. Bu nedenle, parçacık enerjisinin ölçümü yapılamaz ve farklı tipteki parçacıkları birbirinden ayırt etmek imkansızdır. Sabit bir radyasyon etkisinde olan ve bir sayıcıya bağlı bir G-M sayacını göz önüne alalım. Dakikada sayılan atmaların sayısı, tüpe uygulanan voltaja bağlı olarak çizildiğinde aşağıdaki şekle benzer bir eğri elde edilir. Şekil 2. G-M sayacının karakteristik sayma eğrisi Sayma sistemi gaz amplifikasyonunun olmadığı iyonizasyon odası bölgesinde, meydana gelen küçük atmalara cevap veremez. Bunun sonucu olarak eğri bir A başlangıcına sahiptir ve bunun altındaki atmalar kaydedilmez. Voltaj artırıldığında gaz amplifikasyonu hissedilir hale gelir Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 25

26 ve daha fazla iyonlayıcı parçacık sayılır fakat zayıf enerjili olanları sayılamaz. Bu bölge, AB orantılı sayma bölgesidir. Voltajın daha da fazla arttırılması ile gaz amplifikasyonu sürekli olarak arttrıldığında, küçük enerjili parçacıkların birçoğu C noktasına kadar sayılacaktır. C noktası, CD Geiger bölgesinin başlangıcıdır ve bu bölgede pratik olarak tüp içine giren bütün parçacıklar sayılırlar. CD Geiger bölgesi plato adını alır. Bir sayacın uzun ve yatay bir platoya sahip olması istenen bir özelliktir. Çünkü bu durumda sayma hızı uygulanan voltaja kuvvetle bağlı olmayacaktır. Plato, genellikle yaklaşık 200 voltluk bir uzunluğa sahiptir. Daha yüksek voltajlarda sürekli deşarj bölgesine girilir (E). Bu bölgede tek bir deşarj, kendiliğinden devamlı bir hale gelir ve her iyonlama olayı için birbirine yakın olarak yer alan atmalar dizisi meydana gelir. Bu durum doğru bir sayım için uygun değildir. Bu nedenle G-M tüpleri, sürekli deşarj bölgesinde nadiren çalıştırılır. G-M tüpünde ilk yük boşalmasından sonra, içerideki gazın iyonlaşmasıyla oluşan pozitif iyonlar katot duvarına birikirler ve orada serbest elektronlarla birleşerek nötr atom haline gelirler. Yüksek potansiyel farkından dolayı bazı pozitif iyonlar katoda çarparak onun elektronlarından bir kısmını iyonlaştırabilirler. Bu şekilde atma sayısı artar. Anot ve yüksek voltaj kaynağı arasına büyük bir direnç bağlanarak ve her atma oluştuktan sonra potansiyel farkı azaltılarak bu hata giderilmeye çalışılır. Fakat bu şekilde G-M tüpünün ilk potansiyele ulaşması için 10-3 s zaman gerekir. Bunun için tüpün içine ayrıca halojen klor ve brom da konursa, pozitif iyonlar katottan elektron koparmak yerine enerjisini bunları moleküllerine ayırmada kullanılırlar. Elektronların pozitif iyonla birleşme eğiliminde olmalarından dolayı, bunu önlemek için çok az miktarda oksijen gibi elektro-negatif gaz kullanılır. Sayımların başladığı andaki eşik voltajı ve plato uzunluğu tüpün cinsine göre değişir. İyi bir tüpün plato kayması %0,15 değerinden büyük olmamalıdır. Tüp eskidikçe plato kısalır, bu kayma artar, sayıma başlama potansiyeli yükselir ve boşalma voltajı azalır. ( Plato kayması = Sayımın volt başına değişim/ ortalama sayım) Şekil 3. G-M tüpünden gelen sayımlar ST 7 sayma düzeneğinden gözlenir Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 26

