Veri Toplama Sistemleri Lidya Amon Susam İstanbul Üniversitesi 10-15 Eylül 2013 IX. UPHDYO Bodrum;Türkiye
İÇERİK NÜKLEER YAPI FİZİĞİ ARAŞTIRMALARI ELEKTRONİK VERİ TOPLAMA SİSTEMİ ŞEMASI SPEKTROSKOPİ SİSTEMİ İÇİN KOMPONENTLER SONUÇ
NÜKLEER FİZİK Teorik NSM, Nilsson model, IBA, etc... Deneysel - Düşük enerjili deneyler nükleer yapı, nükleer astrofizik ve uygulamalı nükleer fizik - Orta enerjili deneyler bağlı seviyelerin kuark ve nükleon dinamiği için - Rölativistik ağır iyon deneyleri nükleer maddeyi araştırmak için
ÖRNEK SPEKTRUM
Kararlı Çekirdekler ve Uzun Ömürlü Olan Çekirdekler (Kararlılık Eğrisi) Bilinen Çekirdekler Keşfedilmemiş Bölge Nötron yıldızları
Y. Oktem et al., Phys. Rev. C 86, 054305 (2012)
192 Au Y. Oktem et al., Phys. Rev. C 86, 054305 (2012)
ELEKTRONİK VERİ TOPLAMA SİSTEMİ ŞEMASI
Radyoaktif Bozunma Kanunu Saf bir radyoaktif numunenin zamanla bozunma hızı üstel kanuna uyar. Radyoaktiflik tüm numunede değil, tek tek atomlarda değişikliği temsil eder. Eğer bir t anında N radyoaktif çekirdek varsa ve numuneye yeni çekirdekler ilave edilmiyorsa dt süresi içinde bozunan dn çekirdek sayısı, N ile orantılıdır: dn(t) λ N(t) dt λ - (dn/dt) N Burada, bozunma veya parçalanma sabitidir. Denklemin sağ tarafı bir atomun birim zamanda bozunma olasılığıdır, yani bu olasılık, atomun yaşı ne olursa olsun sabit olup radyoaktif bozunmanın istatistiksel teorisinin temel varsayımıdır. Eksi işareti N nin zamanla azaldığını gösterir.
Basit Bir Dedektör Modeli Dedektörün üzerine düşen radyasyonu algılayabilmesi için gelen radyasyonla etkileşime girmesi gerekir. Bu etkileşim süresi (durdurma zamanı) şu şekilde formüle edilmiştir. T = Durdurma Zamanı ma = Parçacık kütlesi E = Parçacığın Enerjisi R = Parçacık türüne ve enerjisine göre belirlenmiş bir sabit Bu süre çok kısa olup örneğin; Gazlı dedektörler için ; Nano Saniye Katı dedektörler için : Pico Saniye mertebesindedir. 10
SPEKTROSKOPİ SİSTEMİ İÇİN KOMPONENTLER Kablolar, Kablo bağlantı uçları, NIM Modüller Pre Amplifikatör Amplifikatör ADC MCA TAC Diskriminatör Coincidence Devresi
KABLOLAR KOAKİSYEL KABLO İlk olarak 1880 yılında İngiltere de patent altına alınmış olup çok çeşitli alanlarda kullanım bulmuştur. Başlıca TV yayınlarının iletimi, CCTV bağlantısı, ethernet bağlantıları, telekomünikasyon uygulamaları ve NIM bağlantılarında geniş bir ölçüde kullanılmıştır. Kullanım alanlarına göre farklı empedansa sahiptirler. RG-58 = 50 Ohm RG-62 = 93 Ohm (genel olarak radyasyon ölçüm sistemlerinde bu kullanılır.) En önemli özelliği dış örgüsü nedeniyle (Faraday kafesi nedeniyle dışarıdaki Elektrik alan içeriye etki edemez) gürültüyü engelleyen dizaynıdır. Düşük akım ve voltajlı sistemlerde veri iletimi için idealdir.
