Ders kitabı: Modern Nuclear Chemistry, Loveland, Morrıssey, Seaborg, Wiley, 2006

Nükleer Fizik II Bölüm 13. Radyasyon Dedektörleri Prof.Dr. Ahmet BOZKURT Harran Üni., Fen-Edebiyat Fak., Fizik Böl., Şanlıurfa Email: bozkurt@harran.edu.tr Web: http://ahmetbozkurt69.wordpress.com/dersler/ Ders kitabı: Modern Nuclear Chemistry, Loveland, Morrıssey, Seaborg, Wiley, 2006 Kaynak kitap: Nükleer Fizik I&II, Kenneth S. Krane, Palme Yayıncılık, 2001 13.1 Giriş Nükleer süreçlerin önemli bir özelliği, açığa çıkan enerjinin genellikle atomik elektronların bağlanma enerjilerinden daha büyük olmasıdır. Yayımlanan her parçacık atomları iyonlaştırmaya yetecek enerjidedir. Nükleer radyasyon iyonize radyasyon olduğundan, iyonlaşmanın dedekte edilmesi nükleer süreçler hakkında bilgi edinmemizi sağlar. Madde ile elektromanyetik yolla etkileşen radyasyon (e-, iyonlar ve fotonlar gibi), atomları doğrudan iyonlaştırabilir ya da uyarabilir. Bu sebeple bu radyasyon türleri kolayca dedekte edilir. Nötronlar ise sadece çekirdek ile nükleer kuvvet yoluyla etkileştiğinden, dolaylı biçimde ya da ikincil iyonlaşmalar yoluyla dedekte edilirler. Nükleer süreçlerde açığa çıkan enerji atomik bağlanma enerjilerinden birkaç mertebe daha büyüktür, ancak radyasyon madde ile etkileştiğinde yaratılabilecek iyin çifti sayısı makroskopik ölçekte oldukça küçüktür. Örneğin tipik elektron bağlanma enerjisi 10 ev kadardır. 1 MeV lik bir nükleer bozunumda açığa çıkan enerjinin tamamı elektron/iyon çifti yaratmaya harcansa bile, toplam ~10 5 iyon çifti yaratılabilir. Bu da ~ 10-5 C kadarlık bir yüke karşılık gelir. Fizik Böl. 1

Ancak bunlar iyimser rakamlardır; normalde bir gazın etkin iyonizasyon enerjisi 35 ev/iyon çifti civarındadır; çünkü enerjinin tamamının iyon çiftleri yaratmaya harcanma ihtimali çok zayıftır. Radyasyonu ölçmek için yaratılan birincil iyonizasyonlar korunmalıdır ve elektronegatif atomların rekombinasyonu engellenmelidir. Bu yüzden metaller iyi radyasyon dedektörleri değildirler. Ayrıca yaratılan iyonlar hareketli olmalıdırlar ki toplanabilsinler. Bu yüzden çoğu yalıtkan radyasyon dedektörü olarak kullanılamaz. Küçük elektrik sinyallerinin gözlenebilmesi için yükseltilmesi (amplifikasyon) gerekir. Bu yüzden elektronik cihazlar radyasyon algılanmasında önemlidir. Radyasyon dedektörleri bir çok açıdan farklılıklar göstermelerine rağmen, kullanılacak bir dedektörün şu kriterleri sağlaması beklenir. Hassasiyet: Bir dedektörün her parçacığa karşı hassas olması beklenemez. Örneğin katı sintilasyon dedektörleri normalde nükleer bozunumlarda yayımlanan alfa parçacıklarının dedeksiyonunda kullanılmaz; çünkü dedektör kabına giremezler. Enerji çözünürlüğü: Dedektör gelen parçacığın enerjisini ölçüp ölçmeyeceği ve ölçecekse ne kadar hassas ölçeceği ile ilgilidir. Örneğin enerjileri 1.10 ve 1.15 MeV olan iki gama ışını dedektöre çarptığında, dedektör bunları ayırtedebilmelidir. Zaman çözünürlüğü: Dedektörün ne kadar büyük sayım hızlarını ölçeceği ile ilgidir. Bir parçacığın dedektöre geliş zamanının ne kadar hassas ve doğru ölçüleceğini belirler. Verim: Dedektörün üzerine çarpan 100 gamadan kaçının dedekte edilebileceği ile ilgilidir. Tüm radyasyonlar iyonlaşmaya veya uyarılmaya yolaçtıklarından, farklı dedeksiyon yöntemleri birincil radyasyonun madde ile etkileşmesinin sonuçlarını nasıl toplayıp amplifiye ettiklerine göre ele alınırlar. Farklı radyasyon algılama yöntemleri şunlardır: Bir gaz ya da katı içerisinde ürettilen iyonlaşmanın biriktirilmesi; Bir katı ya da sıvı parıldayıcı malzeme içerisinde ikincil elektron uyarılmalarının algılanması; Duyarlı emülsiyonlarda tetiklenen belli belli kimyasal değişimlerin algılanması. Gaz iyonlaşması Bazı dedektörler, radyasyonun gazlarda yaratacağı iyonlaştırıcı etkiden faydalanır. Üretilen iyon çiftleri ayrıca toplanabilir. Gaz dolu bir iyon odasında iki elektrot arasına bir potansiyel fark uygulandığında, pozitif yüklü moleküller katoda doğru, negati yüklü iyonlar (elektronlar) ise hızla anoda doğru yol alır ve böylece ölçülebilir bir puls (vuru ya da darbe) oluşur. Bu pulslar bağlı cihazlar ile sinyale ya da akıma dönüştürülür. Fizik Böl. 2

Katıda İyonlaşma Bir yarı-iletken radyasyon dedektöründe, gelen radyasyon dedektör malzemesi (silisyum ya da germanyum gibi yarı-iletkenden yapılmış) ile etkileşir ve elektron-deşik çiftleri oluşur. Yüklü elektrotlar bu elektrondeşik çiftlerini toplar (elektronlar pozitif elektrotta, deşikler ise negatif elektrotta) ve böylece bir elektrik pulsu oluşur. Bu vurular gelen parçacıkların birim zamandaki sayısı, varış zamanı, enerjisi ve türü ile ilgili bilgi taşır. Düşük iyonizasyon potansiyellerinden ve küçük ebatlarından dolayı,yarı-iletken dedektörlerin enerji çözünürlüğü çok iyidir. Katı Sintilatörler İyonize radyasyonun enerjisinin bir kısmı bir katı kristaldeki floresans yapabilen moleküllere aktarılabilir. Soğurulan enerji malzemedeki yörünge elektronlarının uyarılmasına yolaçar. Uyarılmış düzeyin bozunması esnasında görünür ya da yakın kızılötesi elektromanyetik ışıma şeklinde enerji açığa çıkar. Bu parıldamalara sintilasyon adı verilir. Bazı şartlar altında bu zayıf parıldamaların görsel olarak gözlenmesi mümkündür, ancak çoğunlukla pratik bir yöntem değildir. Bunun yerine katı sintilasyon malzemeye yakın yerleştirilen bir fotoçoğaltıcı tüp vasıtasıyla fotonlar foto-elektrona dönüştürülür. Bu fotoelektronlar bir dizi elektrottan geçirildiğinde çok sayıda ikincil elektron oluştururlar ve amplifikasyon sonucunda ölçülebilir bir akım meydana gelir. Böylece orijinal uyarılma enerjisi ölçülebilir bir pulsa dönüşmüş olur. Sıvı Sintilatörler Bu dedeksiyon mekanizması, prensip olarak katı sintilasyon yöntemine benzer. Ancak burada radyoaktif nümune ve parıldayıcı malzeme bir çözelti halindedir. Nükleer radyasyonun enerjisi önce çözücünün moleküllerini uyarır. Uyarılma enerjisi bir ara aşamadan sonra foton olarak açığa çıkar. Bu fotonlar da foto-çoğaltıcı düzeneklerle algılanır. Nükleer Emülsiyonlar Kimyasal bir süreçtir. Bir nümuneden çıkan iyonize radyasyon fotografik bir emülsiyondaki gümüş halid parçacıkları ile etkileşerek kimyasal bir reaksiyon meydana getirir. Filmin banyo edilmesi ile görüntü üretilir ve böylece nümuneden çıkan radyasyonun yarı-nicel bir tahmini yapılabilir. Fizik Böl. 3