27 Bir G-M tüpü için elde edilen gerçek sayma hızlarının (ölçülen sayma hızı- tabii fon) uygulanan voltaja göre değişim grafiği çizildiğinde G-M sayıcısının karakteristik eğrisi elde edilir. Değişim eğrisinde elde edilen platonun başlangıç voltajı, platonun başladığı voltaj V1 ve bittiği voltaj V2 işaretlenir. Eğer tüp normal bir işlem gösteriyorsa, çalışma voltajı, platonun 1/3 ü alınarak tayin edilir. Sondan pencereli G-M sayacının doğru çalışıp çalışmadığı, platonun eğiminden anlaşılır. Eğer bu eğim her volt için % 0,15 den fazla veya plato uzunluğu 100 Volttan aşağı ise bu sayaç bozuktur, sayımda kullanılamaz. Şekil 4. G-M tüpünün platosu 1 Volt için yüzde olarak eğim şu şekilde hesaplanır. Örneğin V1 voltajında sayım hızı R1, V2 voltajındaki sayım hızı R2 ise; 100 ( R R )/ R V V Volt başına yüzde eğim ise; 100 ( )/ V V R2 R1 R1 x olur. İyi bir G-M sayıcısının eğimi 100 Volt için %10 u aşmaması gerekir; genellike eğim 100 Volt için %3 den daha azdır. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 27

28 DENEYİN YAPILIŞI DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1- G-M tüpü (çalışma voltajı: 1460 V) (Şekil 1) 2- Sayıcı (Scaler Timer ST) (Şekil 2) 3- Radyoaktif kaynak: Çalışma voltajının tayininde Ra-226 (α, β, γ kaynağı), veriminin tayininde Sr-90(β kaynağı), Cs-137, Ra-226. kullanılabilir. (ŞEKİL 2) Şekil 1 G-M tüpü Şekil 2 sayıcı DENEYİN YAPILIŞI Çalışma Voltajının Tayini: 1. Scaler Timer ST 7 de, Preset Time (sayma süresi): 60s Threshold (eşik değer): 040 Preset count (sayım): Display select (ekran): COUNTS Window (pencere): 020 değerlerine getiriniz. 2. Verilen radyoaktif kaynağı G-M sayacında 1. rafa yerleştiriniz. 3. Yüksek voltaj kaynağını açtıktan sonra bir süre (5dk kadar) cihazın tam verime ulaşmasını bekleyiniz. 4. H.V. ı 1300V dan başlayarak 1500V a kadar artırınız. Sayımları kaydederek aşağıdaki tabloyu oluşturunuz. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 28

29 Kaynak Voltaj Sayım (cps) Voltaj Sayım (cps) G-M tüpüne uygulanan voltajı yüksek voltaj ayar düğmesi yardımıyla artırınız. Sayacın sayıma başladığı andaki voltajı tayin ediniz. Bu başlangıç voltajıdır. Sayma hızının aşırı derecede artmaya başladığı voltajı tespit ediniz. Bu noktada özellikle dikkatli olunmalıdır. Bu tip tüplerde platonun son voltajından sonra ancak Volt gidilebilir. Voltajın daha fazla yükseltilmesi tüpün ömrünü kısaltacaktır. 5. Sayım bittikten sonra radyoaktif kaynağı sayaçtan uzaklaştırınız ve deney bittikten sonra yüksek voltaj kaynağını yavaş yavaş sıfıra getiriniz. 6. X-ekseni voltajı, y-ekseni sayımı göstermek üzere voltaj- sayım grafiğini çiziniz. 7. Grafik üzerinde, başlangıç voltajı, eşik voltaj, plato bölgesini belirleyiniz. 8. Grafikten uygun çalışma voltajını tayin ediniz. ( Plato bölgesi voltaj aralığının %25 i alınır ve bu değer, eşik değer voltajı değerinin üzerine eklenir.) 100 ( R2 R1 )/ R1 9. Grafikten yararlanarak G-M sayacı için x100 ifadesini kullanarak eğimi V V bulunuz ve kullandığınız dedektörün iyi bir G-M dedektörü olup olmadığını belirleyiniz. 2 1 DİKKAT! Sayımın doğru olması sayaç verimine bağlıdır. Verimi en fazla etkileyen faktör, G-M tüpü ile kaynağın birbirlerine göre geometrisi yani kaynak ile tüpün penceresi arasındaki uzaklık ve dikeyliktir. Bu nedenle, verimin değişmemesi için deney yapılırken kaynak yerine konduktan sonra kesinlikle yerinden oynatılmamalıdır. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 29

