X-Işınları 4. Ders: X-ışını sayaçları Numan Akdoğan akdogan@gyte.edu.tr Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Fizik Bölümü Nanomanyetizma ve Spintronik Araştırma Merkezi (NASAM)
X-ışını sayaç çeşitleri 1. Fotoğraf filmi 2. Gaz iyonlaştırma sayaçları 3. Orantılı sayaçlar 4. Geiger Sayaçları 5. Parıltı (scintillation) sayaçları 6. Yarıiletken sayaçlar 7. CCD sayaçlar
1. Fotoğraf filmi X-ışınları için kullanılan ilk sayaçlardan ve hala çok yaygın. Tıbbi görüntüleme için ve bilimsel çalışmalarda sayaç olarak kullanılıyor. X-ışının değdiği yerler karanlık, değmediği yerler daha aydınlık. Kalibrasyonunun zor olması, sıcaklık ve nemden etkilenmesi ve yeniden kullanılamaması nedeniyle artık bilimsel çalışmalarda sayaç olarak tercih edilmiyor.
2. Gaz iyonlaştırma sayaçları Bu tür bir sayaç giriş ve çıkış pencereleri olan dikdörtgen bir gaz odasından oluşmaktadır. Gaz olarak genellikle soy gazlar (He, Ne, Ar,...) kullanılır. Sayaç içerisinde, elektrik alan uygulanmış birbirlerine paralel iki plaka vardır. X-ışınları bu gaz odasına girdikleri zaman gaz atomlarıyla etkileşerek, foto elektronlar, Auger elektronları ve/veya floresans ışınları (fotonlar) üretirler. Yani gaz atomları iyonlaştırılmış olur. Üretilen elektronlar gaz atomlarıyla esnek olmayan çarpışmalar yaparak yeniden elektron-iyon çiftleri oluşturabilirler. Üretilen floresans ışınları (fotonlar) sistemi tamamen terkedebilir veya yeni foto elektronlar oluşturabilirler. Elektronlar ve iyonlar sayacın plakalarında (~200 V) birikirler ve oluşan akım düşük gürültülü akım yükseltici (amplifier) tarafından ölçülür. Eğer sayaç boyutları ve gaz tipi doğru seçilirse, bu sayaçların verimi 100% e yaklaşır.
2. Gaz iyonlaştırma sayaçları http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/i/ionizationchamber.htm
3. Orantılı sayaçlar Bu sayaçlar da bir tür gaz iyonlaştırma sayacıdır. Fakat anot çubuk ve katot arasına uygulanan elektrik alan, gaz iyonlaştırma sayaçlarına göre çok daha büyüktür (~600V-900 V). Üretilen fotoelektronlar çok yüksek voltaj farkı altında anoda doğru hızlandırıldıkları için fazladan enerji kazanırlar ve başka gaz atomlarını da iyonlaştırabilirler. Böylece çoklu iyonizasyon (multiple ionization) meydana gelir ve daha kolay ölçülebilen akım oluşturulur. Buna gaz yülseltmesi (gas amplification) de denir. İlk iyonizasyonla oluşturulan sonraki iyonlaştırmaların sayısı, X-ışınlarının enerjisiyle orantılıdır.
3. Orantılı sayaçlar http://www.answers.com/topic/x-ray-fluorescence
4. Geiger sayaçları Çalışma prensibi orantılı sayaçlarla aynıdır. Anot çubuk ve katot arasına biraz daha yüksek voltaj uygulanır. http://www4.nau.edu/microanalysis/microprobe/wds-detectortheory.html
5. Parıltı (scintillation) sayaçları Parıltı (scintillation) sayaçları, X-ışınına maruz kaldığında floresans ışınları yayınlayan bir kristalden oluşur. Kristal malzeme olarak genellikle thallium-activated sodium iodide [NaI(Tl)], sodium-activated cesium iodide [CsI(Na)] veya bismuth germanate [BGO] kullanılır. Kristalden çıkan floresans ışınları, bir ışık çoğaltıcı (photomultiplier) tüp (PMT) tarafından ölçülür. Enerji çözünürlüğü, orantılı sayaçlara göre 2-3 kat daha iyi. http://www.ap.smu.ca/crc/index.php?option=com_content&view=article&id=64:detector-design-&catid=40:detectors&itemid=61
6. Yarıiletken sayaçlar Genellikle Si veya Ge oluşan diyotlar kullanılır. X-ışını depletion bölgesiyle etkileştiği zaman, değerlik (valence) bandındaki bir elektronu iletkenlik (conduction) bandına çıkarır. Böylece bir elektron-deşik çifti oluşturulur (Gaz sayaçlarındaki elektron-iyon çifti gibi). Diyodun uçlarına elektrik alan uygulanırsa elektron-deşik çifti ayrılır ve hızla ters yönlere doğru giderler ve akım oluşur. Oluşan elektron-deşik çiftlerinin yoğunluğu (dolayısıyla akım), yarıiletken üzerine gelen X-ışınlarının miktarına bağlıdır. Fotodiyot sayaçlar PMT ler kadar hassas değildir. Fakat küçük ve dayanıklıdırlar. http://sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series.php
7. CCD sayaçlar CCD (Charge Coupled Device ) sayaç, µm boyutlarındaki kare şeklinde birçok (mesela 4096 4096) görüntü noktasından (pixel, picture element) oluşur. CCD önüne yerleştirilen ince bir fosfor ekrana gelen X-ışınları, önce CCD nin sayabileceği görünür bölge ışınlarına dönüştürülür. Optik araçlarla CCD üzerine yönlendilen ışık bir görüntü noktasına geldiği zaman, fotoelektronlar aracılığıyla elektrik yükü oluşturulur. Görüntü noktasına ne kadar foton gelirse yükün büyüklüğü de o kadar artar. Dolayısıyla daha parlak ışıma daha büyük yük oluşturur. Bütün görüntü noktalarından gelen bilgi birleştirilerek, görüntü oluşturulur.
7. CCD sayaçlar http://www.proteincrystallography.org/detectors/