13.2 İyonizasyon Tabanlı Dedektörler Nükleer parçacıkların ürettiği birincil iyonizasyonu amplifiye edip (yükseltip) toplamak için bir çok dedektör geliştirilmiştir. Prensip olarak, bu iyonizasyonun dikkatli ölçümü parçacık ve enerjisi hakkında bir çokbilgi sağlar. Bu yüzden en iyi çözünürlüklü cihazlar, iyonizasyon temeline dayanırlar. Temel prensip: Gelen radyasyon dedektörün aktif hacmi içerisinde iyon çiftleri oluşturur. Aktif hacme uygulanan bir elektrik alan ile yük çiftleri birbirinden ayrılır ve iyonlar elektrotlara doğru süpürülür. İyonizasyon temelli dedektörlerde aktif ortam olarak genellikle gaz malzeme tercih edilir. Çok az cihaz sıvı kullanılır, çünkü birincil iyonizasyonu korumak için çok saf malzemeler gereklidir. Gaz dolu dedektörlerin yapılması ve kullanılması kolaydır. Ancak durdurucu malzeme olan gazın yoğunluğu düşüktür ve etkin iyonizasyon potansiyeli büyüktür (~20 ev civarı). Yarı-iletkenler gazlara kıyasla 1000 kat daha yoğundurlar ve daha düşük iyonizasyon potansiyeline sahiptirler (~2 ev). Ancak büyük hacimlerde uygun saf yarı-iletken malzeme üretmek pahalıdır. Sıvıların da yoğunlukları büyüktür; başarılı cihazlar sadece nadir gazlar, sıvı argon ve xenon le yapılmıştır. Safsızlık düzeyi bu cihazları kısıtlamıştır. Gaz İyonizasyon Dedektörleri Enerjik ve yüklü bir parçacık bir gaz ortamdan geçtiğinde, taşıdığı elektrostatik alan yolu boyunca yakınındaki elektronları atomlardan koparır. Her bir durumda negatif yüklü kopan elektron ile daha ağır ve pozitif yüklü olan atomun kalan kısmı bir iyon çifti oluşturur. Bir gazda bir iyon çifti oluşturabilmek için gerekli minimum enerjiye (ev cinsinden) iyonizasyon potansiyeli adı verilir. Her gazın iyonizasyon potansiyeli farklıdır ve yüklü parçacığın türüne ve enerjisine bağlıdır. Daha anlamlı bir değer, iyon çiftini üretirken parçacık tarafından kaybedilen ortalama enerjidir; parçacığın türünden ve enerjisinden nerdeyse bağımsızdır (35 ev civarı). Enerji kayıp hızı, yüklü parçacığın türüne ve enerjisine bağlı olacaktır. Alfa parçacıkları, gaz ortam içinde yoğun iyonizasyon yaratırken (katedilen cm başına 10 4-10 5 iyon çifti), beta parçacıkları 10 2-10 3 iyon çifti/cm yaratır. Fotonlar için bu rakam 1-10 iyon çifti/cm kadardır. Fizik Böl. 4

İyon Odaları Puls tipi iyon odacıklarında, elektrotlardan biri güç kaynağının negatif kısmına bağlıdır (katot), diğer uç ise anot olarak görev yapar. 3.5 MeV enerjili bir alfa parçacığı, gaz ortama girdiğinde, kısa yolu boyunca yoğun iyonlaşma meydana gelir. Havada bir iyon çifti oluşturmak için ortalama 35 ev harcanacağından, 3.5 MeV enerjili alfa parçacığı enerjisinin tamamını tüketene kadar 10 5 civarında iyon çifti yaratacaktır. Odacığın kutuplarındaki potansiyel farktan dolayı, yaratılan iyonlar hızlıca uygun elektrotlara yönelirler. Hafif elektronların hızlıca anoda gitmesiyle orada yük birikimi oluşur. Pozitif iyonlar ise 1000 kat daha yavaş hareket ettiklerinden etkileri ihmal edilebilir. Odacığın hacmine ve kullanılan potansiyel farka bağlı olarak, elektron yükünün toplanması için gereken zaman 0.1-1 μs kadardır. Elektronlar yüzünden birikecek yükün büyüklüğü hesaplanabilir. 10 5 e * 1.6*10-19 C/e = 1.6*10-14 C Toplanan yük dış devreden bir puls olarak akar. 20 pf lık bir kapasitör kullanılırsa, pulsun genliği V=Q/C bağıntısından 0.0008 V hesaplanır (Q, elektrik yükü (Coulomb); C, kapasitans (farad)). Bu kadar küçük pulsları ölçmek çok zordur ve sinyali doğru ölçebilmek için düşük gürültülü hassas elektronik modüllere gereksinim vardır. Bu tür iyon odacıklarında birincil iyonizasyon için amplifikasyon gerekmez. Şimdiye kadar ihmal edilebilir dediğimiz ppozitif iyonların toplanması pratikte sorunludur. Katoda doğru çok yavaş hareket etmelerine rağmen, hareket ettikçe negatif elektrotda bir yük indüklerler. Bu indüklenmiş yük için bir düzeltme yapılmazsa, çıkış pulsunun büyüklüğü parçacık izinin odacık hacmindeki yerine bağlı olacaktır. Pozitif iyon indükleme, iyon odasına bir grid/ızgara eklenerek elimine edilebilir. Grid, katoda göre pozitif yüklüdür, fakat anotdan/toplama elektrodundan daha az pozitiftir. Grid, toplama elektrodunu pozitif iyonların etkilerinden korur ve elektronları anoda doğru ivmelendirir. Fizik Böl. 5

Bir çok uygulamada, iyon odacığına çarpan her bir parçacıktan gelen pulsların kaydedilmesi yerine, birkaç olayın yükü birden toplanır. Odacıktaki toplam akım, zamanın bir fonksiyonu olarak ölçülür. Bu tür cihazlar genellikle yüksek radyasyon alanı ölçümlerinde faydalıdır. Örneğin 3.5 MeV enerjili bir alfa parçacığı 10 5 iyon çifti üretiyorsa, odacığa 10 7 parçacık/s girdiğinde 10 12 iyon çifti/s üretilmiş olur ve bu da 10-7 A değerinde kolaylıkla ölçülebilcek bir akımdır. Bir iyon odasından geçen parçacıkların elektronik sinyalleri, hacmin içindeki konumun fonksiyonu olarak gaz içinde biriken enerji ile birlikte doğru şekilde ölçülebilir. İyonlaşma hızı radyasyon özelliklerine bağlıdır. Örneğin çoklu ya da bölmeli anoda sahip cihazlar iyonizasyon hızını örneklemek için imal edilmişlerdir. Anoda varan iyonların zamansal dağılımları ölçüldüğünde, Brag eğrisinin konturları parçacığın takip ettiği yol boyunca bağıl iyonizasyonu belirler. Bu dedektörler, zamanın fonksiyonu olarak iyonizasyonu ölçmek için modern elektronik okuma gerektirirler ve bir parçacığın gaz hacminden geçtiği konum kodlanmış olur. Bu sebeple, Bragg eğrisi dedektörleri ve kısımlı anot iyon odacıkları genellikle sadece nükleer reaksiyonlarda yayımlanan parçacıkları algılamada kullanılırlar. En modern gaz iyonizasyon dedektörü zaman izdüşümü odacığıdır (TPC). Büyük, içi gaz dolu bir silindirin merkezinde bir negatif yüksek voltaj elektrodu yer alır ve bir dış manyetik alan kullanır. İyonize radyasyon odacıktan geçerken üretilen elektronlar, eksenel manyetik ve elektrik alanların etkisi altında silindirin ucuna doğru sürüklenirler. Silindirin elektronların odacığa çarptığı ucun konumu anot telleri ile ölçülür. Bu bilgi ile parçacığın ettiği orijinal yolu yeniden oluşturulabilir. Primer elektronları bir plaka yerine bir tel üzerinde toplayan gaz dolu iyon odacıkları, ilk iyonizasyonu içten yükseltebilirler. İnce tel anotların (50 μm) yakınındaki silindirik elektrik alan çok büyük olabileceğinden, birincil elektronlar ikincil iyonizasyon serisi yaratacakları noktaya doğru ivmelenirler. Gelen radyasyon Anot Katot Townsend çığı Üretilen ikincil iyonlar mevcut potansiyel farktan dolayı ivmelenirler ve daha fazla iyonizasyon üretirler. Böylece birkaç birincil iyon çiftinden, geometrik olarak artan ve anoda ilerleyen bir negatif iyon çığı oluşur. Bu sürece gaz amplifikasyonu adı verilir ve üretilen iyon seline de Townsend çığı denir. Fizik Böl. 6