30 DENEY 3 GEIGER MULLER (G-M) TÜPÜ KULLANILARAK RADYOAKTİF BİR KAYNAK İÇİN TERS KARE YASASININ İNCELENMESİ HAZIRLIK ÇALIŞMASI 1- Ters kare yasasını açıklayınız. 2- GM ve Sintilasyon dedektörleri arasındaki farklar nelerdir? DENEYİN AMACI G-M Sayacı kullanılarak radyoaktif kaynak için sayımın uzaklığın karesi ile ters orantılı olduğunun gösterilmesi. GİRİŞ Nükleer radyasyonlar (alfa, beta, gama ışınları veya parçacıkları) direkt olarak hissedilemezler. Bu nedenle madde ile nükleer bozunmaya uğraya parçacıkların etkileşmesini ele alan bir dedeksiyon metodu kullanılması gerekmektedir. Bu amaçla kullanılan birçok metot vardır, ancak en yaygın olanı Geiger Tüpü dür. Bir Geiger tüpünde radyoaktif bozunmadan ileri gelen parçacıklar gaz moleküllerini iyonize ederek sayılabilen elektriksel atmalara neden olurlar. Bu deneyde, nükleer radyasyon için ters kare yasası incelenecektir. Bu deney gerçekleştirildikten sonra Geiger sayacının sayım hızının radyoaktif kaynaktan olan uzaklık ile nasıl değiştiği tayin edilmiş olacaktır. Normal bir çalışmada, sayım hızı birim zamanda Geiger tüpüne giren parçacıkların sayısına bağlıdır. Bu nedenle, sayım hızı tüpün kaynaktan olan uzaklığına bağlıdır. Dakikada N0 tane toplam parçacık yayınlayan bir nokta kaynaktan çıkan parçacıklar her doğrultuda yayımlanır. R yarıçaplı bir kürenin birim alanından geçen parçacıkların sayısının [ N( sayım/dakika)] eş yönlü yayımlandığı kabul edilirse, N N N A 4 r olur. Burada A=4 r 2 kürenin alanıdır. Bir nokta kaynaktan r mesafesinde sayımların sayısı ' A pencere alanlı bir Geiger tüpüne dakikada ulaşan Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 30

31 ile verilir. ' ' NA 0 N NA 2 4 r Geiger tüpünün ' A etkin alanı genellikle bilinmemekle beraber yukarıdaki denklem sayım hızının r 2 ile orantılı olduğunu ( ters- kare yasası) gösterir. 1 N0 Şiddet (sayım/dk)= N r 4 r 2 2 d e Bu nedenle, nokta kaynak için sayım hızı kaynaktan olan mesafe ile 1/r 2 olarak değişir. µ(cm -1 ), havanın gelen radyasyonu azaltma katsayısıdır. Pencerenin azaltma katsayısı µp ise pencereden geçen parçacık sayısı olup yukarıdaki denklemin gösterir. Burada d, pencere kalınlığıdır (cm). e pd ile çarpımı kadar azalma DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1- G-M tüpü (Type: ON212, seri no : 44306, op.vol: 1460 V) (Şekil 1) 2- Sayıcı (Scaler Timer ST) (Şekil 2) 3- Radyoaktif kaynak: Cs-137 Şekil 1 G-M tüpü Şekil 2 sayıcı Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 31

