Transcript Cüneyt ÇELİKTAŞ - Sintilasyon Dedektörleri ile Zaman ölçüm Tekniği

PLASTİK SİNTİLASYON
DEDEKTÖRÜNDEN OLUŞAN
SPEKTROMETREDE ZAMAN ÖLÇÜM
TEKNİĞİNİN UYGULANMASI
Cüneyt ÇELİKTAŞ
Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü
Bornova-İZMİR
VIII. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Dedektörleri Yaz Okulu
1
KONU BAŞLIKLARI
 Tarihsel Gelişim
 Materyal ve Metot
1. Kullanılan Radyoaktif Kaynaklar
2. Plastik Sintilasyon Dedektörü
3. Zaman Ölçüm Teknikleri
3.1 Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği
3.1.1 Adım etkisi, sürüklenme, zaman
jitteri ve gürültü voltajı
3.2 Sabit Kesir Zaman Ölçüm Tekniği
3.2.1 Sabit kesir ve etkin sabit kesir
4. Zaman Spektrumu
2
KONU BAŞLIKLARI
 Deneysel Çalışma
1. Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği
1.1 Zaman Spektrumları
1.2 Çıkış Sinyal Şekilleri
2. Sabit Kesir Zaman Ölçüm Tekniği
2.1 Zaman Spektrumları
2.2 Çıkış Sinyal Şekilleri
2.3 Sabit Kesir ve Etkin Sabit Kesir
Hesaplaması
3
KONU BAŞLIKLARI
2.4 Elde Edilen tr (1-f) Değerleri
2.5 Şekillenme ve Pik Zamanları
2.6 Adım Etkisi, Zaman Jitteri ve Gürültü
Voltajı


Sonuçlar
Kaynaklar
4
eski örnek 1903’de Crookes tarafından bulunan
spinthariscope’tur.
 Geiger ve Murden tarafından gerçekleştirilen α
saçılma deneyleri daha popüler olmuştur.
 1944’te Curan ve Baker, fotoçoğaltıcı tüpü ortaya
koymuşlardır.
 1950’li yılların ortalarında sintilasyon dedektörleri,
en güvenilir ve geleneksel dedektörler arasında yer
almıştır. Günümüzde bu durum hala geçerliliğini
korumaktadır [1].
 En
5
Kullanılan Radyoaktif Kaynaklar:
Radyoaktif Kaynak
Yarılanma Ömrü (Yıl)
Aktivite (µCi)
90Sr
28,78
0,100
133Ba
10,51
9,468
137Cs
30,07
5,000
207Bi
31,55
9,468
Çizelge 1. Kullanılan radyoaktif kaynaklar [2].
6
Bu
dedektörlerde,
nükleer
parçacık
veya
radyasyon dedektör kristaline
çarptığı zaman, küçük ışık
parıldaması yani sintilasyon
ışığı kullanılır.
Fotoçoğaltıcı tüp gibi,
yükseltici bir alet ile
birleşme yapıldığı zaman bu
sintilasyonlar,
gelen
radyasyon ile ilgili bilgi
vermek için sayılabilen ve
analiz edilebilen elektronik
pulslara dönüştürülür [1].
Şekil 1. Bir sintilasyon sayıcısının
şematik diyagramı [1].
7
BC400 plastik sintilatörü, yüksek ışık verimine
sahip ekonomik bir sintilatördür [3]. Polyvinyltoluene,
polyphenylbenzene ve polystyrene en yaygın olarak ve
sıklıkla kullanılan plastik sintilatörlerdir. Plastikler, 2-3
ns bozunma zamanlı hızlı zaman sinyalleri sağlarlar
[1].
8
Çalışmada kullanılan radyoaktif kaynakların
yayımladıkları parçacıkların plastik sintilatör içindeki
menzilleri ilgili grafiklerden bakılarak bulunmuştur.
