ÇEKİRDEK KİMYASI RADYASYONLARIN İZLENMESİ VE ÖLÇÜLMELERİ T.C. İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ KİMYA BÖLÜMÜ FİZİKSEL KİMYA ANABİLİM DALI

Transkript

1 T.C. İSTANBUL ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ KİMYA BÖLÜMÜ FİZİKSEL KİMYA ANABİLİM DALI ÇEKİRDEK KİMYASI Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU

2 Radyasyonların izlenmesi ve ölçülmeleri için bunların maddeye dokunması gerekir. Radyasyonlar maddeye çarpınca kimyasal, fotokimyasal, iyonizasyon, fosforesans ve flüoresans gibi çeşitli olaylara neden olur ve enerjilerini yitirirler. İşte bu özelliklerden yararlanarak radyasyonların izlenmesi ve ölçülmesi için aygıtlar yapılmıştır. İzlenme ve ölçme aygıtlarının bir grubu yüklerin toplanmasından yararlanır: İyonizasyon odaları, orantılı sayıcılar ve Geiger-Müller sayıcıları bu gruba girer. Diğer grup ise parçacıkların bireysel yüklerinden yararlanır: Fotoğraf yöntemi, Wilson sis odası yöntemi ve sintilasyon sayıcıları bu gruptandır. Tablo 1. Dedektörlerin sınıflandırılması. İYON TOPLANMASINA DAYANAN YÖNTEMLER Gaz İyonizasyon Aygıtları Elektroskop İyonizasyon Odaları Orantılı Sayıcılar Gaz Akımlı Orantılı Sayıcı Geiger-Müller (G-M) Sayıcıları İYON TOPLANMASINA DAYANMAYAN YÖNTEMLER Fotoğraf Yöntemi Wilson Sis Odası Yöntemi Sintilasyon Sayıcıları SAĞLIK KORUMADA KULLANILAN RADYASYON ÖLÇME AYGITLARI Film Dozimetreleri Cep Dozimetreleri Cep İyonizasyon Odaları LABORATUVAR GÜVENLİĞİNDE KULLANILAN RADYASYON ÖLÇME AYGITLARI Yoklama Aygıtları (Survey Meter) Alan Görüntüleme Aygıtları İyon Toplanmasına Dayanan Yöntemler Gaz İyonizasyon Aygıtları Bir gaz (örneğin hava, helyum ya da argon) içinde iki elektrot arasında oluşan iyonizasyon olaylarını inceleyelim. Bunun için Şekil 1 de görülen düzenekten yararlanılabilir. Oda metalik olup doğru akım kaynağının negatif kutbuna, odanın ortasına asılmış ve odadan yalıtılmış metalik bir tel de akım kaynağının pozitif kutbuna bağlanmıştır. Elektrotlar arasındaki voltajı giderek arttırarak sabit bir radyasyon kaynağı tarafından oluşturulan ve gaz içinde ölçülen elektrik yüklerine göre ne gibi olayların oluştuğunu görelim. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 1

3 Şekil 1. İyon toplama düzeneğinin şeması. Odaya giren bir alfa ya da beta parçacığı gazı iyonlaştırır. Pozitif iyonlar odanın çeperine, elektronlar da orta tele doğru göç ederler. Başlangıçta iyonlar küçük bir voltaj değişimi altında olduklarından elektrotlarda toplanma yerine bunlar tekrar birleşirler ve iyonların ancak çok az bir kısmı elektrotlara erişebileceğinden geçen akım azdır. Voltaj arttırıldığında iyonlar daha hızlı hareket etmeğe başlarlar ve yeniden birleşmeye zaman bulamadan gittikçe daha çok sayıda elektrotlarda toplanmış olurlar. Öyle bir voltaja erişilir ki iyonlaştırıcı radyasyonların oluşturduğu bütün primer iyonlar elektrotlarda toplanmış olur. Voltajın bundan sonra daha da arttırılması primer iyon sayısını değiştirmediğinden devreden geçen akım sabit kalır. İyon akımının sabit kaldığı voltaja, doymuşluk (satürasyon) voltajı, akıma da doymuşluk akımı denir. Doymuşluk voltajına kadar olan bölgeye (0-V 0 arası) tekrar birleşme bölgesi denir (Şekil 2). İyonizasyon akımının sabit kaldığı bölgeye (V 0 -V 1 arası) doymuşluk bölgesi ya da iyonizasyon odası bölgesi denir ki gaz iyonizasyon aygıtları için kullanılan üç çalışma bölgesinden birincisini oluşturur ve bir iyonizasyon odası ancak bu bölgede çalışabilir. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 2