32 DENEYİN YAPILIŞI Çalışma Voltajının Tayini: 1. Scaler Timer ST 7 de, Preset Time (sayma süresi): 30s Threshold (eşik değer): 040 Preset count (sayım): Display select (ekran): RATE Window (pencere): 020 değerlerine getiriniz. 2. Nükleer kaynakları olabildiğince sayacın çevresinden uzaklaştırınız ve ortamdaki tabii fonu saymak için Geiger tüpüne çalışma voltajını uygulayınız. 3. Tabii fon için 1 er dakikalık 5 sayım alarak bunların ortalamasını alınız. Sayımları kaydederek aşağıdaki tabloyu oluşturunuz. 4. Radyoaktif kaynağı sayım hızının tabii fondan belirgin bir şekilde artmaya başladığı noktaya getiriniz. r mesafesini ve sayım hızını (N) tespit ediniz. Buradaki r mesafesi en uzak mesafedir. Verilen radyoaktif kaynağı G-M sayacında 6. rafa yerleştiriniz ve mesafeyi tayin ediniz. 5. Radyoaktif kaynağı olabildiğince tüpe yaklaştırınız ve G-M sayacında 1. rafa yerleştirerek mesafeyi tayin ediniz. Bu durumda elde edilen maksimum sayım hızını sayaçtan okuyunuz. Buradaki mesafe en yakın mesafedir. 6. En yakın mesafeden (1.raf) başlayarak her bir r mesafesi için (2.raf, 3.raf, 4.raf, 5.raf, 6.raf) 5 er sayım alarak aşağıdaki tabloları oluşturunuz. Tabii Fon Sayımı Ölçüm sayısı Sayım hızı N0 (sayım/dk) Ortalama sayım hızı Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 32

33 Radyoaktif Kaynak Kaynak-Sayıcı mesafesi (mm) r Ortalama Sayım hızı (sayım/dk) N Düzeltilmiş Sayım (sayım/dk) N- N0 ln (N- N0) ln r 1.raf 2.raf 3.raf 4.raf 5.raf 6.raf 7. Ters kare yasası, ' N A r 2 ( burada ' A bir sabittir ) her iki tarafın logaritması alınmak suretiyle lineer biçime sokulabilir; ( gammaların 0-20cm kalınlığındaki hava tabakasında azalmaları ihmal edilebilir, fakat alfa ve beta parçacıkları için kullanılması gerekir) ln N ln( Ar ) ln r ln A ' 2 2 ' veya olur. ' ln N 2ln r ln A ln N 2ln r ln A ' denklemi, y=mx+b ile verilen doğru biçimdedir. 8. Radyoaktif kaynak için oluşturduğunuz tablodaki verileri kullanarak ln(n-n0) ın lnr ye göre grafiğini çizerek doğrunun eğimini tayin ediniz ve yüzde hatayı bulunuz. 9. Şiddet (sayım/dk)=f(r 2 ) ve şiddet=f(r) grafiklerini çiziniz. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 33

34 DENEY 4 - PARÇACIKLARIN SOĞURULMASI VE - BOZUNMA ENERJİSİNİN TAYİNİ HAZIRLIK ÇALIŞMASI 1- Menzil nedir, nelere bağlı olarak değişir? 2- Bremsstrahlung nedir? 3- Hafif parçacıkların madde ile etkileşimi nasıl olur? 4- parçacıklarının enerjisi ne ifade eder? 5- - ve + bozunumları için enerji spektrumları arasındaki fark nedir? DENEYİN AMACI - parçacıklarının alüminyum soğurucular kullanılarak maksimum yollarının bulunması ve bundan yararlanarak enerjilerin tayin edilmesi. GİRİŞ Radyoaktif izotoplar tarafından yayımlanan beta ışınlarının. çekirdekten çıkan hızlı elektronlar olduğu, bunların elektrik ve manyetik alanlardaki sapmalardan ve e/m değerlerinden anlaşılmaktadır. Bir izotoptan yayımlanan betaların spektrumu süreklidir, yani; izotoptan çıkan beta parçacıkları arasında çok zayıf bir enerjiden belli bir maksimum enerji değerine kadar her enerjide betalar bulunur. Bu bakımdan, beta spektrumları aralıklı kesin enerji değerini gösteren çizgili alfa spektrumundan ayrılır. Beta spektrumlarının sürekli oluşu, beta bozunumu sırasında nötrino adı verilen yüksüz bir parçacığın yayımlanması ve reaksiyon enerjisinin (spektrumun maksimum enerji değeri), beta parçacığı ile nötrino arasında rastgele olarak bölüşülmesi ile açıklanır. Şekil 1. Tek enerjili elektronların madde içinde soğurulması Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 34