Gaz ortamda iyon çoğalmasından dolayı, iyon odacığına tek bir parçacık girmesiyle mikrosaniyeden daha kısa bir sürede elektronların çoğu anotta toplanır. Güçlü bir puls oluşur, dış devreye aktarılır ve az bir yükseltme ile puls doğrudan ölçülür. İyon odacığının elektrotları arasındaki potansiyel gradyanı arttırıldıkça, anoda ulaşan ikincil elektronların sayısı önce keskin biçimde artar. Sonuçta odacıkta sürekli yük boşalmasının gerçekleşeceği bir potansiyele ulaşılır ve dedektör artık kullanılamaz. Gaz iyonizasyon cihazlarının faydalı olabildiği iki farklı potansiyel bölgesi sözkonusudur: Orantılı bölge ve Geiger-Müller bölgesi Orantılı Sayaçlar Orantılı bölgede çalışan dedektörlerde çıkış pulsu oluşturan iyonların sayısı ilk iyonlaşmada üretilen ikincil iyonlarınkinden oldukça fazladır. Ama ilk iyonizasyonun oluşturduğu sayı ile orantılıdır. Genellikle 10 3-10 4 kadar gaz çoğaltma faktörü elde edilir ve temelde odacığı dolduran gazın bileşimine ve potansiyel gradyanına bağlıdır. Belli bir potansiyelde, çoğ. faktörü tüm iyonizan olaylar için aynıdır. Sonuçta iyon odacığını geçen bir alfa, 10 3 çoğ. fak. ile 10 5 birincil iyon çifti oluşturuyorsa, anotta 10 8 elektrona denk bir yük toplanır. Gelen bir beta parçacığı ise, sadece 10 3 iyon çifti üretir ve 10 3 çoğ. fak. sonrasında sadece 10 6 elektrona denk yük toplanır. Öyleyse, orantılı bölgede alfa ve beta parçacıklarını puls büyüklüğüne bakılarak ayırt etmek mümkündür. Bu durum dedektörü bu bölgede çalıştırmak için bir avantajdır. Orantılı bölgedeki çoğaltma faktörü uygulanan potansiyele şiddetle bağlı olduğu için, çok kararlı yüksek voltaj kaynakları gerekir. Orantılı sayaçlarda elektron çığı, sadece anot telin bir kısmında toplandığından ve odacıktaki gaz hacminin sadece küçük bir kısmı iyon oluşumu ile ilgili olduğundan, ölü zaman aralığı kısadır. Odacığın bir önceki iyonizasyon olayında üretilen iyon çiftlerinin toplandığı ve yeni bir iyonlaştırıcı radyasyon parçacığına karşı odacığın tepkisiz kaldığı zaman aralığıdır. Orantılı bölgede çalışan iyon odacıkları her iyonizasyon olayını takiben 1-2 μs civarında bir süre inaktif duruma düşer. 0.2-0.5 μs kadar kısa ölü zaman aralıkları elde edilebilir. Ancak bir orantılı sayaç spektroskopik amaçlar için kullanılacaksa, dış yükselticiler ve diğer elektronik devrelerin yavaş çalışmasından dolayı, pulslar arası ortalama sürenin ~100 μs civarı olması istenir. Fizik Böl. 7

Orantılı sayaçlar için bazı pratik tasarımlar şekilde verilmiştir. Silindirik dedektörde, çok ince (150 μg/cm3) bir mika plastik tübün bir ucunu kaplar. Böylece alfa parçacıkları pencere tarafından fazla soğurulmazlar. Yarı-küresel dedektörde, daha verimli bir düzenleme elde edilir. Radyoaktif örnek doğrudan dedektör odacığına konur. Kaynağın yaydığı parçacıkların ~%50 si algılanabilir. Penceresiz dedektörler alfa ve beta parçacıklarının sayımında yaygın kullanılır. Penceresiz ya da ultra-ince pencereli dedektörler ile sayım odacığına bellli miktar hava sızar. Havanın hem oksijeni hem de su buharı dedektör verimini düşürür çünkü elektronları yakalarlar ve yavaş hareket eden negatif iyonlar oluştururlar. Bu tür dedektörler bu sebeple sayım başlamadan önce uygun bir gaz ile doldurulurlar ve sayım işlemi sırasında süre sürekli düşük bir akış hızında havayı boşaltılır. Bu çeşit odalara gaz akış dedektörleri adı verilir. Odacığın çalışma voltajını bu amaçla kullanılan gazın özellikleri belirler. Argon, metan, %90 argon- %10 metan karışımı (P-10 gazı olarak bilinir), veya %4 izobütan-%96 helyum karışımı (Q-10 gazı) yaygın kullanılan sayım gazlarıdır. Yüksek saflıkta veya gaz karışımları da dedektörü doldurmada kullanılır. Çoğunlukla görece yüksek yoğunluğundan dolayı argon kullanılır. Fakat CF4 ve C2F6 gibi florokarbonlar ve izooktan ve izobütan gibi hidrokarbonlar da yüklü parçacıkları algılayan cihazlarda kullanılır. Orantılı sayacın çalışması için gerekli elektronik cihazlar Dedektörden gelen pulslar önyükseltici ve yükselticiden geçer ve şekillendirilerek güçlendirilir. Sonra sinyal ayrıştırıcıya geçer. Bu birim gürültüye duyarsız, radyasyon pulslarına ise duyarlıdır. Üretilen ayrıştırıcı pulslarının sayısı ölçeklendirici tarafından kaydedilir. Fizik Böl. 8

Hem alfa hem de beta parçacıkları yayan bir örneğin sayım hızı orantılı bir dedektörün voltaj aralığında belirlenip veriler çizildiğinde, sonuç: Orantılı bir dedektör için karakteristik eğrinin iki platosu vardır. Düşük voltaj kısmındaki plato sadece alfa radyasyonunu temsil eder çünkü bu voltaj aralığında sadece alfa parçacıkları yüksek iyonizasyonlarından dolayı ayrıştırıcıyı uyarmaya yetecek büyüklükte pulslar üretir. Böylece bu potansiyelde sadece alfa parçacıkları eşlik eden beta parçacıklarından ayrı olarak sayılmaz; zemin radyasyonu (kozmik ve gama ışınlarından oluşan) sayım hızı da oldukça düşüktür. Odacıktaki potansiyel gradyanı arttığında, çoğaltma faktörü de büyür. Sonuçta en enerjik beta parçacıkları tarafından üretilen birincil iyonlar bile kayıt edilebilecek büyüklükte pulslar üretmeye yetecek kadar güçlendirilirler. Bu nokta beta eşiğini temsil eder. Potansiyelin daha da arttırılması en zayıf beta parçacıklarının pulslarının bile kayıt edilmesini sağlar. Artık çalışma voltajındaki beta platosuna ulaşılır. Bu durumda sayım hızı aslında alfa+beta radyasyonunu temsil eder. İyi bir orantılı sayacın beta platosu eğimi her 100 V başına %0.2 kadardır. Orantılı dedektörlerin gama radyasyonu için verimi o kadar yavaştır ki bu dedektörler gama sayımında nadiren kullanılır. Düşük enerjili x-ışınları için çok iyi bir enerji ölçüm cihazıdır (spektrometre). Daha yüksek potansiyellerde gaz çoğaltma faktörü 10 8 e çıkabilir. Bu durumda çok zayıf bir beta parçacığı ya da gama ışını bile odacıktaki iyon uzayını tamamen doyurmaya yetecek sayıda iyon çifti oluşturabilir. Sonuçta anotda toplanan yükün büyüklüğü artık üretilen birincil iyonların sayısına bağlı olmaz ve böylece artık farklı radyasyon türleri arasında ayrım yapmak mümkün olmaz. Bu potansiyel düzeyine Geiger-Müller sayacı adı verilir ve bu aralıkta çalışan iyon odacıkları Geiger-Müller dedektörleri olarak bilinir. Bu bölgede maksimum gaz çoğaltması elde edildiğinden dedektörden çıkış pulsunun büyüklüğü sürekli deşarj oluşana kadar önemli bir voltaj aralığında aynı kalır. Bu özelliği ile orantılı sayaçlardan daha ucuz yüksek voltaj kaynağı kullanılır. Geiger-Müller bölgesinde daha yüksek bir çoğaltma faktörü kullanılması sorunsuz değildir. Sorunlardan biri odacığın daha uzun ölü zaman aralığıdır.bir dedektörden iyonizan bir radyasyon geçişini müteakiben, anot telin tamamı boyunca bir elektron çığı oluşur ve anot etrafında Fizik Böl. 9