4 Şekil 2. Bir sayıcının voltaja bağlı olarak çeşitli çalışma bölgelerini gösteren şema. Voltaj daha da arttırılacak olursa, belli bir değerden sonra iyonizasyon akımının tekrar artmaya başladığı görülür. Bunun nedeni iyonlaştırıcı radyasyonun oluşturduğu ilk (primer) iyonların elektrik alanda daha fazla hızlanmaları sonucunda gazda sekonder iyonları oluşturmalarıdır. Oluşan sekonder iyonlar primer iyonlarla orantılıdır. Buna gaz amplifikasyonu denir. Bu orantının sürdüğü bölgeye (V 1 -V 2 arası) orantılı bölge denir ve bu olaydan yararlanan sayıcıya da orantılı sayıcı denir. Voltajın daha büyük olduğu bölgeye (V 2 - V 3 arası) sınırlı orantılı bölge denir. Bu bölgede orantılı sayıcı kullanılmaz. Sekonder iyonların primer iyonlarla orantısı bozulmuştur. Daha yüksek bir voltaj (V 3 -V 4 arası) elektrotta toplanan yükün radyasyonun tipine ya da başlangıçta oluşan primer iyon sayısına bağlı olmadığını gösterir. Bu voltajda merkezi tel çevresinde alan şiddeti o kadar yüksektir ki ister primer ister sekonder kaynaklı olsun, oluşan herhangi bir iyon çifti gaz içerisinde bir ek iyonizasyon oluşturacak hıza ulaşabilir. Bunun sonucu olarak bir zincir tepkime oluşur ve bu da tüp içinde bir iyon çığı oluşturur. Bu bölgede çalışan dedektörler a kadar varabilen bir gaz amplifikasyon katsayısı sağlar. Bu bölge bir tek iyon çifti oluşturan herhangi bir radyasyona karşı çok hassas olduğundan tek tek iyonlaşma olayları gerçekleşebilir. V 3 -V 4 voltaj bölgesi ilk önce Geiger tarafından incelendiği için bu bölgeye Geiger bölgesi, sayıcıya da Geiger-Müller sayıcısı denir. Voltaj Geiger bölgesinden sonra daha da arttırılacak olursa, gaz içinde ark (ışıklı elektrik boşalımı) oluşur ve sürekli bir deşarj (boşalım, boşalma) oluşur ki bu bölgede Geiger sayıcısı kullanılmaz. Hatırlatma: Gaz iyonizasyon aygıtları için yukarıda incelenen beş voltaj bölgesinden ancak iyonizasyon odası bölgesi, orantılı bölge ve Geiger bölgesinde çalışan, iyonizasyon odası, orantılı sayıcı ve Geiger-Müller sayıcısı radyasyonların izlenmesinde özel amaçlar için kullanılabilir. Ancak aynı bir dedektörün voltajını, yukarıda verilen şekilde ayarlayarak aynı dedektörün iyonizasyon odası, orantılı sayıcı ya da Geiger-Müller sayıcısı olarak kullanılabileceği sanılmamalıdır. Şekil 2, ayrı denemelerin yalnız bir arada şematik olarak gösterimidir. Her bir dedektörün ayrı yapım şekli ve özellikleri vardır. Bunlar aşağıda kısaca anlatılacaktır. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 3

5 Elektroskop Radyoaktifliğe ait çalışmalarda kullanılan aygıtların ilk ve en basitlerinden biri elektroskoptur (Şekil 3). Bu bir iyonizasyon odası olup elemanlarından biri dış koruma kabı, diğeri bir çift altın yaprak olan bir elektrik kondansatörü (kapasitörü) olarak çalışır. İki eleman bir pilin uçları arasına bağlandıklarında zıt işaretli olurlar ve altın yapraklar, benzer yükler arasındaki elektrostatik itme nedeniyle birbirinden ayrılırlar (A ve A durumu). Pil kaldırılır ve elektroskopun yakınına bir radyoaktif madde yaklaştırılırsa, radyasyonların oluşturduğu iyonlar kondansatörün zıt işaretli elemanlarına doğru göç ederler ve elektroskopun yükünü nötralleştirip onu boşaltırlar. Böylece altın yapraklar birbirine yaklaşır (B ve B durumu). Şekil 3. Bir elektroskop şeması. Elektroskopun altın yapraklarının kapanma hızı, oda içindeki gazın iyonlaşma hızının ve dolayısıyla iyonlaştırıcı radyasyonun şiddetinin ölçüsüdür. Örneğin iki radyoaktif a 1 t 2 maddenin aktiviteleri a 1 ve a 2, altın yaprakların kapanma zamanları da t 1 ve t 2 ise, a 2 t 1 dir. Aktivitelerden biri belli ise diğeri bulunur. Radyoaktif nesne alfa, beta ve gama ışınları yayıyorsa, bunların hepsi iyonlaşmaya yardım ederler. Ama alfa ışınlarının bağıl iyonizasyonu en fazla olduğundan, aygıt gerçekte bir alfa ışını elektroskopudur. Radyoaktif nesnenin üzerine 0,01 cm kalınlığında bir alüminyum levha konularak alfa ışınları absorplanabilir ve böylece bir beta ışını elektroskopu yapılır. Bu durumda gözlenen iyonlaşma beta ve gama ışınlarına aittir. Ancak gama ışınları beta ışınlarına göre çok daha az iyonlaştırıcı olduklarından altın yaprakların yaklaşması hemen hemen beta ışınlarının iyonlaşmasından ileri gelir. Yalnız gama ışınlarının aktivitesini ölçmek için örnek 2-3 mm kalınlığında kurşun levha ile örtülür. Kişisel radyasyon ölçme aygıtları arasında kullanılan cep dozimetreleri, Londverk ve Lauristen elektroskopları bu tipten aygıtlardır. İyonizasyon Odaları İyonizasyon odaları, içlerinde radyasyon tarafından oluşturulan iyonizasyonu gaz amplifikasyonu olmadan ölçen en basit aygıtlardır. Bir iyonizasyon odası sistemi başlıca üç kısımdan oluşur: Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 4

