RADYASYON ÖLÇÜM YÖNTEMLERİ

Transkript

1 RADYASYON ÖLÇÜM YÖNTEMLERİ Konu 4 SİNTİLASYON DEDEKTÖRLERİ Prof. Dr. Doğan BOR

2 SİNTİLATÖRLER Soğurdukları radyasyonun sintilasyon ışığı olarak veren kristallerdir. FLORESANS : uyarılmış bir maddenin aniden görünür bölgede ışık yayması FOSFORESANS : Florasansa göre daha uzun dalga boylu ışığın daha yavaş sürede salınması GECİKMİŞ FLORESANS : Ani floresans ile aynın salınım spektrumunda ancak uyarılma sonrası ışık salınımın gecikmeli olması (ateş böceği)

3 SİNTİLATÖRLER İdeal bir sintilasyon maddesinin özellikleri aşağıdaki gibi olmalıdır: Yüklü parçacıkların kinetik enerjilerini yüksek bir sintilasyon etkinliği ile dedekte edilebilecek ışığa çevirmelidir. Bu dönüşüm doğrusal olmalıdır yani, ışık verimi soğurulan enerji ile geniş bir aralıkta orantılı olmalıdır. Işığın etkin bir şekilde toplanması için ortam kendi salınımının dalga boyunu geçirgen olmalıdır. Hızlı sinyal pulslarının oluşumu için oluşan luminesansın (aydınlanmanın) azalım zamanı kısa olmalıdır. Materyalin optik kalitesi iyi olmalı ve istenilen boyutta dedektör yapılabilmelidir. Sintilasyon ışığının fotoçoğaltıcı tüpe (PM tüp) etkin bir şekilde aktarımı için kırılma indeksi camın indeksine yakın olmalıdır.

4 SİNTİLATÖRLER İNORGANİK KRİSTALLER ORGANİK KRİSTALLER Yüksek ışık verimi ve doğrusallık Yavaş yanıt süreleri Düşük ışık verimi Hızlı yanıt süreleri

5 Inorganic Scintillators expensive Advantages high light yield [typical ε ~ 0.13] high density [e.g. PWO ~ 8.3 g/cm3] good energy resolution Disadvantages complicated crystal growth large temperature dependence Organic Scintillators cheap Advantages very fast easily shaped small temperature dependence Disadvantages lower light yield [typical ε ~ 0.03] radiation damage

6 İNORGANİK KRİSTALLER Aktive edilmiş bir sintilatörün enerji bant yapısı cooled NaI: h+ + e- exciton phonons + photon NaI(Tl): h+ + Tl + Tl2+ e- + Tl2+ (Tl+)* e- + Tl+ Tl0 h+ + Tl0 (Tl+)* (Tl+)* Tl+ + phonons + photon

7 SİNTİLASYON FOTONLARININ MEYDANA GELİŞLERİ

8 SİNTİLASYON FOTONLARININ MEYDANA GELİŞLERİ

9 SİNTİLASYON FOTONLARININ MEYDANA GELİŞLERİ

10 SİNTİLASYON FOTONLARININ MEYDANA GELİŞLERİ

11 SİNTİLASYON ETKİNLİĞİ Örnek : NaI(Tl) kristalinde 1 MeV enerji soğurulması; Meydana gelen parçacık sayısı : 1 iyon çifti yaratılması için gerekli enerji 20 ev 1 MeV enerji soğurulmasında; 10 6 / 20 = 5 x 10 4 e d çifti Enerji transferi : NaI(Tl) kristalinin etkinliği %12 1 MeV enerji soğurulmasında salınan toplam enerji; 10 6 x 12/ 100 = 1.2 x 10 5 ev Meydana gelen sintilasyon fotonlarının enerjisi 3 ev ise; Toplam sintilasyon foton sayısı : 1.2 x 10 5 / 3 = 4 x 10 4 foton 1 e d çifti için 1 Foton