pozitif iyonların silindirik bir kılıfının oluşmasına yolaçar. Bir puls başına bu tür pozitif iyonların sayısı, orantılı sayaç bölgesinde çalışan odacıklarınkinden birkaç mertebe daha fazladır. Nötralize olmak için, pozitif iyonlar katot duvarına göç etmelidir. Elektronlardan daha ağır olan bu iyonlar elektrik alanda daha yavaş hareket ettiklerinden, bu göç sırasında odacık içinden geçen başka yeni iyonizan parçacıklara karşı tepkisizdir. GM bölgesindeki dedektörün ölü zamanı 100-300 μs dir. Ölü zaman kaybı için bir düzeltme yapılabilir. Gerçek sayım hızı n (τ=0) ve ölçülen sayım hızı m ise, Örneğin 250 μs ölü zaman ile 1000 sayım/s sayım hızı ölçersek, : %33 daha düşük ölçülen sayım hızı Bir diğer öenmli sorun, bir dedktörün katot duvarındaki pozitif iyonlar deşarjı ile ilişkilikomplikasyonlardan kaynaklanan sürekli odacık iyonizasyonudur. Sonuçta, dedektördeki sürekli/aralıksız iyonizasyonu bastıracak ya da durduracak bir yola ihtiyaç vardır. Sayaç gazına halojen gazlar ya da çok atomlu organik bileşikler katmak işe yarar. Bu moleküller çarpışma enerjilerini soğururlar ve nötral cinslere ayrışırlar ve bu da deşarjı durdurur. Bastırma sırasında yokedildikleri için bir GM tübünün ömrü tipik olarak 10 8-10 9 puls ile sınırlıdır. Yarı-iletken Dedektörler Nükleer radyasyonun enerjisini doğrudan ölçebilmek için birincil iyonlaşmanın toplanması gerekir. Maddenin yoğun fazlarının yoğunluğu gazlarınkinden daha fazla olduğundan, katılar radyasyonun durdurulmasında birim mesafe başına daha etkindir. Ancak metallerde, oluşan elektron/pozitif iyon çiftleri hızla birleşebilir ve yalıtkanlarda ise yük toplanması zordur. Bu yüzden radyasyon dedektörleri olarak yaygın şekilde yarı-iletken malzemeler kullanılır. Metaller ve yalıtkanlar ise genellikle radyasyonu zırhlamada tercih edilir. Ayrıca bazı geçirgen inorganik kristallerin radyasyona özel hassasiyetleri vardır. Katı-hal iyon odası yapmak için en sık kullanılan yarı-iletken malzemeler silikon ve germanyum dur. Birincil iyonizasyonların (~10 5 elektron) gözlenebilmesi için bu malzemelerin çok saf olması gerekir. Termal gürültüyü azaltmak ve böylece sinyalleri doğru şekilde elde edebilmek için, germanyumlu cihazların soğutulması gerekir. İlk katı-hal cihazlar yarı-iletkenlerde iyonizasyonun gözlenmesi temeline dayanmaktaydı. Modern yarı-iletken dedektörler ise, akımı sadece bir yönde geçiren eklem diyotlar biçimindedir. Gelen radyasyon, diyodun Fizik Böl. 10

Enerji hacmi içinde iyonizasyona yolaçar ve normal akıma ters yönde ölçülebilen bir akım pulsu oluşturur. Si kristalindeki her atom, komşu diğer elektronlara dört elektron çifti ile bağlıdır. Elektronlar kristal içinde serbest hareket edemediklerinden, saf silikon kötü bir elektrik iletkenidir. Si kristali İletkenlik bandı Yasak bölge Valans bandı Silikon örgüde valans elektronların enerji seviyeleri birbirine o kadar yakındır ki, nerdeyse sürekli bir enerji bandı oluştururlar ve buna valans bandı denir. Saf silikonda, valans bandın üzerinde izin verilen enerji düzeylerinin olmadığı bir yasak aralık vardır. Bu düzeye yasak boşluk adı verilir ve silikon için ~1.08 ev kadardır. Yasak aralığın hemen üzerinde ise iletkenlik bandı bulunur ve bu enerjideki elektronlar kristalde serbestçe dolaşabilirler ve örgü içinde elektrik iletimini mümkün hale getirirler. Si örgüdeki Si atomlarından birini (Grup 4), bir P atomu (Grup 5) ile değiştirirsek, beş tane valans elektronu olan bu safsızlık atomu komşu Si atomlarıyla dört elektron çifti oluşturur ve bir elektron açıkta kalır. Açıkta kalan bu elektron, P atomuna gevşek şekilde bağlanacak ve kolayca koparılarak kristalde elektrik iletimine katkıda bulunabilecektir. Böylece N-tipi kristal oluşur. N-tipi Si kristali İletkenlik bandı Enerji Donor düzeyi Valans bandı Fosforun ekstra elektronu iletkenlik bandına çok yakın bir donor düzeyini işgal eder ve kolaylıkla iletkenlik bandına çıkabilir. Grup 5 safsızlığı içeren silikona n-tipi silikon adı verilir; çünkü kristal içinde yükü taşıyan tür negatiftir. Si örgüdeki Si atomlarından birini (Grup 4), B atomu ile (Grup 3) değiştirirsek, üç tane valans elektronu olan bu safsızlık atomu üç komşu Si atomuyla elektron çiftleri oluşturur. Si atomunun bir elektronu çift Fizik Böl. 11

oluşturamayacağından silikon örgüde bir deşik yaratılmış olur. P-tipi Si kristali İletkenlik bandı Enerji Akseptör düzeyi Valans bandı Deşik, valans bandına çok yakın bir akseptör düzeyini işgal eder ve kolaylıkla valans bandına çıkabilir. Grup 3 safsızlığı içeren silikona p-tipi silikon adı verilir; çünkü kristal içinde yükü taşıyan tür negatiftir. Valans banddaki bir deşik, iletkenlik bandındaki bir elektron gibi elektriği iletir. Elektron 1, deşik 0 ı kapatmak üzere hareket eder. Bu durumda konum 1 de bir deşik oluşur. Elektron 2 bu deşiği doldurmaya geçer; konum 2 de bir deşik yaratır. Böylece deşik sağa doğru hareket ederken, elektron sola doğru hareket eder. Elektrik, yükün hareketi olduğundan, deşiğin hareketi elektrik akışına karşılık gelir. Grup 3 safsızlığı içeren silikona p-tipi silikon adı verilir; çünkü kristal içinde yükü taşıyan tür pozitiftir. N-tipi bir silikon katmanı ile temas halindeki P-tipi bir silikon katmanından oluşan yarı-iletken bir radyasyon dedektörü Enerji İletkenlik bandı P-n eklemi oluştuğunda, n-tipi silikondaki elektronlar eklemden geçer ve p-tipi silikondaki N-tipi silikon Valans bandı P-tipi silikon deşikleri doldurur ve p-n eklemi etrafında elektron ve deşik fazlalılığı bulunmayan bir alan oluşur. Bu alana deplasman (tüketim) bölgesi adı verilir. N-tipi materyale pozitif bir voltaj ve p-tipi materyale de negatif bir voltaj uygulandığında, eklem ters akım uygulanmış olur. N-tipi materyaldeki pozitif voltajdan dolayı elektronlar eklemden uzaklaşacak ve p-n eklemi etrafında daha kalın bir deplasman bölgesi oluşacaktır. Deplasman bölgesinin kalınlığı (d), silikonun özdirenci ve uygulanan ters voltajın karesi ile doğru orantılıdır. Dedektöre uygulanan voltaj değiştirilerek deplasman bölgesinin tüketimi kendiliğinden değiştirilebilir. Fizik Böl. 12