6 a) İyonizasyon odası b) Elektronik devre c) Gösterge İyon odaları bir gaz (hava, helyum ya da argon) içeren cm 3 hacminde bir metalik oda ile odadan ve birbirinden yalıtılmış iki plaktan yapılmış olup bunların arasına birkaç yüz voltluk potansiyel uygulanır. Denenecek radyoaktif örnek, odanın içine ya da yakınına konulur. Bu sonuncu durumda, odanın, radyoaktif örnek tarafından gönderilen parçacıkları ya da fotonları geçirecek incelikte, alüminyumdan ya da uygun bir maddeden yapılmış bir penceresi olması gerekir. Odaya giren iyonlaştırıcı bir radyasyon gazı iyonlaştırır. Bu iyonlar, aralarına bir gerilim uygulanmış elektrotlar yardımıyla toplanır ve bunların oluşturduğu iyonlaşma akımı hassas bir elektrometreyle ya da elektronik bir düzenekle şiddetlendirilerek bir mikroampermetrede ölçülür. Mikroampermetre genellikle miliröntgen/saat cinsinden ayarlanır. Odanın elektrotları arasına uygulanan gerilimin, odayı doymuşluk hale getirecek kadar yüksek olması gerekir. Böylece doymuşluk iyonizasyon akımı, gönderilen radyasyon miktarının ve dolayısıyla denenen örnekte bulunan radyoaktif madde miktarının değerini verir. Bu tip aygıtlar radyasyonları tek tek ölçmeyip, dedektör içindeki toplam iyonizasyonu ölçerler. Dedektör içinde gazın basıncı genellikle atmosfer basıncına eşittir. Ancak özel amaçlar için farklı gazlarla doldurulmuş iyonizasyon odaları yapılabilir. Örneğin gama radyasyonları için yüksek basınçlı iyonizasyon odaları kullanılır. İyonizasyon odalarıyla bağıl iyonizasyonu çok yüksek olan alfa ışınları çok yüksek amplifikasyonlu sayım amplifikatörleri kullanılarak tek tek sayılabilir ve bunların enerjileri ölçülebilir. Ancak beta ve gama halinde bu sayım olası değildir, bu durumda bir zaman aralığında yüklerin toplanması, yani integre edilmesinden yararlanılır. Orantılı Sayıcılar Alfa ve beta ışınlarını tek tek saymak ve enerjilerini ölçmek ya da çeşitli ışınlar içinden belli enerjide olanları seçip saymak için en uygun olan detektörlerdir. Orantılı sayıcıların Geiger sayıcıları gibi çeşitli tipleri vardır. Dipten pencereli (end window) ve penceresiz gaz akımlı orantılı sayıcılar en çok kullanılanlardır. Bunlar Geiger sayıcılarına benzerdir, ancak yapım teknikleri farklıdır ve orantılı bölgede kullanılırlar. Çalışma voltajları oldukça yüksek olup volt arasında değişir. Gaz amplifikasyonu faktörü seviyesindedir. Alfa parçacıklarının bağıl iyonizasyonu yüksek olduğundan beta ve gama ışınlarına göre daha büyük sayımlar oluşur. O halde, orantılı bölgedeki çalışma voltajını iyi seçerek ve elektronik devreyi iyi ayarlayarak alfa parçacıkları dışında kalan radyasyonlardan oluşan bütün sayımları yok ederek aygıtta yalnız alfa parçacıklarının sayımı yapılır. Bir orantılı sayıcı devresi başlıca şu kısımlardan oluşur (Şekil 4): a) İyonizasyon odası b) Elektronik devre c) Sayıcı ve kaydedici devre. İyonizasyon odası silindir şeklinde olup negatif elektrotu, silindir ekseni boyunca gerilmiş bir tel de pozitif elektrotu oluşturur. İyonizasyon odası atmosfer basıncında hava ya da bir başka gazla doldurulmuştur. Orantılı sayıcı en çok alfa parçacıklarının izlenmesinde kullanılır. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 5

7 Şekil 4. Bir orantılı sayıcı devresi şeması. Gaz Akımlı Orantılı Sayıcı Alfa ve beta ışınlarının izlenmesi ve sayımı için çoğu zaman gaz akımlı orantılı sayıcılar kullanılır. Genellikle yarım küre şeklinde olan penceresiz oda negatif elektrotu, bunun içine sokulmuş ve odadan yalıtılmış 0,025 mm çapında bir tungsten tel halka da pozitif elektrotu oluşturur. Örnek, odanın içine yerleştirilir ve odadan bir gaz ve genellikle metan gazı geçirilerek oda gazla dolu tutulur. Örnek tüpün altına özel bir sürgü düzeneği ile sürülür. Böylece örnek sayıcı tüpün içinde olduğu için sayım G-M sayıcısındakinden daha iyidir. Gaz akımlı orantılı sayıcının, G-M tüpüne benzer iki düzlüğü vardır (Şekil 5). Birinci düzlük alfa düzlüğü olup yaklaşık olarak volt arasında, diğer beta düzlüğü olup volt arasında bulunur. Her düzlüğün orta noktası çalışma voltajı olarak alınır. O halde alfa parçacıklarını saymak için voltajı alfa çalışma voltajına, betaları saymak için de beta çalışma voltajına ayarlamak gerekir. Ancak bu son durumda betalar alfalarla birlikte sayılacağından, yalnız betalar sayılmak istenirse alfa parçacıklarını absorplamak için örnek üzerine 8 mg/cm 2 lik bir alüminyum levha konulur. Ancak bu sırada düşük enerjili betalar da absorplanmış olacaktır. Bir başka yöntem, alfa düzlüğünde alfalar, beta düzlüğünde de alfa+betalar karışımı sayılır ve bu son sayımdan alfalara karşılık gelen sayım çıkarılarak yalnız betalar bulunur. Şekil 5. Gaz akımlı sayıcı düzlükleri. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 6

8 Geiger-Müller (G-M) Sayıcıları Radyasyonların izlenmesi bakımından en fazla kullanılan sayıcı Geiger-Müller sayıcısıdır. Bir Geiger-Müller tipi dedektörün iyon toplama ilkesi genel olarak iyonizasyon odası aygıtlarındakinin aynıdır. Ancak iyonizasyon odasında gaz amplifikasyonu olmadan radyasyonun oluşturduğu primer iyonizasyon ölçülür. Oysa Geiger-Müller aygıtları primer iyonların oluşturduğu sekonder iyonlar nedeniyle gaz amplifikasyonu ile ölçülür. Oluşan sekonder iyon çiftleri sayısının primer iyon çiftlerine oranı, yani gaz amplifikasyonu faktörü 10 9 kadar büyük bir değer alabilir ve dolayısıyla sayımlar çok büyük olur. Bir Geiger-Müller Sayıcı Sisteminin Kısımları Bir Geiger-Müller sayıcı sistemi genellikle şu kısımlardan oluşur (Şekil 6): a) G-M tüpü b) Elektronik devre c) Sayıcı ve kaydedici devre Bu temel kısımlardan başka radyoaktif örneğin sayıcıya göre standart bir geometriye sahip olmasını sağlamak için bir kaynak taşıyıcı ve background ın sabit bir minimum değere düşmesini sağlamak için sayıcı tüpü, kaynak taşıyıcısını ve denenecek kaynağı içine alan bir kurşun koruma kabı. Şekil 6. Bir G-M sayıcı sistemi şeması (Amplifikatör: Yükselteç, Diskriminatör: Ayrıştırıcı, Redresör: Akım Düzenleyici). a) Geiger-Müller Tüpü Geiger-Müller tüpü genellikle bakır ya da uygun maddeden yapılmış bir silindirik katotla (negatif yüklü elektrot), bunun ekseninden geçen tungstenden yapılmış bir tel anottan (pozitif yüklü elektrot) oluşur. Tüpün dibi ince bir mika zarla kapalı olan sayıcılara dipten pencereli (end window) denir (Şekil 7). Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 7