Bulunan bu menzil değerlerine göre, uygun olan 3 mm
x 76,2 mm BC400 tip plastik sintilasyon dedektörü
çalışmada tercih edilmiştir.
9
Radyasyon ölçüm deneylerinde, geri
saçılma, frenleme ışınımı, tabii fon ve kullanılan
elektronik cihazların gürültülerinin vb. neden
olduğu
yapay
pulslar
spektrometrelerin
çözünürlüğünün bozulmasına neden olur. Zaman
ölçüm tekniği kullanılarak bu bozulmalar en aza
indirgenir ve spektrometrenin ayırma gücü
iyileştirilir [4].
10
Elektronik
cihazların
gürültülerinin
spektrum
üzerindeki
etkilerini azaltmak
Geri saçılma,
frenleme
ışınımının
spektrum
üzerindeki
etkilerini azaltmak
Tabii fonun
spektrum
üzerindeki
etkilerini azaltmak
Zaman
ölçüm
tekniği
11
BAŞLICA
ZAMAN ÖLÇÜM
TEKNİKLERİ
YÜKSELEN
KENAR ZAMAN
ÖLÇÜM TEKNİĞİ
SABİT KESİR
AYIRICI ZAMAN
ÖLÇÜM TEKNİĞİ
12
Yükselen kenar
zaman
ölçüm
tekniğinde,
şekilde
gösterildiği
gibi,
ayırıcı
yardımıyla
pulsun gelme zamanı
belirlenir. İlk olarak,
ayırıcı eşiği ayarlanır
ve pulsun meydana
gelme zamanı, puls
genliğinin
ayırıcı
eşiğini kestiği noktada
belirlenir [4].
Şekil 2. Yükselen
Kenar Zaman Ölçüm
Tekniği [4].
13
Bu zaman ölçüm tekniğinde ayırıcı seviyesi
mümkün olduğu kadar düşük seviyeye ayarlanarak
genlik ve puls şeklindeki dalgalanmalar en az
yapılmalıdır [5].
14
Uygun eşik
seviyesi
ayarlanmazsa ne
ile karşılaşılır?
ADIM ETKİSİ
Şekil 3. Ayırıcıdaki
adım [1].
15
Elektronik gürültü
ve
orijinal
dedektör
sinyalindeki istatistiksel
dalgalanmalar zamanlama
sinyalinde
de
dalgalanmalara
neden
olur. Bu durum genellikle
zaman jitteri olarak ifade
edilir [1].
Sürüklenme
(drift),
zamanlama
devresinin
sıcaklık
değişimlerinden
ve
kullanılan
modüllerin
yaşlanmasından
dolayı
uzun vadede ortaya çıkan
zamanlama hatasıdır [6].
Şekil 4. Jitter [1].
16
Şekil 5. Zaman jitteri ve
gürültü voltajı [6].
17
tekniğin amacı, iyi bir zaman çözünürlüğü için
en uygun tetikleme seviyesini belirlemektir.
Bu
zaman ölçüm tekniğinde; adım etkisinden
bağımsız bir mantık sinyali, pik yüksekliğinin sabit
bir kesrinde elde edilir [1].
Bu
18
İlk önce, orijinal puls
(ilk puls) (a) zamanlamaya
dayalı
olarak
puls
yüksekliğinin belirli bir
kesrine eşit f faktörü kadar
azaltılır.
Daha
sonra
orijinal puls ters çevrilir
ve yükselme zamanından
daha uzun bir zaman
geciktirilir. Son olarak, b
ve c’deki sinyaller toplanır
(d). Burada, sıfırı kesme
zamanı pulsun genliğinden
bağımsızdır
ve
puls
yüksekliğinin
önceden
seçilmiş kesri tarafından
tanımlanır [4].
Şekil 6. Sabit kesirde
zaman ölçüm tekniği [4].