Deplasman bölgesi, dedektörün aktif hacmi olarak görev yapar. İyonize radyasyonun bu bölgeden geçişi valans bantta deşikler ile iletkenlik bandında elektronlar yaratacaktır. Elektronlar, n-tipi taraftaki pozitif kutba doğru, deşikler de p-tipi taraftaki negatif kutba doğru hareket ederler. Böylece cihazın çıktısında bir elektrik pulsu oluşur. Silikon içinde bir elektron-deşik çifti yaratmak için gerekli ortalama enerji ~3.6 ev kadardır. Yyasak aralığın ~3 katı kadar büyüklüktedir, çünkü elektronların çoğuvalans banttaki derinlerden iletkenlik bandının yüksek noktalarına yükselirler. Elektron-deşik çifti üretmek için gerekli enerji, parçacığın kütlesindne ve yükünden bağımsızdır; böylece yarı-iletken dedektörün tepkisi parçacık türünden bağımsız olur. Bir gaz iyon odasında iyon-elektron çifti oluşturmak için ~35 ev gerektiği hatırlarsak, aynı miktarda enerji birikimi ile yarı-iletken dedektörde ~35/3.6~10 kat daha fazla yüklü çiftler oluştururuz. Dedektörün enerji çözünürlüğü ΔE/E~N -1/2 ile orantılıdır. Burada N oluşan yük çiftlerinin sayısıdır. Bu durumda bir yarı-iletkendeki enerji çözümleme gücü gaz iyon cihazındakinden 10 1/2 =3.2 kat daha iyidir. Bir fotoçoğaltıcının katodunda bir fotoelektron oluşturmak için gereken ortalama gama enerjisinin 1000 ev olduğunu düşünürsek), bir sintilasyon sayacına göre yarı-iletken dedektör (1000/3.6) 2 ~17 kat daha iyi çözümlemeye sahiptir. Bazı yarı-iletken dedektörlerde, malzeme olarak silikon yerine germanyum kullanılır. Avantajları: Ge içinde bir elektron-deşik çifti yaratmak için gerekli ortalama enerji ~2.9 ev dir (Si için 3.6 ev). Enerji çözünürlüğü silikona göre (3.6/2.9) 2 = 1.1 kat daha iyidir. Germanyumun atom numarası (Z=32) silikonunkinden (Z=14) daha yükzektir. Böylece gama ışınları için dedektör malzemesi içinde etkileşim olasılığı daha yüksektir. Sonuç olarak, gama ışınlarının dedeksiyonunda germanyum tercih edilir. Ancak Ge için yasak aralık o kadar küçüktür (0.66 ev) ki, oda sıcaklığında katı malzemede termal uyarılmayla elektron-deşik çiftleri meydana gelir. Bu sebeple, termal elektron gürültüsünün birincil iyonlaşmadan gelen küçük sinyalleri bastırmasını önlemek için germanyum dedektörler sıvı azot sıcaklığında (77 K) tutulurlar. Silikon tabanlı katı hal dedektörleri üç genel kategoriye ayrılır: Yüzey engelli cihazlar PIN diyotlar Si(Li) cihazlar Bu cihazlar kısa menzilli radyasyonların ölçülmesinde kullanılırlar: İlk iki Fizik Böl. 13

grup yüklü parçacıklar için ve üçüncü grup ise düşük enerjili gama ve x- ışınları için uygundur. Dedektör genellikle ince bir silikon katmandan (~200 μm kalınlığında) oluşur. Ancak daha fazla kalınlıklarda (5 μm 50 mm) kullanılabilir. Diyot üzerinden normal akış yönüne ters doğrultuda bir elektrik alan uygulanır (~V/μm düzeyinde). Radyasyonun yarattığı elektrondeşik çiftleri elektrik alan tarafından elektrotlara sürüklenir. Bu sinyaller bir dış devrede güçlendirilir. Silikon yüzey engelli dedektörler yüksek özdirençli (10 3 Ώ) saf n-tipi silikondan yapılmış ince bir silindirik parçadan oluşur. Bir tarafta ince altın bir kontakt ve diğer tarafta ise alüminyum bir kontak yer alır. Altın kontak tarafından radyasyon silikona geçer. Altının hemen altında bir oksit tabakası yeralarak yarı-iletken eklemi (engeli) oluşturur. Altın katman fiziksel aşınmaya karşı hassastır ve oksit katman vakuma maruz kaldığında tükenebilir. Oksit katman ayrıca organik moleküllere de oldukça hassastır. İnce altın katmandan geçerek silikona giren fotonlar elektron-deşik çiftleri oluşturabileceğinden, bu dedektörler kullanım sırasında görünür ışıktan korunmalıdırlar (zırhlama). Aktif silikon bölgeye girmeden önce parçacık az kinetik enerji kaybetsin diye altın ve oksit tabakalar ince yapılır. Bu katmanlar alfa spektroskopisinde önemli sayılabilecek bir ölü bölge oluştururlar. Son zamanlarda iyon implantlı eklemlere sahip düzgün ölü katmanlı dedektörler yapılmıştır. İnce bir bor iyonu katmanı eklemi oluşturmak için implant n tipi silikonun yüzeyine yakın yapılır. Radyasyonun silikona daha kalın ve hafif-sıkı bir alüminyum kontaktan girdiği sağlamlaştırılmış dedektörler de mevcuttur. Malzemenin hacmi p- tipi silikondur ve altın kontağa negatif ters bir gerilim uygulanır ki giriş penceresi toprak voltajda kalabilsin. Bir diğer tasarımda, altın kontak yerine sağlamlaştırılmış daha kalın bir nikel kontaktan oluşan bir yüzey kullanılır. Nikel silinerek temizlenmeye karşı dayanıklıdır. Silikondan yapılmış yüzey engelli dedektörler alfa spektroskopisinde ve nükleer reaksiyon çalışmalarında yaygın kullanıma sahiptir. Bu dedektörler, parçacıkları özgün biçimde tanımlayan yığınlar şeklinde kullanılabilir. Tek bir dedektörün tipik çözümlemesi ~20 kev kadardır ancak dedektör geometrisine ve dedektör kapasitansına bağlıdır. Yüzey enegelli Fizik Böl. 14

dedektörler ince dielektriklerle ayrılmış paralel elektrotlara sahiptir ve böyle bir cismin kapasitansı, alan ile artarken kalınlık ile azalır. Bu yüzden ince-geniş alanlı dedektörler en iyi en büyük kapasitansı ve en zayıf çözümlemeye sahip olurlar. Silikon PIN diyotlar yarı-iletken büyütme teknolojisinden dolayı en son çıkan dedektör türüdür. Bu cihazlar bir tarafında p-tipi ile diğer tarafında n-tipi silikon yapraktan oluşur; Bu yüzden pin sandviç adını alır. Yüzey engelli dedektörlere göre, oldukça farklı ebatlarda ve şekillerde üretilebilir (25 cm 2 gibi). Diyotun ön ve arkasındaki kontaklarda farklı şekil ve ebatta olabilir. Örneğin 5*5 cm 2 dikdörtgen yaprak, önünde iki yatay elektrik kontağı ile arkasında iki dikey elektrik kontağı gibi. Bölünen kontaklar, silikonun elektriksel olarak ayrılmış dört bölgesini tanımlar. Dedektöre giren bir parçacık, iki sinyal oluşturur; biri önde diğeri de arkada, sinyal böylece silikonun hangi bölgesi olduğunu belirtmiş olur. 16 önde, 16 arkada yer alan şeritlerle nükleer çalışmalarda genellikle hassas konum ölçümleri yapılır. Yüklü parçacıklara uzun süre maruz kalan tüm katı-hal dedektörleri hasar görür. Görünür hasar için eşik doz (parçacık/cm 2 cinsinden), fisyon ürünleri için 10 8, alfa parçacıkları için için 10 9, hızlı nötronlar için 10 12 ve elektronlar için 10 13. Normalde parçacıklar silikon materyal içinde yavaşlar, durur ve orda kalırlar. Bir çok durdurulmuş parçacıktan dolayı örgü yapısı bozulur ve zehirlenir. Parçacıkların enerjileri aynı ise, tüm parçacıklar silikon içinde çok dar bir bantta duracağından dedektörün aktif hacminde ölü bir katman oluşur. Beta parçacıklarının ölçülmesi için lityum-sürüklemeli silikon dedektörler geliştirilmiştir. Elektronlar, ağır ve yüklü parçacıklardan daha girici olduklarından Si(Li) dedektör adı verilen bu cihazlar daha kalın üretilirler (5 mm kalınlık gibi). Çok saf silikonun bu tür geniş hacimleri kolayca bulunamaz; bu sebeple dahili örgü kusurlarını telafi etmek için lityum iyonlarını hacimsel materyal içine sürükleme tekniği geliştirilmiştir. Yüzeye bir lityum metali katmanı uygulanır ve bazı atomlar silikon hacmine difüze olur (yayılır). Lityum atomları iletkenlik bandına kolaylıkla elektron bağışlar ve iyon haline gelir. Silikona, lityum iyonlarının yüzeyden hacime doğru geçmesine neden olabilecek bir gerilim uygulanabilir. Göç eden iyonlar örgüdeki negatif safsızlıklar tarafından tuzaklanır ve safsızlık etkisi böylece telafi edilir. Lityum iyonları örgü içindeki yüksek mobilitelerini (hareketlilik) korurlar ve dedektörler oda sıcaklığında uzun dönem kullanılmayacaksa küçük bir gerilim altında muhafaza edilirler. Fizik Böl. 15