12 BAZI İNORGANİK SİNTİLATÖRLERİN ÖZELLİKLERİ Material Maksimum salınımın Sintilasyon Azalım zamanı Yoğunluk dalga boyu (nm) verimi (%) (μs) (10 3 kg/m 3 ) NaI(Tl) ,23 3,67 CaF 2 (Eu) ,94 3,18 CsI(Na) ,63 4,51 CsI(Tl) ,00 4,51 Bi 4 Ge 3 O ,30 7,13 CdWO ,90 7,90 6 LiI(Eu) ,94 3,49

13

14 BAZI İNORGANİK SİNTİLATÖRLERİN ÖZELLİKLERİ

15

16

17

18

19

20 SİNTİLATÖRLERDE IŞIK TOPLANMASI Işık Klavuzu θ < θ c θ > θ c Optik özelliği farklı iki ortamın ara kesitindeki ışık yansıma ve kırılmaları θ c = sin -1 (n 1 / n 0 )

21 SİNTİLATÖRLERDE IŞIK TOPLANMASI Niçin Işık Klavuzu kullanılıyor? n = 1 n = 1.5 n = 1.85 Fotoçoğaltıcı tüp (hava) Işık klavuzu (borosilikat) Sintilasyon kristali (NaI(Tl) Sintilatör Işık klavuzu θ c = Sin -1 (1.5 / 1.85) = 54 0 Sintilatör fotoçoğaltıcı tüp θ c = Sin -1 (1 / 1.85) = 32 0 Işık klavuzu fotoçoğaltıcı tüp θ c = Sin -1 (1 / 1.5) = 42 0 θ c Işık geçirgenliği θ < θ c

22 NaI(Tl) Dedektörü ve Fotoçoğaltıcı tüp NaI(Tl) Kristali Sintilasyon Fotonları MgO veya Al 2 O 3 Optik Pencere Alüminyum Koruyucu Foto katot Elektronlar Dynotlar Anot

23 NaI(Tl) Dedektörü ve Fotoçoğaltıcı tüp

24 Bazı kristallere ait salınım spektrumları ile iki farklı fotokatotun soğurma bantları

25 FOTOÇOĞALTICI TÜPLER Kuantum Etkinliği ve Spektral Cevap QE = Salınan fotoelektron sayısı / Gelen foton sayısı İkincil Elektron Çoğalımı = Salınan ikincil elektron sayısı / Gelen primer elektron

26 SİNTİLATÖRLERDE PULS ANALİZİ i(t) = i c + i R Fototüp anot devresini temsil eden RC devresi Bir sintilasyon olayında meydana gelen ışık fotonlarının zaman içerisindeki davranışları basit bir üstel ifade ile temsil edilebilir.

27 ANOT AKIMI Sintilasyon fotonlarının oluşumuna benzer olarak anotta oluşan akım: i(t) = i 0 e -λt λ, sintilatörün azalım sabitidir. Başlangıç akımı ise tüm puls boyunca toplanan Q yüküdür. Bu nedenle, Q = i (t) dt = i 0 e -λt dt = i 0 / λ 0 0 i 0 = Q λ i(t) = Q λ e -λt

28 Anotta oluşan V(t) voltaj pulsunun irdelenmesi için önce paralel RC devresine giden akımın, kapasitör ve R direncinden geçen akımların toplamı olduğu dikkate alınırsa: i(t) = i c + i R Q = C V i = dq / dt = C dv / dt i(t) = C[dV(t) / dt] + [V(t) / R] i(t) = Q λ e -λt ifadesini kullanarak ve C ye bölerek, [dv(t) / dt] + [1 / RC] V(t) = (Q λ / C) e -λt

29 [dv(t) / dt] + [1 / RC] V(t) = (Q λ / C) e -λt V(0) = 0 başlangıç şartı ile çözülmesiyle, V(t) = [1 / (λ θ )] (λq / C) [ e - θ t - e -λt ] bulunur. Burada θ = 1 / RC anot zaman sabitinin tersidir.