9 Şekil 7. Geiger sayıcısı ile absorpsiyon incelenmesi. Penceresiz gaz akımlı tüpler de vardır. Tüp ya saf bir gaz ya da bir gaz karışımıyla doldurulur ve bütün sistem genellikle camdan bir kılıf içine alınır. Başka tipler de katot sayıcının dış kılıfını oluşturur ve ortadaki anot teli silindir şeklindeki katodun uçlarındaki yalıtkan kapaklar üzerinde durur (Şekil 8). Şekil 8. Bir Geiger-Müller sayıcı tüpünün diyagramı. Tüpteki gazın türüne göre Geiger-Müller sayıcıları iki tipe ayrılır. Birinci tip sayıcılarda hava, hidrojen, asal gazlar (çoğunlukla argon) ya da bunların karışımları kullanılır. Bunlara kendinden sönümlü olmayan sayıcılar denir. İkinci tiptekilere ise kendinden sönümlü sayıcılar denir. Bunlarda basit gazlarda % arasında değişen miktarda söndürücü (yatıştırıcı, etkisiz hale getirici) gaz karışımı kullanılır. Söndürme gazı olarak örneğin izobütan, etil alkol gibi organik maddeler ya da klor, brom gibi halojen buharları kullanılır. Tüpteki gazın basıncı 2-10 cm Hg dır. Geiger-Müller Sayıcısının Çalışması Tüpün içine giren bir iyonlaştırıcı radyasyon, iyon çiftleri oluşturur. Elektronlar pozitif yüklü orta tele, pozitif iyonlar da negatif yüklü silindire doru giderler. Potansiyelin yüksek Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 8

10 olmasından primer iyonlar sekonder iyonları oluşturur. Bir an gelir ki, orta tel üzerinde bir elektron çığı oluşur. Bu bir deşarja neden olur ve aygıtta bir sayım oluşur. Bu sırada pozitif iyonlar daha yavaş olarak katoda doğru yönelirler ve yolları üzerindeki gaz moleküllerini iyonlaştırırlar ya da silindirin çeperine çarparak yeni elektronlar oluştururlar ve bunlar da yeni sayımlar doğurur. Böylece bir kere deşarj başlayınca bu devam eder. Gerçek sayımla, pozitif iyonların oluşturdukları iyonlaşma nedeniyle gözlenen sayımı ayırt etmek gerekir. Bunun için pozitif iyonların silindire gelmelerini önlemek gerekir. Buna iki yoldan ulaşılabilir: a) Dış söndürme (quenching): Her pustan sonra bir süre orta telin voltajı Geiger bölgesinden daha düşük bir değere indirilir ya da bir an için voltaj kesilir. Bu, elektronik olarak yapılır. b) İç söndürme: Bugün daha fazla kullanılan bir yöntem olup sayıcıdaki gaza az miktarda çok atomlu bir gaz katılır. Pozitif iyonlar katoda giderken katılan gazın moleküllerine çarpıp enerjilerinin bir kısmını kaybederek katoda gidip sekonder iyonlar oluşturma olasılıkları azalmış olur. Söndürme (quenching) gazı olarak bütan, etil alkol gibi maddeler kullanılırsa bunlara organik söndürücü denir. Bunların ömürleri 10 8 sayım kadardır. Çünkü bu gazların moleküllerinin parçalanmaları tek yönlüdür. Tipik bir sayıcı dolayında söndürücü buhar molekülü içerir ve her deşarjda bunlardan kadarı disosiye olur. O halde sayıcının kuramsal ömrü sayım saymak ise de uygulamada normal ömrü 10 8 sayım seviyesindedir. Bu nedenle bir süre sonra yeniden gaz karışımı ile doldurulması gerekir. Söndürme maddesi olarak klor, brom ve bunların bileşiklerinin gazları kullanıldığında bunlara halojen-söndürücü denir. Bu tip tüplerin ömürleri çok daha uzundur, çünkü bu halde tepkime iki yönlüdür. Argon ve etil alkol karışımı ile doldurulmuş sayıcılar alkolün yoğunlaşması nedeniyle 0 o C nin altında çalışmazlar. Düşük sıcaklıklarda kullanmaya uygun söndürme karışımları etil bromür ve halojenlerdir. Etil bromür -25 o C ye, halojenler ise -70 o C ye kadar kullanılabilir. Geiger-Müller Sayıcısının Karakteristik Eğrisi Sayıcıya uygulanan voltajla elde edilen sayım hızı (dakikadaki sayım) arasında grafik çizilirse Şekil 9 da görüldüğü gibi bir eğri elde edilir. Radyoaktif örnek G-M tüpünün ince penceresi önüne konulmadan önce sayıcıda bir sayım yapılır. Buna background denir. Bu sayımın kökeni kozmik ışınlar ya da doğal radyoaktif maddelerden gelen ışınlardır. Örneğin G-M sayıcısının ince penceresinin önüne konulup voltaj arttırıldığında ilk sayımların sayılmaya başlandığı voltaja başlama voltajı denir. Voltaj az miktarda arttırıldığında sayım hızında hızlı bir artış görülür. Öyle bir voltaja varılır ki, bundan sonraki voltaj artışları sayım hızında çok fazla değişiklik göstermez. Bu voltaja eşik voltajı denir. Bu bölgeye de düzlük denir. Bir G-M sayıcısının düzlüğünün geniş olması sayıcının o kadar üstün olmasını sağlar. Çünkü bu durumda düzlük voltajında sayım hızı voltaj değişmelerinden etkilenmez. G-M sayıcılarının çoğunda düzlük volt dolayındadır. Bazı amaçlar için düşük voltajlarda çalışan sayıcılar da vardır. Pille çalışan taşınabilir sayıcılar, 400 volt gibi düşük voltajlarda çalışırlar. Bunlar en çok halojenle söndürülen cinstendir ve dolduruldukları gaz, argon ile neon karışımı ve söndürücü karışımdan oluşur. Daha yüksek voltajlarda voltaj arttıkça eğri dik olarak yükselmeye başlar, sayıcı içinde devamlı bir deşarj başlar ve sayıcı saymaya uygun olmaktan çıkar. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 9