Beta parçacıkları dedekte edilirken Si(Li) dedektörler düşük gama hassasiyetleri ve daha düşük geri-saçılmadan dolayı (~1/3 e 1/2) Ge(Li) dedektörlere tercih edilir. Si(Li) dedektörlerin elektronlar için enerji çözümleme gücü, 1000 kev e kadar elektron enerjileri için ~1-2 kev kadardır. Si(Li) dedektörlerin beta parçacıkları için dedeksiyon verimi 14C nin betası gibi düşük enerjili betalar için 1/2 si ile 32P nin betası gibi yüksek enerjili betalar için gazlı sayaçlarınkinden büyüktür. Küçük ebatlarından dolayı, bu dedektörlerin zemini verilen bir durdurma gücü için istisnai şekilde düşüktür ve herhangi bir çevresel gaz kaynağı gerektirmezler. X-ışınları için çok iyi enerji çözümlemesi mümkündür. Mn ın 5.9 kev enerjili x-ışınları için Si(Li) dedektörler için 180 ev luk bir çözümleme elde edilmiştir; intilasyon sayacı için en iyi enerji çözümleme gücü 1000 ev dir. Silikon dedektörlerin tümü tetiklenen sinyallerde zemin yaratan termal gürültüyü düşürmek için soğutulurlar. Termal gürültüyü, rastgele dalgalanmalar yaratır; bir elektron bant aralığından iletkenlik bandına yükseir ve böylece bir elektron-deşik çifti oluşur. Yükseltilen elektron sayısı Boltzman fonksiyonu ile orantılı olacaktır: Δ: bant aralığı T: sıcaklık Pratikte silikon dedektörler genellikle oda sıcaklığından yaklaşık -20 C ye soğutulur; -60 C nin altı faydalı değildir; dış elektronik devresi sistem gürültüsünün çoğunu oluşturur. -20 C nin altındaki sıcaklıklar kullanılmaz; yapım malzemelerinin termal genleşme katsayılarındaki farkdan kaynaklanan dahili fiziksel stres önemli hale gelir. Termal gürültünün azaltılma oranını Boltzman ifadesi ile tahmin edebiliriz. Soğutulmuş silikon dedektörler, özellikle ölçülen parçacıkların kristal örgüye önemli hasar vermesinin beklendiği deneylerde önemlidir. Dedektör soğutulmazsa, termal gürültü ölçüm sırasında öenmli ölçüde artar ve dedektör çözmleme gücü zaman içinde azalır. Germanyum dedektörler, doğrudan iyonlaştırıcı cihazlar içinde en yüksek çözünürlüğe sahiptir. Bunun sebebi, germanyumun 0.73 ev değerindeki (80 K de) küçük bant aralığı ve 2.95 ev değerindeki etkin iyonizasyon potansiyelidir ve verilen bir radyasyon miktarı için çok sayıda iyon çiftinin yaratılmasına imkan tanır. Ayrıca bant aralığı, termal dalgalanmalarla yaratılan elektron-deşik çifti sayısının önemli derece elektronik gürültüye sebep olmasına yetecek kadar küçüktür. Gürültü, Fizik Böl. 16

germanyumu ve kryostatdaki yükseltme devresinin ilk kısmını kaplayarak ve her ikisini sıvı azot sıcaklığına soğutarak azaltılabilir. Her şey eşitken, bir germanyum diyot ile oluşturulan sinyalin büyüklüğü silikon diyot ile oluşturulan sinyalin büyüklüğünden 3.76/2.95~1.27 kat daha büyük olmalıdır (80 K). Ancak termal gürültü Boltzman üstel dağılımı ile orantılı olarak daha büyük olacaktır; böylece aynı sıcaklıkta germanyumdaki gürültü faktörü kadar daha büyük olacaktır. Bu gerçekler silikon dedektörlerin lehine gibi görünmektedir. Ancak, maddenin fotonlar için «durdurma gücü» yüklü parçacıklarınkine göre daha düşük olduğundan fotonlar malzeme içinde daha derinlere nüfuz edebilirler. Yanısıra, fotonların enerjilerinin tamamının soğurulmasına önemli katkı yapan bir atom ile fotoelektrik etkinin ihtimali Z 5 gibi artar. Bu durum yüksek Z li materyalleri fotonlar için daha etkin soğurucu yapar. Pratik açıdan ise silikon kristallerinden daha büyük ve oldukça saf germanyum kristalleri için üretim teknikleri de geliştirilmiştir. Germanyum dedektörler, nerdeyse sadece gama ışınlarının dedeksiyonunda kullanılırlar. Enerjili fotonlar kryostata nüfuz edebilirler ve germanyum dedektörlerinin yüksek çözümleme gücü, nükleer düzeylerin uyarılmış durumlarının bozuumundan yayımlanan gama ışınlarının oldukça kesin enerjileri için uygundur. Germanyum dedektörlerinin iki grubu vardır: lityum telafi malzemesi kullananlar (Ge(Li)) ve yüksek saflıkta germanyum dedektörleri. Ge(Li) dedektörler prensip olarak Si(Li) dedektörlere benzer.görece saf halde p-tipi germanyum malzeme büyük külçeler halinde (~ 1 L) hazırlanabilir. Yüzeye lityum malzemesi uygulanır, bazı atomlar örgüye difüze olur, elektronunu bağışlar, ve akabinde iyonlar malzeme içinde sürüklenirler. Lityum iyonlarının germanyumda mobilitesi silikondakinden daha yüksektir. Bu durum büyük germanyum hacimlerinde safsızlıkların etkin telafisine imkan tanır, ancak oda sıcaklığında örgü tarafından hızla bu durum ortadan kalkar. Ge(Li) dedektörlerin önemli bir özelliği, germanyum kristalinin kullanım ömrü boyunca sıvı azot sıcaklığında tutulması gereğidir.dedektörlerin ısınmasına izin verildiğinde, çokkısa bir süreliğine de olsa, lityum telafisi bir miktar kaybolur ve yüksek çözümleme geriler. Kristal üretici tarafından yeniden sürüklenebilir. Fizik Böl. 17