30 Sinyal pulsunun anot ve sintilatörün azalım sabitlerine göre Ve her sabit için t nin uzun ve kısa değerleri için irdelenmesi V(t) = [1 / (λ θ )] (λq / C) [ e - θ t - e -λt ] 1. Durum: Anot zaman sabitinin sintilatör azalım zamanına göre uzun olması ( t >> t s ) ( θ << λ ) Anot azalım sabiti : θ = 1 / t Sintilatörün azalım sabiti : λ = 1 / t s V(t) = (Q / C) [ e - t/ t - e -t/ts ]

31 1.a Pulsun başlangıcı için (kısa zaman durumu ) : t << t Pulsun kısa süredeki ön kenarı dikkate alınıyor. Bu sürenin uzun olan t göre çok kısa olması gerek V(t) = (Q / C) [ 1 / e t/ t - 1 / e t/ts ] 1 V(t) = (Q / C) [ 1 - e -λt ] ( t<< 1/ θ)

32 1.b Uzun sürede puls şekli : t >> t s Pulsun kuyruk kısmı dikkate alınıyor, bu sürenin kısa olan sintilatörün azalım zamanına göre uzun olması gerekir V(t) = (Q / C) [ 1 / e t/ t - 1 / e t/ts ] 0 V(t) = (Q / C) [ e - θ t ] ( t >> 1/ λ )

33 SİNYALİN ZAMANA BAĞLI DAVRANIŞI ( θ << λ ) ( t >> t s ) 1. Pulsun ön kenarının zamana bağlı davranışı [ 1 - e -λt ] ile verilirken, doğuş zamanı sintilatörün ( λ ) azalım sabiti ile değişir. 2. Pulsun kuyruk kısmının davranışı e - θ t ile verilir ve anot devresinin zaman sabiti ile ( RC = 1 / θ ) azalır. 1. Pulsun genliği basitçe Q / C ile verilir, bu değere ancak θ << λ şartında ulaşılır. V(t) Zaman Işık pulsunun beklenilen davranışı Zaman Uzun zaman sabitinde anot pulsu

34 2. Durum: Anot zaman sabitinin sintilatör azalım zamanına göre kısa olması V(t) = [1 / (λ θ )] (λq / C) [ e - θ t - e -λt ] ( θ >> λ ) ( t << t s ) Anot azalım sabiti : θ = 1 / t Sintilatörün azalım sabiti : λ = 1 / t s V(t) = ( λ / θ ) (Q / C) [ e -λt - e - θ t ]

35 2.a Pulsun uzun zaman durumu : t s >> t Pulsun ön kenar davranışı için t nin uzun olan sintilatör azalım zamanına göre çok kısa olması gerek V(t) = (λ θ / Q C) [ 1 / e t/ts - 1 / e t/t ] 1 V(t) = (λ θ / Q C) [ 1 - e - θ t ]

36 2.b Pulsun uzun zaman durumu ) : t >> t Tüm puls bilgisinin toplanması için t nin kısa süre olan t göre uzun olması gerek V(t) = (λ θ / Q C) [ 1 / e t/ts - 1 / e t/t ] 0 V(t) = ( λ / θ ) (Q / C) [ e - λt ]

37 SİNYALİN ZAMANA BAĞLI DAVRANIŞI 1. Pulsun ön kenarının davranışı [ 1 - e - θ t ] ile verilir ve anodun zaman sabiti ile belirlenir RC = 1 / θ 2. Pulsun kuyruk kısmı [e -λt ] ile verilmekte olup sintilatör ışığına benzerdir 3. Pulsun maksimum genliği [λ Q / θc ] olup 1 inci durumdakinden hayli küçüktür. V(t) Zaman Işık pulsunun beklenilen davranışı Zaman Kısa zaman sabitinde anot pulsu

38 Sintilatör Elektroniğinin Basit Diyagramı Sayıcı Kaynak Sintilatör PM Tüp Önyükselteç Yükselteç Analizör Yüksek Voltaj Kaynağı Çok Kanallı Analizör