19
Sabit Kesir: Sabit kesir ayırıcı zamanlama
tekniğinde sabit kesir (f), sabit kesir ayırıcının eşik
voltajının, sinyal genliğine oranı olarak tanımlanır
[5,7].
Etkin Sabit Kesir: Lineer giriş sinyalleri için
etkin sabit kesir değeri (fetkin) aşağıdaki gibi
tanımlanmaktadır.
f etkin
ft d

t r (1  f )
(1)
20
fetkin daima f değerinden küçüktür. Burada td
ayırıcının gecikme zamanı, tr de yükselme zamanıdır.
(1) numaralı eşitlikte verilen td zamanı, tr(1-f) değerine
eşit ya da bu değerden küçük olmalıdır [8, 9].
td  tr (1 f )
(2)
21
Bir zaman ölçüm sisteminde zaman spektrumu
önemli yer tutmaktadır. Zaman spektrumu, bir çok kanallı
analizörde kanal numarasına karşılık gelen parçacık sayısı
olarak ele alınır. MCA’nın kanal numarası zaman cinsinden
kalibre edilir. Böylece, zamanın fonksiyonu olan bir
spektrum elde edilir. Zaman spektrumu zamanı genliğe
çevirici cihaz yardımıyla elde edilir. Zamanı genliğe
çevirici, iki mantık pulsu arasındaki zaman farkını bir çıkış
pulsuna dönüştüren bir birimdir. Oluşan bu çıkış pulsunun
genliği, bu zaman farkı ile orantılıdır [1]. Bu şekilde zaman
spektrumu elde edilir.
22
Maksimumun
yarısındaki
tam
genişlik
(FWHM):
Sinyalin
genliğinin
yarısının tam genişliği
olarak tanımlanır [10].
Zaman çözünürlüğü:
Bir
zamanlama
sisteminin
zaman
çözünürlüğü, genliğin
yarı
maksimumunun
tam genişliği olarak
adlandırılır
[10].
Zamanlama sisteminin
başarısı
zaman
çözünürlüğü
ile
karakterize edilir [5].
Şekil 7. Zaman spektrumu [11].
23
Puls Yüksekliği (Genlik): Taban çizgisine göre
ölçülen maksimum yükseklik puls yüksekliği veya
genlik olarak adlandırılır [1].
Yükselme
Zamanı:
Pulsun
genliğinin
%10’undan %90’ına çıkması için geçen zaman aralığı
olarak tanımlanır [10].
Düşme Zamanı: Pulsun genliğinin %90’ından
%10’una düşmesi için geçen zaman olarak adlandırılır
[1].
24
Şekil 8. Sinyal şekli [1].
25
Şekillenme Zamanı:
Sinyalin
pik
değerinin
%61’ine
karşılık
gelen
zaman olarak tanımlanır
[12].
Pik Zamanı: Pik
zamanı, sinyalin en yüksek
genliğe ulaşması için gerekli
olan zaman olarak tanımlanır
[10]. Pik zamanı yaklaşık
olarak şekillenme zamanının
3-5 katına eşittir [12].
Şekil 9. Şekillenme ve pik zamanı
[12].
26
Dinamik Menzil: Bir
zaman-voltaj
grafiğinde
gürültü seviyesi ile en fazla
çıkış voltajı arasında kalan
bölüm dinamik menzil
olarak adlandırılır [12].
Şekil 10. Dinamik menzil [12].
27
Deneysel
Çalışma
Yükselen Kenar
Zaman Ölçüm
Tekniği
90Sr
133Ba
137Cs
Sabit Kesir
Ayırıcı Zaman
Ölçüm Tekniği
207Bi
90Sr
133Ba
137Cs
207Bi
28
Şekil 11. Yükselen kenar
zaman ölçüm tekniği
devresi.
29
Sayım
FWHM=0,705 ns
1 Kanal=195 ps
Kanal No
Şekil 12. 90Sr zaman spektrumu.