KOAKSİYEL KABLO KESİTİ A: Plastik dış koruma B: Dokuma Bakır zırh C: Dielektrik yalıtkan D : Bakır tel
BNC bağlayıcı Koaksiyel kablolar için kullanılır. Hızlı bir bağla/sök RF bağlayıcıdır. Çeyrek dönüşle bağlantı sağlanır. Bayonet mount sistem
NIM NIM kelimesi = Nuclear Instrument Modules kelimelerinin kısaltmasından oluşmaktadır. Standartları ilk olarak 1968 de yayımlanmıştır. İlk etapta birkaç komponent için hazırlanmış fakat daha sonra genişletilerek bu alanda kullanılan her bir komponent, kablolar ve bağlantı uçları da dahil olmak üzere NIM standartına eklenmiştir. 6, 12, 24 V DC veya 117 V AC de çalışmaktadır. 50 Ohm empedans altyapısını kullanmaktadır. Komponentlerin Nim Bin üzerinden haberleşme imkanı yoktur.
NIM BIN/CRATE Kutu/kasa
ÖN YÜKSELTEÇ PREAMPLİFİKATÖR - Dedektörden gelen zayıf sinyali 10-100 mv mertebesine kadar güçlendiren amplifikatördür.
Preamplifikatör (Preamplifier) Gelen sinyalin Amplifier in algılayabileceği seviyeye ulaştırılması gerekmektedir. 1- yük hassas 2- akım hassas 3- gerilim hassas
Yük hassas pre-amp: yarıiletken detektörler için kullanılması uygundur. Buradaki temel düşünce giriş pulsı ile taşınan tüm yükün br C f üzerine toplanmasıdır. Çıkış sinyali daima V 0 =-Q/C f olur. Akım hassas pre-amp: çok düşük empedanslı cihazlarla kullanılmak zorundadır ve bu nedenle yüksek empedanslı nükleer fizik cihazlarına uyum göstermezler. Gerilim hassas pre-amp: kullanımı daha geniştir. Radyasyon detektörleri yük üretirler. V=-Q/C tot ile detektör ve giriş devresinin toplam kapasitif etkisini kullanarak bu yük bilgisi gerilim bilgisine çevrilebilir. Böylece detektör ve giriş devresinin sığasının sabit kalması da önem kazanır. Bu tip bir pre-amp ın yarıiletken detektörle kullanılması uygun olmaz. Çünkü yarıiletken malzemenin kapasitansı sıcaklığın bir fonksiyonudur. Tipik bir preamplifikatör çıkışı birkaç 10 veya 100 milivolttur bu nedenle de tek başına sayılmak için oldukça küçüktür.
YÜKSELTEÇ AMPLİFİKATÖR Önyükselteçten gelen mv mertebesindeki sinyali 10 V mertebesine yükseltir.
Amplifikatör Amplifikatör, gelen sinyale daha fazla kazanç sağlar ve bu sinyali diskriminatöre yollar. Amp. de voltaj kazancı en az 1000 kat artar ve şekillenen lineer puls 0-10 V aralığındadır. Sinyal şeklinden bağımsız olmak için genelde yük hassas amplifikatörler kullanılır. Bir amplifikatör aynı zamanda otomatik olarak bir şekillendiricidir. Her detektör düzgün dizayn edilmiş amplifikatöre gereksinim duyar.
Bir çok amplifikatörün önemli bileşeni transistörlerdir. Transistörün temel elamanları yarıiletkenlerdir. Yarıiletken zayıf bir iletkendir. Örnek olarak; silikon. Silikon genelde saf halde bulunmaz başka meteryalden atomlar ona eklenir. Saf silikonda, tüm atomlar komşularıyla mükemmel bağ kurarlar ve elektrik akımını iletecek hiç serbest elektron kalmaz. Fakat saflığı bozulmuş silikonlarda eklenen atomlar dengeyi bozar ve eklenen serbest elektron veya yaratılan boşluklarla elektronlar içinden iletilebilir. Elektrik yük, elektronlar bir boşluktan diğerine hareket ederken, ilerler. İki tip yarı iletken var, N tipi ve P- tipi. N- tipi ekstra elektron ve P-tipi ekstra boşluğa sahipler. Burada ikikutuplu- birleşme transistörünün bir resmi var. Bu transistör 3 yarıiletken katmandan oluşur.