39 Enerji Ayırımı Gelen gama foton enerjisi ~ Sintilatörde oluşan ışık fotonu sayısı ~ Kattottan salınan Elektron sayısı ~ Anota gelen elektron sayısı ~ Çıkış pulsunun genliği γ kf n γ sf xe - Nxe - V 1 γ kf 4 x e e - 10 mv 1 MeV ~ 3 ev 250 kev 2.5 mv 500 kev 5 mv 1.0 mev 10 mv

40 ORGANİK KRİSTALLER Molekülün basitleştirilmiş enerji diyagramı

41 TİPİK ENERJİ SEVİYELERİ 10-8 Sn 10-4 Sn a) At room temperature practically all electrons in ground state. since energy of S1 states >> ev) b) Incident radiation populates S1 states vibrational levels within S1 band decay radiation-less to S1 base state, which in turn decays under emission of light to the S0 band. c) S1 can also decay to adjacent triplet levels. Since their energy is significantly lower, the decay time is much longer.

42 ORGANİK KRİSTALLER Sintilasyon olayı molekülün enerji seviyesindeki geçişler ile gerçekleşir ve Sintilatörün fiziksel yapısından bağımsızdır (katı, sıvı veya gaz halinde olabilir veya polimerlerin içine katılabilir) Yanıt süreleri son derece hızlıdır (10 nsn) Uyarılma enerjisi bir molekülden diğerine transfer edilir Sintilasyon etkinliğinin arttırılması için organik sintilatör bir çözücünün içerisine Katılır. Radyasyon önce çözücüde soğurulur ve enerji sintilatöre transfer edilir. Çözücü-sintilatör karışımına bazen sintilatörden salınan dalga boyunu değiştiren Bir madde daha ilave edilir. Böylelikle sintilatörün kendi ışığını soğurması önlenir ve PM tüpe uygun ışık oluşturulur. Çok düşük atom numaraları nedeniyle gama spektrumlarında fotopik yoktur Compton platosu kullanılır.

43 SOĞURULMA VE SALINIM SPEKTRUMLARININ ÇAKIŞMASI

44 SİNTİLASYON IŞIĞININ ZAMANA BAĞLI DEĞİŞİMİ Işığın t r zaman sabiti ile doğuşu I(t) = 1 exp(-t / t r ) Işığın t f zaman sabiti ile sönüşü I(t) = exp(-t / t f ) Toplam puls I(t) = I 0 (exp(-t / t f ) - exp(-t / t r )

45 GEÇİŞLERDE FOTON SALINMASI Uyarılma: A C Çok hızlı Termal denge C B 10 5 daha uzun Foton salınımı: B D Termal denge D A C B ve D A geçişlerindeki enerji moleküler veya latis vibrasyonları ile yok olur. Atomlar arası mesafe

46 QUENCHING : GEÇİŞLERDE FOTON SALINMAMASI Uyarılan elektron F ye ulaşırsa ve F geçişi foton salınmadan gerçekleşirse F1 Uyarılma: A C Taban seviyeye geçiş F F1 Termal denge F1 A Atomlar arası mesafe

47 BAZI ORGANİK SİNTİLATÖRLERİN ÖZELLİKLERİ Material Maksimum salınımın Sintilasyon Azalım zamanı Yoğunluk dalga boyu (nm) verimi (%) (μs) (10 3 kg/m 3 ) Antrasen ~30 1,25 Trans-Stilben 385 ~ ,16 NE ~65 2 1,06 NE ,06 NE 213 (sıvı) ~60 2 0,867 PILOT B ,06 PILOT Y ~3 1,06

48 ORGANİK SİNTİLATÖRLER TÜRLERİ Saf Organik Kristaller Yüksek sintilasyon etkinliği, yüksek yanıt hızı (Antrasen, Stilben) Sıvı Organik Kristaller Plastik Sintilatörler Çözücü ve dalgaboyu kaydırıcı ile kullanılırlar, sayım etkinliği %100 ulaşır (Karbon-14 ve Tirityum sayımında kullanılır) Eriyik haldeki organik sintilatör polimerize edilir İnce film sintilatörler Ağır iyonların sayımında kullanılır. Son derece ince (10mm) olan detektörden geçen parçacıklar sayılır