11 Şekil 9. Geiger- Müller sayıcısının karakteristik eğrisi. Uygulamada düzlük çok ender olarak düz olup genellikle yüksek sayımlar yönünde hafif bir eğim gösterir. Düzlüğün eğimi, uygulanan voltajın 1 volt (ya da 100 volt) değişmesine karşılık sayım miktarının yüzde değişmesi olarak açıklanır. Örneğin V 1 voltajında sayım hızı R 1, V 2 voltajında sayım hızı R 2 ise volt başına yüzde eğim, 100 volt başına yüzde eğim ise, 100(R 2 V 2 R ) / R 1 V (R 2 V 2 R ) / R 1 V dür. İyi bir G-M sayıcısı için eğimin 100 volt için % 10 u aşmaması gerekir. Genellikle eğim 100 volt için % 3 ten azdır. Ölü Zaman Sayıcı bütün iyonlaşmaları saymaz. Genellikle bir sayımla ikinci bir sayım arasında bir ya da birkaç iyonlaşma olabilir, ancak aygıt bunlardan birini sayar. Böylece sayıcının iki sayım arasında hassas olmadığı bir zaman aralığı vardır. Bir sayımdan sonra kendini gösteren ve bu süre içinde hiçbir sayım oluşmayan zamana ölü zaman (dead time/resolving time) denir. Ölü zamanın nedeni, anot dolayından pozitif iyonların uzaklaşmaları için geçen zaman olarak düşünülebilir. Gerçekten, tüpün yeniden sayım yapabilmesi için pozitif iyonların telden uzaklaşması ve negatif yüklü çepere varması gerekir. Bu zaman süresince sayıcıya gelen parçacıklar sayılmadığından ölü zaman sayımda hatalara neden olur. Genellikle kaydedilen sayım gerçek değerinden daha düşüktür. Yaklaşık bir ölü zaman düzeltmesi için kaydedilen sayım hızına 1000 sayım/dakika için % 0,5 eklenir. Örneğin kaydedilen sayım dakikada 3000 ise, katılması gereken düzeltme 3x% 0,5 ya da 3000 için % 1,5 olup bu durumda yaklaşık doğru sayım 3045 sayım/dakikadır. Ölü zaman T, gözlenen sayım hızı r (=n/t), gerçek sayım hızı da R (=N/t) ise, Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 10

12 r R 1 rt yazılabilir. Ölü zaman mikrosaniye ile ölçüldüğünden yaklaşık olarak, R r r 1000 eşitliğinden yararlanılabilir. Ölü zamanın daha doğru değerini elde etmek için başka yöntemlere başvurulur. Bir sayıcının ölü zamanını bulmak için çift kaynak yönteminden yararlanılabilir. İki kaynağın aktiviteleri ayrı ayrı (r 1 ve r 2 ) ve birlikte (r 1,2 ) bulunur. Ölü zamanı hesaplamak için şu eşitlikler kullanılır: r1 r2 r1,2 T 2r r 2(r1 r2 r1,2 ) T (r1 r2 ) r1r2 ya da, T1 T T1 1 (r1,2 3rb) 2 Burada T ölü zamandır. T 1 de şu eşitlikle verilmiştir: r1 r2 r1,2 rb T1 2(r1 rb )(r2rb ) Bu eşitliklerde r 1 ve r 2, 1. ve 2. kaynakların aktiviteleri, r b background, r 1,2 de birlikte kaynakların aktivitesidir. b) Elektronik Devre Elektronik devre sayıcı tüpü için gerekli olan voltajı sağlar. Deşarjın söndürülmesine yardım eder, tüpten gelen sayımları alır ve bunları şiddetlendirir ve bu sayımları bir kulaklıkla işitilebilecek ya da bir mikroampermetre ile ölçülebilecek elektrik akımına çevirir. Bir elektronik devrede başlıca şu kısımlar vardır (Şekil 6): Ön amplifikatör (Yükselteç): Dedektörden gelen sayımları daha sonraki elektronik katlar için amplifiye eder (çoğaltır) ve aynı zamanda dedektör ile elektronik devre arasında empedans (çevirme, dönüştürme) uyumunu sağlayan aygıt görevini yapar. Diskriminatör (Ayrıştırıcı): Bunlar belli sayım yüksekliğinin üstünde olan sayımları geçiren ve küçük sayımları yok eden devrelerde istenilen sayım seçimi için kullanılırlar. Böylece amplifikatör gürültüsünden ileri gelen hafif işaretler kesilmiş olur. c) Sayıcı (Scaler) ve Kaydedici Devre Sayıcı (scaler), bir elektronik toplama makinesi görevi yapar. Bunlar belli sayıda giriş impulsu (vuruşu) aldığı zaman bir tane çıkış impulsu verirler. Bir sayıcı devrenin çıkış impulsu başına giriş impulsu sayısına sayım faktörü denir. Sayıcılar ikili ya da onlu sistemlerdir. İkili T Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 11