35 Tek enerjili elektronların madde içinde soğurulması yukardaki şekildeki gibi doğruya yakın bir eğridir. Burada I0 demetin ilk şiddeti (veya bununla orantılı olan sayma sayısı), I ise d kalınlığındaki madde tabakasından geçen demetin şiddeti (veya bu şiddetle orantılı sayma sayısı) dir. Beta parçacıklarının soğurulması, I I0e d bağıntısı ile yaklaşık olarak bulunabilir. Burada µ kütle soğurma katsayısı, d de soğurucu kalınlığıdır. Bu bağıntının gösterdiği soğurma eğrisi eksponansiyel bir eğridir ve beta spektrumu içinde maksimum enerjiye kadar her enerjide parçacık bulunduğu için önce zayıf enerjili parçacıkların kolayca soğurulmasından ötürü eğri büyük bir eğimle başlar, sonra eğim sürekli olarak azalarak aşağıdaki şekildeki gibi bir soğurma eğrisi elde edilir. Şekil 2. Saf bir beta ışını spektrumu Kısaca saf bir beta ışını spektrumu için eğri aşağı yukarı üstel bir azalma gösterir. Ancak spektrumdaki maksimum enerjili parçacıklara karşılık olan maksimum yoldan sonra beta parçacığı bulunmaz. Fakat soğurucunun kalınlığı çok fazla yapılsa bile tabii fon nedeniyle hiç sıfıra gitmez. Logaritmik skalada görüldüğü gibi soğurma eğrisinin sonuna doğru üstel biçimden ayrılır. Şekil 3. Beta spektrumu Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 35

36 Bunun nedeni tabii fon ve kaynaktan gelen gamma fotonlarıdır. Bunlardan ileri gelen lineer kısım ile üstel eğrinin birleştiği yere karşılık olan yola beta parçacıklarının maksimum yolu adı verilir. Bu yol, beta parçacıklarının enerjisine ve soğurucu maddenin atom ağırlığına bağlıdır. Beta parçacıklarının maksimum yolunu daha iyi tayin etmek için Feather analizi yapılır. Bunun esası, bilinmeyen numune ile standart numune (maksimum yolu kesinlikle bilinen bir radyoaktif madde) karşılaştırılarak bilinmeyen numunenin beta parçacıklarının maksimum yolu bulunur. Beta parçacıklarının yolu ile enerjileri arasındaki bağıntı bir ampirik formül ile gösterilebilir. Glendenin ve Coryell tarafından verilen bağıntı şu şekildedir: R>0,3 g/cm 2 E= 1,85 R+ 0,245 R<0,3 g/cm 2 E= 1,92 R 0,725 Burada R, g/cm 2 olarak maksimum yoldur. E, MeV olarak maksimum yola karşılık olan enerji ( beta spektrumunun bitim noktası enerjisi) dir. A) - PARÇACIKLARININ SOĞURULMASI DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1. G-M tüpü veya sintilasyon detektörü (Şekil1) 2. Scaner Timer ST 7 sayıcısı (şekil2) 3. Kaynak tutucu 4. Radyoaktif Kaynak ( 90 Sr) Şekil1 Şekil2 Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 36