Germanyum kristallerinin şekli genellikle silindiriktir; lityum dış yüzeye uygulanır ve merkeze doğru sürüklenirler. Lityum kontak kristalin yüzeyinde n-tipi bir bölge üretir, kalan hacim ise telafi ile intrinsic olur ve küçük bir p-tipi bölge P-I-N diyot yapısını elde etmek için kasti olarak sürüklenme dışı bırakılır. Bu sebeple dedektörün koaksial p ve n tipi elektrotları vardır ve bazen koaks deektör olarak adlandırılır. Germanyum diyoda ters bir akım uygulanır, birincil iyonisasyon olaylarından gelen küçük akım pulsları toplanır ve güçlendirilir. Ge(Li) dedektörlerin tüm kullanım ömürleri boyunca çok soğuk tutulmaları gereği germanyum saflaştırma tekniklerini teşvik etmiştir. Yeni üretilen lityum sürüklenmesiz PIN diyotlar oda sıcaklığında muhafaza edilebilir ve sadece kullanıldıklarında soğutulurlar. N-tipi bölge, lityum difüzyonu ile sürüklenmesiz hazırlanır ve oldukça ince bir p-tipi bölge bor iyonu implantı ile hazırlanır. Kristaller genellikle koaksiyal elektrodlu silindirik şekildedir. Diğer şekiller, düşük enerjili gama ışınları ve x-ışınları için düzlemsel dedektörler ve geometrik verimi çok yüksek boş kuyu tipi kristaller mevcuttur. Gama ışınlarının dedeksiyonu için, yüksek Z sinden dolayı Ge dedektörü tercih edilir. Ge dedektörlerin en göze çarpan özelliği oldukça iyi enerji çözümleme gücüdür. Co60 ın 1332 kev enerjili gamaları için 1.75 kev enerji çözümlemesi rutin olarak kullanılır. 3*3 inçlik NaI(Tl) dedektörlerin göre 90-100 kev düzeyindeki enerji çözümelemesi ile kıyaslandığında oldukça iyi olduğu görülür. Fizik Böl. 18

Enerji Nükleer Fizik II Ders Notları - 13. 13.3 Sintilasyon Dedektörleri Bir parıldamalı dedektörde, birincil radyasyonun dedektör hacminde bıraktığı enerjinin bir kısmı görünür ışığa ve sonra da elektrik sinyaline dönüştürülür. Kavramsal olarak süreç, parıldama aşaması (enerji ışığa dönüşür), ışığın toplanması ve elektron dönüştürülmesi ve makroskopik bir sinyal oluşturabilmek için elektronların çoğaltılması aşaması olarak açıklanabilir. Radyasyon madde ile etkileştiğinde, iyonizasyon veya uyarılma yoluyla enerji kaybeder. Sadece birkaç malzeme nükleer radyasyondan birincil iyonizasyonu toplamaya imkan tanıyacak doğru özelliklere sahiptir. Eğer iyonizasyon korunmaz ve toplanmazsa, elektron-pozitif iyon çiftleri sonuçta yeniden birleşir. Bu yeniden birleşme sırasında, yükleri ayrıştırmak için kullanılan enerji ortama sıklıkla örgü titreşimi veya ısı şeklinde yeniden yayılacaktır. Bazı durumlarda uyarılmış bir durum işgal edilir ve bu durum bozunurken görünür ışık yayılır. Bu sürece atomik ya da moleküler floresans olayı ya da uyarılan radyasyon sebep olduğunda sintilasyon (parıldama) adı verilir. Bu görünür ikincil fotonlar kolayca dedekte edilebilir ve foto-çoğaltıcı tüpler vasıtasıyla çoğaltılabilir. Sintilasyon sürecinin detayları karmaşıktır ve sintilatörün moleküler yapısına çok bağlıdır. Organik kristallerde, organik katının molekülleri taban durumundan elektronik uyarılış duruma uyarılır. Bu durumların bozunumu 10-8 s içinde foton yayılımı yoluyla olur (floresan olayı). Molekülün başlangıçta soğurduğu enerjinin bir kısmı foton yayılımından önce ve sonra örgü titreşimi olarak tüketilir. Sonuçta kristal genellikle Uyarılma soğurma olmaksızın kendi floresan radyasyonunu iletecektir. Titreşim düzeyleri Uyarılmış durum Floresans bozunumu Titreşim düzeyleri Taban durum Organik sintilatörlerin üç yaygın türü vardır. İlki antrasen gibi saf kristal malzemedir. İkinci tip, sıvı sintilatör oluporganik bir sintilatörün organik bir sıvı içindeki çözeltisidir; toluen içindeki p-terfenil çözeltisi gibi (~3 g/l). Üçüncü tür ise p-terfenil gibi organik bir sintilatörün polistiren gibi bir katı plastik içindeki çözeltisidir. Fizik Böl. 19

Uyarılmalar Tüm organik sintilatörlerin floresan ömürleri kısadır (2-3 ns). BU yüzden yüksek sayım hızlı durumlarda ya da hızlı zaman ölçümlerinde kullanılırlar. Işık çıkışı ortalamadır (NaI(Tl) un için %10-50). Organik sintilatörlerin düşük Z sinden dolayı, başlıca ağır yüklü parçacıkların ve elektronların algılanmasında kullanılırlar. Plastik sintilatörler, kolaylıkla farklı şekillerde ve/veya ince film olarak üretilebilirler. %10-14 arası enerji çözümleme mümkündür. Sıvı sintilatörler 14C ve 3H gibi düşük enerjili beta yayıcıları incelemede kullanılır. Radyoaktif malzeme sintilasyon çözeltisinde çözünür. Ayrıca yüksek hacimli (birkaç m3) sıvı sintilatör dedektörler, gadolinum gibi bir nötron soğurucu ile birlikte kullanılarak nötron dedektörü olarak kullanılabilir. Gadolinum nötron yakaladığında e- ve γ üretir; bu gamalar ise sintilatörde algılanır. İnorganik sintilatörlerdeki sintilasyon süreci organik sintilatörlerden farklıdır. Şekilde iyonik bir kristalin Elektron yapısı görülüyor. Enerjili bir elektron Aktif kristalden geçerse, merkez Tuzaklar valans elektronlarını Deşik İletkenlik bandı Uyarılma bandı Yasak bölge Valans bandı valans bandından iletkenlik bandına çıkarabilir. İyonlaşmadan sonra valans bandında elektron eksikliği oluşur ve buna deşik adı verilir. İletkenlik bandındaki elektron ile valans bandındaki deşik kristalin içinde serbestçe dolaşabilirler. Alternatif olarak, bir valans band elektronu iletkenlik bandından daha düşük düzeydeki bir enerji düzeyine uyarılabilir. Bu sürece uyarılma adı verilir. Elektron valans bandındaki deşiğe baplı kalır. Bunötr elektron-deşik çiftine ekziton adı verilir; kristal içerisinde hareket edebilir. Ekziton ile ilgili olan enerji düzeyleri ise ekziton bandı olarak adlandırılır. Kristaldeki örgü bozuklukları veya alkali halit kristaline kasıtlı olarak yerleştirilen safsızlıklar (talyum gibi) yasak bölgede tuzak adı verilen yerel enerji düzeylerinin oluşumuna sebep olur. Radyasyonun kristal ile etkileşimi sonucu oluşan ekzitonlar, deşikler ve elektronlar, bir aktivasyon merkezi ya da tuzakta tuzaklanana kadar kristal içinde gezerler. Bir kristal içinde bir ekzitonun göç etmesi 6-8 ev enerjili uyarılmış bir iyot iyonunun (I-*) enerjisini yakınındaki kararlı I- ye transferi ve onu uyarmasına benzetilebilir. Öyleyse, enerji kristal örgü içinde I- den I- ye aktarılabilir; sonra da bir aktivatör merkezi ya da kristal safsızlığı tarafından yakalanması ile sonlanır. Ekziton yakalaması veya Fizik Böl. 20

deşik-elektron yakalaması ile, aktivasyon merkezleri taban durumdan uyarılmış bir duruma yükselirler. Aktivasyon merkezinin ışık yayarak taban duruma dönmesi 0.3 μs kadar bir sürede gerçekleşir. Dolayısıyla sintilasyonda radyasyon tarafından bırakılan enerji aktivasyon merkezi tarafından ışık olarak yayılır. Kristalin tümü tarafından yayımlanan ışığın miktarı gelen radyasyon tarafından kristalde biriken enerjinin miktarı ile doğru orantılıdır. Biriken enerjinin floresan fotonlara dönüşen oranı %10 kadar küçük bir değerdir. En sık kullanılan inorganik parıldayıcı NaI(Tl) dur. Bu materyal ucuz olduğundan ve fotonlar için yüksek durdurma gücüne ve kolay kullanıma sahip olduğundan, gama ışınlarını algılamada yaygın biçimde kullanılır., Floresans ışık çıkışı, yavaş bir bozunma zamanına sahiptir (~230 ns). Bu durum bu dedektörlerdeki sayım hızını sınırlar. Enerji çözünürlüğü Co60 gamaları için (1332 kev enerjili) %6 dan daha iyi değildir (Ge dedektörlerde %0.13). Gama radyasyonunu ölçmede çok verimlidir (tipik algılama verimi %1-10).Gama ışını deekörleri için 3 inç çapında ve 3 inç uzunluğunda bir dik duran silindir referans standart olarak kullanılır. Dikkate değer diğer inorganik sintilatörler bizmut germanat (Bi4Ge3O12, BGO) dır; yğksek Z li ve yüksek yoğunluklu bir materyaldir. Düşük ışık çıkışı (NaI(Tl) nın %10-20 si) bu sintilatörün kullanımını yüksek verimin (düşük çözünürlük) gerektiği durumlarla sınırlar. Baryum florür (BaF2) ise yüksek Z li bir materyaldir ve hızlı ama düşük ışık çıkışına (τ<1 ns) sahiptir. Yüksek yoğunluklu, yüksek Z li ve hızlı sürelerin önemli olduğu durumlarda kullanılır. Sintilatörden yayımlanan ışık bir elektrik sinyaline nasıl dönüştürülür? Fizik Böl. 21