13 sayıcı, sayım faktörü iki olan bir sayıcıdır. Onlu sistemde ise sayım faktörü ondur ve gelen on sayım için bir çıkış sayımı elde edilir. Sayıcı devrede son sayım aşamasında alınan sayımların sayısını gösteren bir kayıt aygıtı ya da röleli mekanik bir sayaç kullanılır (Röle, düşük akımlar ile çalışan elektromanyetik anahtardır). Gerçek Sayım ve Gözlenen Sayım Bir sayıcının verdiği sayımla gerçek sayım aynı değildir. Örneğin bir örneğin dakikadaki dezentegrasyon (bozunma) sayısı (sayım hızı) dir. Bu, örneğin gerçek aktivitesidir. Geiger-Müller sayıcısı dakikada 1000 sayım vermiş olsun. O halde gözlenen 1000 aktivite 1000 sayım/dakikadır. Buna göre sayıcının yüzde verimi 100x % 10 dur Her bir G-M sayıcısının belli bir verimi vardır ve bu çeşitli nedenlerden ileri gelir. Geometriden: Örneğin belli bir şekli vardır. Dezentegrasyon sonucu oluşan parçacıklar değişik yönlerde örnekten ayrıldıklarından bir kısmı sayıcıya girmez. Bu faktöre geometri denir. Geri dönme (Backscattering): Örnekte oluşan parçacıklardan bir kısmı örneğin bulunduğu kabın dibine çarpıp geri döner. Buna backscattering denir. Kabın atomlarının atom numarasının büyüklüğü oranında fazladır. Öz difüzyon (Selfscattering): Örneğin verdiği parçacıkların özellikle örnek içinde difüzlenmesine (yayılmasına, dağılmasına) selfscattering denir. Örnekte bulunan ağır atomların varlığı ve örnek kristallerinin şekline ve büyüklüğüne bağlıdır. Öz absorpsiyon (Self-absorption): Örnekte oluşan parçacıklardan bir kısmı sayıcıya girmeden absorplanırlar. Bu absorplanma sayıcı penceresinde, örnek ile pencere arasındaki havada ve özellikle örnek içinde olur. Örnek çok ince ise, self absorption azdır ve böyle bir örneğe sonsuz ince denir. Örnek kalın ise, örneğin dip tarafında oluşan radyasyonların üst kısma gelmeleri olanaklı olmayabilir, örneğe sonsuz kalın denir. Ölü zaman: Bir parçacık sayıcıya girmiş olsa bile bir sayım oluşmayabilir. Bu da ölü zamandan ileri gelir. O halde her G-M sayıcısının bir verimi vardır. Şartlar olanaklı olduğu kadar sabit tutularak başarı sağlanabilir. İyon Toplanmasına Dayanmayan Yöntemler Fotoğraf Yöntemi Bu yöntem, radyasyonların kimyasal özelliğine dayanır. Becquerel, radyoaktifliği, radyoaktif ışınların fotoğraf plakalarını karartmasından bulmuştur. Bugün 100 mikron ve daha fazla kalınlıkta nükleer emülsiyonlu plakalar yapılarak çekirdek tepkimelerini gerçekleştirmek olanaklı olmuştur. Bu özel plakalara ilford plakaları denir. Bunlardan yararlanarak gerek çekirdek tepkimeleri, gerekse kozmik ışınlar incelenebilmiştir. Her tip parçacığın kendine özgü izi vardır. Böylece birçok kozmik ışın olayları böyle fotoğraflarda analizlenmiştir. Bu fotoğraf plakalarıyla organizmaya giren radyoizotopların oluşturdukları etkileri belirlemek olanaklıdır. Buna otoradyografi denir. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 12

14 Wilson Sis Odası Elektrikli parçacıkların yörüngelerini izlemeye ve fotoğraflarını almaya yarayan sis odası ya da sis yörüngeleri yöntemi ilk kez 1911 de C. T. R. Wilson tarafından bulunmuştur. Bu yöntem, su buharı ile doyurulmuş bir gaz birdenbire bir genişleme ile soğutulduğunda gazdaki iyonların su buharı için birer yoğunlaşma merkezi oluşturma özelliğine dayanır. İyonlaşma odası, üstü bir camla örtülü ve içerisinde su buharı ile doyurulmuş hava bulunduran bir silindirdir (Şekil 10). Silindir içindeki piston birden indirilirse, bu ansızın oluşan genişleme ile soğuma olur. Bu sırada gazdan, yolu üzerinde iyonlar oluşturan bir elektrikli parçacık geçirilecek olursa, su buharı, iyonlar üzerinde yoğunlaşarak tespih taneleri gibi dizilmiş beyaz bir yol şeklinde parçacığın izlediği yörünge elde edilmiş olur. Yörünge ya doğrudan doğruya görülür ya da fotoğrafı alınır. Yörüngenin devamı çok kısa, 0,01 saniyedir. O halde genişleme sırasında anlık fotoğraf almak gerekir. Bunun için de aygıt yüksek oranda aydınlatılmalıdır. Parçacıkların geçişinin çok az olduğu durumlarda, tam parçacığın geçeceği sırada aygıtı harekete geçirmek için Wilson odasına bir Geiger sayıcısı bağlanır. Sayıcı bir parçacığın geldiğini haber verdiği zaman genişleme odası harekete geçirilir. Elektronlar ince, alfa parçacıkları ve atom çekirdekleri ise daha kalın izler verir. Modern fizikte olayların fotoğrafı stereoskopik olarak alınır. Şekil 10. Wilson sis odası şeması. Difüzyon sis odası ise, yoğunlaşabilen bir buharın, doymamış olduğu sıcak bir bölgeden aşırı doymuş hale geldiği soğuk bir bölgeye difüzlenmesiyle çalışır. Buhar metil alkol ya da etil alkoldür. Hava, yaklaşık 0,26-4 atmosfer basınçlarda, hidrojen atmosferde gaz olarak uygundur. Aygıtta buhar üstten, sıcak bölgeden verilir ve odanın dibi ısıtılarak içerisinde kararlı bir sıcaklık dağılımı sürdürülen bir bölge arasında aşağıya doğru difüzyona uğrar. Sis odasında olduğu gibi iyonlar üzerinde damlalar oluşur. Difüzyon odası, genişleme odasının tersine devamlı olarak hassastır. Bu özelliği ve mekanik basitliği nedeniyle difüzyon odasının üstünlüğü varsa da sis odası hala daha fazla kullanılmaktadır. Şimdi bu yöntemlerin yerini, daha çok aşırı ısıtılmış uygun sıvılarla oluşturulmuş kabarcıkları kullanan kabarcık odası yöntemi almıştır. Yüksek enerjili parçacıklar halinde kullanılan bir başka sayıcı da Cerenkov sayıcısıdır. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 13