37 DENEYİN YAPILIŞI 1. Scaler Timer ST 7 de, Preset Time (sayma süresi): 60s Threshold (eşik değer): 040 Preset count (sayım): Display select (ekran): COUNTS Window (pencere): 020 değerlerine getiriniz. 2. Sintilasyon dedektörünü, voltajı yavaş yavaş arttırarak çalışma voltajına getiriniz. 3. Tabii fon için 1 er dakikalık 5 sayım alarak bunların ortalamasını alınız. Sayımları kaydederek aşağıdaki tabloyu oluşturunuz. 4. Radyoaktif kaynağı Sintilasyon dedektöründe üstten 2. rafa koyunuz. Soğurucu yok iken sayımları kaydediniz. 5. En ince soğurucudan başlayarak artan kalınlıklar için sayımları alınız. 6. Sayımları taban sayımlarına göre düzeltiniz. Taban Sayım (Background) Ölçüm sayısı Sayım hızı N 0 (sayım/dk) Ortalama sayım hızı Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 37

38 Radyoaktif Kaynak Soğurucu kalınlığı (mg/cm 2 ) Gözlenen aktivite (cpm) Düzeltilmiş aktivite (cpm) 7. Yarı-logaritmik kağıda sayımlar y-ekseni ve soğurucu kalınlığı x-ekseni olmak üzere soğurucu kalınlığı - düzeltilmiş aktivite eğrisini çiziniz. 8. Bremsstrahlung, β parçacıklarının maddeye çarptıklarında üretilen x-ışınlarına verilen isimdir. Bu deneyde Bremsstrahlung üretilmiş midir? DİKKAT! Deney boyunca kaynağa dokunmayınız, yerini değiştirmeyiniz. Yarı logaritmik kağıda - soğurulma eğrisi çizdiğinizde düz bir çizgi elde edilir. Ancak saçılmalardan dolayı eğrinin uç kısmından bir sapma olacaktır. Nadiren de olsa artan kalınlıklar karşısında aktivite bir artış gözlenebilir. Bu saçılmaların sonuçlarıdır. Saçılmayı azaltmak için soğurucuları doğrudan doğruya kaynağın üzerine koymayınız; mümkün olduğunca tüpün penceresine yakın yerleştiriniz. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 38

39 B) - BOZUNMA ENERJİSİNİN TAYİNİ - Parçacıkların Soğurulması deneyindeki aynı işlemler Radyoaktif Kaynak ( 226 Ra) kullanılarak yapılır. DENEYİN YAPILIŞI 1. Scaler Timer ST 7 de, Preset Time (sayma süresi): 60s Threshold (eşik değer): 040 Preset count (sayım): Display select (ekran): COUNTS Window (pencere): 020 değerlerine getiriniz. 2. Sintilasyon dedektörünü, voltajı yavaş yavaş arttırarak çalışma voltajına getiriniz. 3. Tabii fon için 1 er dakikalık 5 sayım alarak bunların ortalamasını alınız. Sayımları kaydederek aşağıdaki tabloyu oluşturunuz. 4. Radyoaktif kaynağı Sintilasyon dedektöründe üstten 2. rafa koyunuz. Soğurucu yok iken sayımları kaydediniz. 5. En ince soğurucudan başlayarak artan kalınlıklar için sayımları alınız. 6. Sayımları taban sayımlarına göre düzeltiniz. Taban Sayım (Background) Ölçüm sayısı Sayım hızı N0 (sayım/dk) Ortalama sayım hızı Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 39

40 Radyoaktif Kaynak Soğurucu kalınlığı (mg/cm 2 ) Gözlenen aktivite (cpm) Düzeltilmiş aktivite (cpm) 7. Yarı-logaritmik kağıda sayımlar y-ekseni ve soğurucu kalınlığı x-ekseni olmak üzere soğurucu kalınlığı - düzeltilmiş aktivite eğrisini çiziniz. 8. Çizdiğiniz eğriden yararlanarak R değerini belirleyiniz, bulduğunuz değeri 1000 e bölerek aşağıdaki bağıntılardan ilgili olanı ile beta parçacıklarının maksimum enerjilerini bulunuz. R>0,3 g/cm 2 E= 1,85 R+ 0,245 R<0,3 g/cm 2 E= 1,92 R 0,725 ( 226 Ra için Q =0,765 MeV) Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 40