Bir NaI(Tl) kristalindeki Tl+ iyonları gibi aktivasyon merkezlerinden yayımlanan görünür ışık fotonları, geçirgen bir flor malzemeden geçer ve sonra şeffaf bir pencereden geçerek yakındaki fotokatot üzerine düşer. Tipik bir fotokatot, fotoçoğaltıcı tübün sonundaki iç yüzeyde ışığa duyarlı ince bir katmandan (genellikle Cs-Sb alaşımı) oluşur. Çarpan fotonlar, özellikle dalga boyları 3000 ile 6000 A arasında olanlar, burada soğurulur ve fotoelektron yayılımı gerçekleşir. Açığa çıkan fotoelektron sayısı, gelen foton sayısı ile doğru orantılıdır ama biraz azdır. Tek bir gama ışınının kristalde etkileşiminden oluşan böylesine çok sayıda fotoelektron doğrudan kaydedilemeyecek kadar zayıftır. Çoğaltma, dinod adı verilen ve fotoçoğaltıcı tübün uzunluğu boyunca sıralanmış bir dizi elektrot yoluyla gerçekleşir. Her bir dinot (metal yüzey) diğerinden 50 V kadar daha yüksek voltajda tutulur. Fotokatottan yayımlanan bir fotoelektron, bir elektrik alan tarafından ilk dinoda çarpmak üzere odaklanır. Çarpışma ile oluşan çok sayıda ikincil elektron bir potansiyel gradyanı tarafından dizideki ikinci dinoda çekilirler. Yine çarptıklarında her biri bir çok yeni elektron yaratır. Bu elektron çoğaltma süreci son dinoda varana kadar her bir dinodda devam eder ve sonuçta fotokatotdan açığa çıkan her bir fotoelektron için 10 5-10 6 elektron üretilmiş olur. Böylece foto-çoğaltıcı tüpün çıkış pulsunun büyüklüğü, gelen gamanın florda bıraktığı enerji miktarı ile doğrudan ilgili olur. Sintilasyon sürecindeki enerji dönüşümüne örnek olarak, Co60 ın 1.17 MeV lik γ ışınının NaCl(Tl) kristalindeki etkileşim sürecine bakalım: 1. γ enerjisinin %20 si flor kristalinde ekziton üretimine harcanırsa ve bir ekziton üretmeye 7 ev gerekiyorsa, bu γ dan ~33000 ekziton oluşur. 2. Uyarılmaların %10 u komşu fotokatot tarafından görülecek görünür ışın üretimi ile sonuçlanırsa, yaklaşık 3300 foton fotokatoda ulaşacaktır. 3. Dönüşüm verimi %10 olan fotokatoda çarpan bu sayıda foton yaklaşık 330 fotoelektron açığa çıkaracaktır. 4. Kazancı 10 6 olan fotoçoğaltıcının ardışık dinotları bu sayıdaki fotoelektronu güçlendirecek ve böylece ~3.3*10 8 elektron veya ~5*10-11 C değerinde bir akım fotoçoğaltıcının anodunda toplanacaktır. 5. Bu yük daha sonra kapasitansı 30 pf olan bir önyükseltici devre tarafından 1.8 V luk bir çıkış pulsuna dönüştürelecektir. Bu miktardaki bir puls bir ölçeklendiriciyi doğrudan tetiklemeye yetecek büyüklüktedir. 60Co her bozunumda iki gama yayar. 1.33 MeV enerjili diğer gama için dedektörden çıkış pulsu ise 2.05 V dur. Puls yüksekliklerindeki istatistiksel belirsizlik en yüksek belirsizlikli adım tarafından belirlenir (Adım 3). Bu durumda ~%6 kadar bir çözümleme beklenir ve bu da iki pulsu ayırt etmeye (çözümlemeye) ancak yeter. Fizik Böl. 22

13.3 Nükleer İz Dedektörleri Yüksek iyonizasyonlu radyasyonun yalıtkan bir katıdan geçişi, malzeme içerisinde tahribata yolaçar. Kovalent bağlı malzemelerde, tek bir enerjik iyonun geçişi sonucu radyasyonun takip ettiği yol boyunca malzemenin kimyasal yapısı önemli ve kalıcı şekilde değişebilir. Bazı polimerik (plastik) malzemeler ve mika minerali (bir çeşit silikon dioksit) bu tür radyasyon hasarlarına karşı daha duyarlıdırlar. Orijinal radyasyon hasarı moleküler ölçekte lokalize kalır, gözle görülemez. Ancak radyasyonun izi kimyasal iz kazıma yöntemiyle moleküler boyutlardan (nanometre) mikro boyutlara (mikrometre) büyütülebilir. Nükleer iz dedektörleri, yüksek iyonizan radyasyon üreten nadir olaylar için basit ve çok verimli dedektörlerdir. Dikkatlice hazırlanan ve taranan iz dedektörleri bireysel nadir bozunumları tanımlamak için kullanılmıştır. Bir izin neden olduğu hasar kendiliğinden onarılmaz. İz dedektörlerinin dezavantajı, izlerin çok küçük olmasından dolayı ancak mikroskop altında görülebilmesidir. Gözle okuma oldukça zahmetli ve hataya açıktır. Modern bilgisayar kontrollü tarama bu analizin hızını ve güvenirliğini arttırmıştır. Alfa parçacıklarına duyarlı plastik iz dedektörleri radon çalışmalarında yaygın kullanılırlar. Malzemenin kimyasal yolla aşındırılması, aşındırma çözeltisine maruz kalan tüm yüzeylerde gerçekleşir. Malzemenin maruz kalan yüzeyleri iz boyunca aşınır. Bu yüzden, izden maksimum bilgiyi elde etmek için aşındırma hızı dikkatle kontrol edilmelidir.düzgün bir izin aşındırılması genellikle dairesel bir koni oluşturacaktır; çünkü iz boyunca derinlere kıyasla yüzeyden daha kolay materyal kopabilecektir. Mika izleri dairesel olmanın aksine örgü yapısından dolayı elmas şekillidir. Nükleer emülsiyonlarçok ince daneli fotografik filmfir. Radyasyon geçince film pozlanmış olur ve AgCl daneleri iyonizasyon ile aktive olurlar. Film banyo edilir ve dikkatlice mikroskop altında incelendiğinde parçacıkların izleri veya takip ettikleri yollar gözlenebilir. Bazen bir parçacık emülsiyondaki bir çekirdek ile etkileşir ve bir sürü fragman ya da parçacık yaratır ve reaksiyon ürünlerinin izleri takip edilebilir. Emülsiyon ayrıc aiyonlaşma hızına karşı hassastır ve izdeki parçacığın doğası sıklıkla tanımlanabilir. Diğer taraftan, x-ışınları yumuşak dokudaki hafif elementlere (karbon, oksijen, hidrojen) kıyasla, kemik dokudaki ağır elementler (temelde kalsiyum) tarafından daha etkin soğurulup saçılırlar ve bir gölge yaratırlar. Emülsiyondaki daneler geçen x-ışınlarına maruz kalırlar ve negatif görüntüyü elde etmek için banyo edilirler. Fizik Böl. 23