15 Sintilasyon Sayıcıları (Scintillation Counters) Bu sayıcılar radyasyonların fosforesans ve flüoresans oluşturmalarına dayanır. Bir radyasyon, bir flüoresan nesne üzerine gönderildiğinde bir ışıldama olur. Bu yöntem Rutherford tarafından kullanılarak ilk transmütasyonun bulunmasını sağlamıştır. Aynı şekilde Crookes un spintariskop adını verdiği aygıt da bu yönteme dayanır. Kullanılan flüoresan ZnS ekranıdır. Son yıllarda radyasyon ölçülmesinde en hızlı gelişme gösteren aygıt sintilasyon sayıcılarıdır. Sintilasyon sayıcıları, yüksek enerjili parçacıkların ya da gama ışınlarının flüor ya da fosfor denilen nesneler üzerine gönderilerek oluşan radyasyonların önce bir fotokatot üzerine gönderilip burada oluşan fotoelektronların fotomültiplikatörlerden geçirilerek sayılarını arttırmak ve sonunda bunların kaydedici aygıtta belirlenmesidir. En çok kullanılan flüorlar şunlardır: Alfa flüorları: Gümüşle aktifleştirilmiş çinko sülfür, saydam bir plastik üzerine ince (yaklaşık olarak 10 mg/cm 2 ) ve homojen bir katman halinde yayılarak kullanılır. Beta flüorları: Antrasen ya da az miktarda antrasen içeren büyük naftalin ve stilben kristalleri, beta parçacıklarının sintilasyonla izlenmesinde kullanılır. Son zamanlarda plastik flüorların daha kullanışlı olduğu bulunmuştur. Gama flüorları: Talyum ile aktifleştirilmiş bütünleşik bir sodyum iyodür NaI (Tl) kristali gama ışınlarının sayımı için en iyi flüordur. Sıvı sintilasyon sayıcıları da vardır. Bu halde örnek ve flüor aynı çözücüde çözünür. Tipik bir sintilasyon sıvısı tolüende p-terpnenildir. Fotokatot: Katot genellikle antimonlu sezyumdan yapılmış ince bir levhadır. Fotomültiplikatör: Modern sintilasyon sayıcılarının en önemli kısmı olan fotomültiplikatörler çeşitli şekillerde olabilir. Bunlar berilyum-bakır alaşımından yapılmışlardır. Bunlara diyot ya da dinot denir. Dinotlara artan voltajlar uygulanır ve buralarda oluşan elektronlar bir dinottan diğerine gittikçe sayıları devamlı olarak artar. Bu elektron amplifikasyonu olayı birbirini izleyen dinotlar boyunca devam ederek anotta son bulur (Şekil 11). Örneğin, fotokatottan 5 elektron çıkmış olsa ve aygıtta n sayıda dinot bulunmuş olsa sonunda 5 n sayıda elektron oluşmuş olur. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 14

16 Şekil 11. Sintilasyon sayıcı tüpü şeması. Bir sintilasyon sayıcı sistemi kristal-fotokatot-fotomültiplikatör sistemi, yüksek voltaj redresörü, amplifikatör, sayıcı devre denilen aygıtlardan kuruludur. Sintilasyon sayıcıları fotomültiplikatör tüpü üzerine uygun fosforun yerleştirilmesiyle alfa, beta, X ışınlarını, nötronları ve özellikle gama ışınlarını belirlemede kullanılır. Radyasyonların enerjilerini ve bunları veren nüklitlerin tanınması bakımından sintilasyon spektrometreleri yapılmıştır. Şekil 12 de Cs 137 nin verdiği gama ışınlarının (662 KeV) bir NaI (Tl) kristalinde elde edilen spektrumu verilmiştir. Şekil 12. Cs 137 nin verdiği gama ışınlarının (662 KeV) bir NaI (Tl) kristalinde elde edilen spektrumu. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 15

17 Sağlık Korumada Kullanılan Radyasyon Ölçme Aygıtları Radyoaktif maddelerle çalışan laboratuvarlarda sağlığı korumada yararlanılan araçlar genellikle şu amaçlar için kullanılır: - Laboratuvarlarda çalışan her kişinin toplam olarak aldığı radyasyon miktarını ölçmek. - Laboratuvarın çeşitli kısımlarındaki radyasyon şiddeti ile ilgili bilgi edinmek ve her kişinin radyasyondan etkilendiği miktarı en az düzeyde tutacak şekilde deneysel çalışmaların planlanmasını sağlamak. - Laboratuvarda çalışan ya da laboratuvara girip çıkan kişilerin üzerindeki radyoaktif bulaşmayı kontrol etmek. İşte bütün bu amaçlar için bir takım aygıtlar yapılmıştır. Bu aygıtların dayandıkları ilke, daha önce açıklanan aygıtların ilkesine dayanır. Kişisel radyasyon ölçme araçları şunlardır: a) Film dozimetreleri b) Cep dozimetreleri c) Cep iyonizasyon odaları Film Dozimetreleri Kişisel görüntüleme birimlerinin en basit şekli fotoğraf filmi rozetidir (film badge). Bunlar radyasyona tutulunca kararan küçük bir X ışını filmi parçasıdır. Kararma miktarı alınan dozu belirler. Film dozimetrelerinde kullanılan çok çeşitli emülsiyonlar varsa da bunların hepsi bir film ya da cam üzerine sürülmüş ve genellikle mikron kalınlığında gümüş halojen bir katmandan oluşur. Emülsiyonun üzerinde 0,5 mikron kalınlığında koruyucu bir jelatin katmanı bulunur. Radyasyonun türü ve enerjisi ile ilgili bilgi edinmek için film etrafına doku ya da hava eşdeğerli çeşitli filtreler (plastik, alüminyum ve kadmiyum levhaları) kullanılır. Fotoğraf filmlerinin kullanımı, kalibrasyon ve doz belirleme tanıtımına göre yapılır. Rozetler genellikle laboratuvar önlüklerinin üzerine iğnelenmiş olarak taşınır. Bazı durumlarda ise kemere, bileğe ya da yüzük şeklinde parmağa takılır (Şekil 13). Her hafta sonunda bu filmler toplanıp banyo edilir ve standartlarla karşılaştırılarak kişinin almış olduğu radyasyon miktarı bulunur. Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 16