41 DENEY 5 Cs 137 KAYNAĞININ SPEKTRUMUNUN ÇİZİLMESİ VE SİNTİLASYON DEDEKTÖRLERİNİN ÇALIŞMA VOLTAJININ TAYİNİ HAZIRLIK ÇALIŞMASI 1- Sintilasyon dedektörlerinin özellikleri nelerdir? 2- Gamma spektrumu hakkında kısaca bilgi veriniz. 3- Radyasyonun madde ile etkileşimi hakkında bilgi veriniz. DENEYİN AMACI kaynağının spektrumunun çizilmesi ve sintilasyon dedektörlerinin çalışma voltajının tayinin yapılması GİRİŞ Çekirdekteki proton veya nötronların bir enerji seviyesinden daha düşük enerji seviyesine geçişlerinde nükleer radyasyon yayınımı ortaya çıkar. Bu nükleer radyasyonlar izotopun enerji karakteristiklerinin spektrumunu verirler. Bu spektrumu gözlemek için radyasyonun enerjisinin elektrik sinyallerine (atmalara) çevrilmesi gerekir. Atmaların genlikleri kinetik enerji ile orantılıdır. Dedektör çıkışında oluşan darbe yüksekliği değişecek ve hangi darbenin ne kadarlık bie enerji soğurumu sonucu oluştuğu bilinemeyecektir. Bunun için sisteme hangi darbenin ne kadarlık bir enerji bilgisi taşıdığı bilgisi verilmelidir. Bu işleme enerji kalibrasyonu denir ve bu amaç için standart kaynaklar kullanılır. Enerji kalibrasyonu yapılırken öncelikle dar bir pencere genişliği açılır. Daha sonra yüksek gerilim yavaş yavaş arttırılarak standart kaynaktan yayınlanan ışınlarının oluşturduğu darbelerin bu aralığa girmesi sağlanır. Dedektör çıkışındaki darbelerin büyük bir kısmı aynı enerjide olduğu için darbe sayısı bir maksimumdan geçecek ve daha sonra azalacaktır. Bu azalmanın nedeni geilimin daha fazla arttırılması sonucu adı geçen darbelerin üst seviye ayırıcının eşik gerilimini aşması ve dolayısıyla sayılmamasıdır. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 41