ANALOG SİNYALİ DİJİTALE DÖNÜŞTÜRÜCÜ ADC (Analog to Dijital Converter) Analog Sinyal Dijital Sinyal
ANALOG SİNYALİ DİJİTALE DÖNÜŞTÜRÜCÜ ADC (Analog to Dijital Converter) Analog Sinyal: Karakteristiklerinden (voltaj / akım) bir ya da birkaçının sürekli değişimi yoluyla bilgi taşır. Dedektörde oluşan sinyalin (puls) genliği algılanan parçacığın enerjisi ile orantılıdır. Sinyal yüksekliği ile enerji arasında lineerlik vardır. Buda MCA da sinyalleri enerjilerine göre ayırıp bir spectrum oluşturmamızı sağlar.
Dijital Sinyal : Analog sinyaldeki sonsuz duruma sahip sinyalin sonlu sayıda duruma sahip olmasını sağlarsak kuantalı, diğer bir deyişle dijital sinyal elde etmiş oluruz. Örnek olarak, Geiger Müler sayacının çıkış sinyali buna bir örnektir; sinyal vardır ya da yoktur. Bu da radyasyonun detekte edilip edilmediğine karşılık gelir. Sinyalin var ya da yok olması 0 ve 1 sayılarıyla ifade edilir. Belli bir akım değeri arasında çalışıldığında, akım geçmesi durumunda 1 ve akımın geçmemesi durumunda 0 değerini alır.
ÇOK KANALLI ANALİZÖR 128 / 256 / 1024 / 2k / 4k / 8k / 16k kanala sahip olabilir. Kanal sayısı ne kadar fazla ise grafik çözünürlüğü o kadar fazla olacaktır. Giriş sinyallerini genliklerine göre kanallara (Enerjilerine) ayırır. Bu şekilde ayrılmış sinyaller bir spektrum oluşturabilir.
ZAMAN GENLİK DÖNÜŞTÜRÜCÜSÜ - TAC (Time to Amplitude Converter)
Başlat ve bitiş sinyalleri arasındaki zamanla genliği orantılı bir çıkış sinyali üretir. İki lojik sinyal arasındaki zaman farkı ile orantılı genliğe sahip bir sinyal üreten devredir. Bir başlat sinyali, bir kondansatörün sabit bir şekilde bozunmaya başlamasını sağlar ve bitir sinyali de bu deşarjı durdurur. Bu şekilde toplanıp, boşaltılan yük miktarı zaman aralığı ile orantılıdır.
DİSKRİMİNATÖR Integral Diskriminatör : Sinyalleri düzgün olarak sayabilmek için şekillenmiş lineer sinyallerin logic sinyallere dönüştürülmesi gerekmektedir. Integral diskriminatör bu iş için kullanılan en basit birimdir ve eğer lineer giriş sinyal genliği belirlenmiş diskriminatör seviyesinden fazlaysa bir logic çıkış palsı üretir. Eğer giriş sinyal genliği diskriminatör seviyesinden alttaysa bu durumda çıkış oluşmaz. Diskriminatör seviyesi bir ön-panel kontrolüyle ayarlanabilir.
- Seviye sistem gürültüsünün üzerine ayarlanır, dolayısıyla her boyuttaki detektör sayımı için max. hassaslık gerçekleştirilir. İntegral diskriminatör giriş sinyallerinin 0-10 Volt aralığındakileri kabul etmek için dizayn edilmiştir.
Diferansiyel Diskriminatör (SCA, Tek Kanallı Analizör) : İki bağımsız seviye içeren başka bir lineer-logic dönüştürücüsüdür ve dönüşüm işlemi sadece giriş sinyali ayarlanan iki seviye arasındaysa gerçekleşir. SCA ların bir çoğunda yüksek seviye diskriminatörün kapanarak düşük seviyeler tarafından kontrol edilen bir basit integral diskriminatör olarak kullanılması özelliği vardır. Giriş sinyallerinin tipik olarak 0.5 10 mikrosaniye genişlikli ve 0-10 Volta genişletilmiş olarak şekillendirilmeleri amaçlanır.
COINCIDENCE DEVRESİ Farklı kanallardan gelen verileri belirli mantık koşullarına göre süzen devredir.
SONUÇ Nükleer Fizik çalışma alanları Spektroskopi bileşenleri Elde edilen spektrum örnekleri
TEŞEKKÜRLER