18 Şekil 13. Film dozimetreleri, cep dozimetreleri ve cep iyonizasyon odalarının şemaları. Cep Dozimetreleri ve Cep İyonizasyon Odaları Bir cep dozimetresi (pocket dosimeter) temel olarak bir Lauristen elektroskopunun değiştirilmiş bir şekli olup bir dolma kalem büyüklüğündedir (Şekil 13). Bir cep dozimetresinin iki elektrotundan biri, üzerine takılan yere göre hareket edebilen altınla kaplanmış bir kuvars fiber halkasından oluşmuştur. Kuvars fiber ve desteği aynı işaretli elektrikle yüklendiklerinde kuvars fiber desteğinden dışarıya doğru itilir. Radyasyon etkisiyle oluşan iyonlar fiberin yükünü nötralleştireceğinden fiber giderek normal durumuna yaklaşır. Aygıtın içinde bir optik sistem ve saydam bir ölçek vardır. Elektroskopun deşarjı sırasında fiber, iyonizasyon odasının aldığı dozla orantılı olarak hareket eder ve bu hareket doğrudan doğruya saydam ölçek üzerinde röntgen ya da miliröntgen birimi cinsinden okunur. Bir cep iyonizasyon odası (pocket ion chamber), radyasyon görüntüleme birimi olarak çok kullanılan bir cep kondansatörü iyonlaşma odası olup bir dolma kalem büyüklüğündedir (Şekil 14). Silindir şeklinde bir elektrot ile aygıtın diğer kısımlarından çok iyi yalıtılmış bir toplayıcı merkez elektrottan oluşur. Toplayıcı elektrot özel bir kaynak kullanılarak elektrikle yüklenir. Laboratuvara giren kimse bunu yerinden alır ve göğüs cebine takar, laboratuvardan çıkarken yeniden yerine bırakır. Aygıta giren radyasyonun oluşturduğu iyonlar elektrotu boşaltır ve bu da röntgen ya da miliröntgen cinsinden derecelenmiş elektrometrede okunarak radyasyon dozu bulunur. Bir cep iyonizasyon odasının cep dozimetresinden farkı, iyon odasının yükleyici-okuyucu denilen ayrı bir aygıtla yüklenmek ve okunmak zorunluluğu Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 17

19 olmasıdır. Elektrometre ve ölçeğin cep iyonizasyon odası içinde olması daha uygundur, ancak bunlar pahalıdır. Bazı cep iyonizasyon odaları, frekansları doz hızı ile orantılı olan işitilir sesler verirler. Cep dozimetreleri ve iyonizasyon odaları genellikle X ya da gama ışını dozlarını ölçmek için yapılmıştır. Alfa ve beta parçacıkları oda çeperinden geçemediklerinden bu aygıtlar bu radyasyonlara karşı hassas değildirler. Taşınır G-M Sayıcıları ve Yoklama Aygıtları Yukarıda özetlenen kişisel radyasyon görüntüleme birimleri yanında laboratuvarların radyoaktif durumunu, gerek kişilerin gerekse laboratuvar malzemesinin radyoaktif bulaşmasını saptamak için yoklama aygıtları (Survey-Meter) ve alan görüntüleme birimleri kullanılır (Şekil 13). Özet Yukarıda radyasyonların izlenmesi ve ölçülmesi için çeşitli araç ve gereçler özetlendi. İyonlaştırıcı radyasyonlar, araştırmanın niteliğine göre, iyonizasyon odası, orantılı sayıcı ve Geiger-Müller tüpü yöntemleri ile ölçülebilir. En basit elektronik çalışma Geiger-Müller tüpü ile yapılır. Nötronlar özel olarak yapılmış orantılı sayıcı tüpleri ile sayılabilirler. Hızlı sayım için çözünürlük zamanı çok küçük olduğundan bir sintilasyon sayıcısı kullanılır. Kişisel radyasyon ölçümleri için kullanılan film ve cep dozimetreleriyle cep iyonizasyon odalarının her birinin kendine özgü üstünlükleri vardır. Film dozimetreleri kişinin etkilendiği radyasyon dozu için devamlı bir belge sağlamasına karşın, okunmaları bakımından iyonizasyon tipi aygıtlara göre daha uzun zaman ve işleme gerek gösterirler. Bu bakımdan cep dozimetre ve iyonizasyon odaları, herhangi bir anda alınan dozu çalışma süresince kendiliğinden kaydetmeye yarayan çok yararlı aygıtlardır. Sınırlı kullanılış yerleri olan başka dozimetreler de vardır. Kimyasal, lüminesans ve termolüminesans dozimetreler bunlar arasındadır. KAYNAK: Çekirdek Kimyası ve Radyokimya Prof. Dr. Ali Rıza BERKEM İ. Ü. Basımevi ve Film Merkezi İstanbul, 1992 Yrd. Doç. Dr. Ayşe Engin KURTOĞLU 18