42 Çekirdek bozunumlarının en yaygın olanı olan gamma ( ) bozunumlarında kullanılan dedektörler genellikle NaI (Tl) sintilasyon sayacıdır. Son derece yüksek ışık verimi olması ve gammalara cevabının önemli bir enerji aralığında doğrusal olması nedeniyle NaI (Tl) sintilasyon sayacı kullanılır. Sintilasyon sayacını kullanırken radyasyon hakkındaki bilgi window ve threshold kullanıcılarından elde edilebilir. Kristal gelen gamma fotonlarını ışık fotonlarına çevirir ve ışık çıkar. Kaynaktan gelen radyasyon sintilatörün atomları ile etkileşerek görünür bölgede ışık yayınlar. Fotokatot üzerine gelen bu ışık fotoelektron çıkarır. Bu elektronlar dynod larda çoğaltılır. Gamma fotonları, kristalde fotoelektrik ve compton olayı meydana getirir. G-M sayaçları hassas hacim içine giren iyonlayıcı bir parçacık için % 100 sayım verimliliğine sahiptir. Çünkü tek bir iyonlama olayı elektron çığını başlatmak için yeterlidir. Ancak bu sayaçlar fotonlar için etkili değillerdir. Bunun nedeni, sadece birkaç fotonun düşük basınçlı gaz içinde soğurulmasıdır. Sintilasyon sayaçları gazlı sayaçlara göre daha yüksek sayım hızlarına ve daha kısa ayırma zamanlarına sahiptir. Örnek olarak Geiger sayacında ayırma zamanı ~ 10-5 s iken, bu sayaçlarda 10-8 ile 10-9 s dir. Sintilasyon sayaçları özellikle gamma ışını spektroskopisini mümkün kılarak oldukça yaygın bir kullanım alanı bulmuşlardır. Bu sayaçlarda nükleer parçacık sintilatör içinde bir ışık pırıltısı (fotonu) oluşturur. Bu ışığın büyük bir kısmı optik bağ olarak adlandırılan ışık borusu ve yansıtıcı aracılığı ile fotoçoğaltıcı tüpün elektron çoğaltan elektrotlarında (dynode larda) birçok kez çoğaltılırlar. Böylece elde edilen akım atması dedektör çıkışında ön yükseltici girişinde bir sinyal oluşturur. Fotoelektik olayla ve 1,022 MeV dan büyük enerjili gammaların çift oluşumuyla oluşan elektronların kristal atomları elektronlarını uyarma veya koparmasıyla yayımlanan fotonlar NaI içine eklenen %0,03 oranında Tl atomlarıyla etkileşerek en fazla 303 nm lik dalga boyundan en fazla 410 nm lik dalga boyuna ulaşır. Bu 410 nm dalga boyundaki ışık kristalden hiç soğurulmadan geçer. Gelen gamma ve X-ışınları NaI ile birlikte Tl ile de etkileşecekleri için atomların elektronlarının uyarılma ve iyonlaşması olasılıkları artar. Işık fotokatoda çarpınca foton başına çoğunlukla bir elektron çıkar. Fotoçoğaltıcıya V aralığında, ard arda sıralanan dynodlar ( elektrotlar) arasında yaklaşık 100 V luk potansiyel farkı olacak şekilde güç kaynağı bağlanır. Böylece elektronlar elektrotlara yaklaşık 100 ev enerjiyle çarparlar. Dynod dan elektron koparmak için yaklaşık 2-3 ev yeterli olmaktadır. Gelen her elektron elektrotta ~ 10 elektron üretir. Kristal içinde fotonların dışarı kaçmaması için kristalin etrafı MgO veya Al203 ile kaplanmıştır. Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 42

43 Sayaç olarak kullanılacak sintilasyon maddesinde aranan en önemli özellikler; gelen fotonların oluşturduğu ışık fotonlarına karşı saydam olması, büyük hacimde elde edibimle ve atma boyları gelen parçacığın enerjisiyle orantılı olduğundan ışık veriminin yüksek olması şeklinde sıralanabilir. Kristal yoğunluğunun büyük olması ise sayacın verimliliğini arttırır. En yaygın olan CsI ve NaI gibi katı sintilatörlerin yanında, plastik ve sıvı sintilatör tipleri de mevcuttur. En yaygın kullanılanlardan biri Tl ile aktiflenmiş NaI kristalidir. NaI kristali içine %0,03 oranında Tl ilave edilerek kristalin sintilasyon verimi arttırılır. NaI(Tl) un sintilasyon verimi (kristale giren radyasyonun enerjisi başına oluşan ışık fotonu enerjisi) %12 civarındadır. Sayım verimlilikleri ise (sayma hızının radyoaktif kaynağın parçalanma hızına oranı) kristalin büyüklüğüne, şekline ve kaynak ile kristal arasındaki geometriye bağlıdır. DENEYDE KULLANILAN ALETLER 1. Sintilasyon sayacı (Kuyu Tipi) (Şekil 1) 2. SR8 Sayıcısı (Şekil 2) 3. Radyoaktif kaynak (Cs-137) Şekil 1. Kuyu tipi Şekil 2. SR8 sayıcı DENEYİN YAPILIŞI 1. SR8 ve sayıma hazırlık HV : 0 CHANNEL 1 Threshold : 662 Window : 20 ( E) KV : 0-1 AMP GAIN. *1 PRINT : OFF TEST : Kapalı Gazi Üni./FEF/Fizik/ Bahar 43