30
Sayım
FWHM=1,074 ns
1 Kanal=195 ps
Kanal No
Şekil 13. 133Ba zaman spektrumu.
31
Sayım
FWHM=1,770 ns
1 Kanal=195 ps
Kanal No
Şekil 14. 137Cs zaman spektrumu.
32
Sayım
FWHM=1,296 ns
1 Kanal=195 ps
Kanal No
Şekil 15. 207Bi zaman spektrumu.
33
(a)
(b)
(c)
Şekil 16. (a) PA (b) DLA (c) TAC çıkış sinyal şekli.
34
Şekil 17. Sabit kesir
ayırıcı zaman ölçüm
tekniği devresi
35
Sayım
FWHM=0,342 ns
1 Kanal=195 ps
Kanal No
Şekil 18. 90Sr zaman spektrumu.
36
Sayım
FWHM=0,976 ns
1 Kanal=195 ps
Şekil 19.
133Ba
Kanal No
zaman spektrumu.
37
Sayım
FWHM=0,342 ns
1 Kanal=195 ps
Şekil 20. 137Cs zaman spektrumu.
Kanal No
38
Sayım
FWHM=0,324 ns
1 Kanal=195 ps
Şekil 21.
Kanal No
207Bi
zaman spektrumu.
39
(a)
(b)
(c)
Şekil 22. (a) TFA (b) CFD (c) TAC çıkış
sinyal şekli.
40
Kaynak
Yükselme
Zamanı
(ns)
Düşme
Zamanı
(ns)
90Sr
120,80
237,70
109
0,917
0,182
133Ba
100,00
252,60
102
0,980
0,980
137Cs
71,00
250,60
288
0,347
0,014
207Bi
69,04
255,00
388
0,257
0,010
Yükseltici
Sabit
Çıkışı
Kesir (f)
(mV)
Etkin
Sabit
Kesir
(fetkin)
Çizelge 2. Sabit kesir ayırıcı zamanlama
tekniğinde elde edilen sonuçlar [td= 2 ns,
13].
41
Kaynak
tr(1-f)
90Sr
10,026
133Ba
2,000
137Cs
46,000
207Bi
51,296
Çizelge 3. tr(1-f) hesaplama sonuçları.
42
Kaynak
Şekillenme Zamanı
(ns)
Pik Zamanı (ns)
90Sr
80
440
133Ba
80
400
137Cs
80
400
207Bi
80
400
Çizelge 4. Şekillenme ve pik zamanları.
43
Zaman Jitteri
Gürültü Voltajı
(ps)
(mV)
(σT)
(σV)
90Sr
120
≈12
133Ba
120
≈14
137Cs
120
≈14
207Bi
120
≈16
Kaynak
Çizelge 5. Zaman jitteri ve
gürültü voltajı.
Sabit kesir ayırıcı zamanlama tekniğinde adım etkisinin
150 ps’den küçük olduğu belirtilmiştir [13].
44
Radyoaktif Kaynak
Yükselen Kenar
Sabit Kesir Ayırıcı
Zamanlama Tekniği Zamanlama Tekniği
ile Bulunan Zaman ile Bulunan Zaman
Çözünürlük
Çözünürlük
Değerleri (ns)
Değerleri (ns)
90Sr
0,705
0,342
133Ba
1,074
0,976
137Cs
1,770
0,342
207Bi
1,296
0,324
Çizelge 6. Çalışmada kullanılan
tekniklerden elde edilen zaman
çözünürlük değerlerinin karşılaştırması.
45
 Çalışmada
kullanılan tüm kaynaklar için pik zamanı
şekillenme zamanının yaklaşık olarak beş katı
bulunmuştur.
 DLA’nın
çıkış sinyal şekli kullanılarak, pik zamanı
hesaplanmıştır ve 440 ns olarak bulunmuştur.
Bulunan bu değerin, DLA’nın pik zamanı (400 ns) ile
uyumlu olduğu görülmektedir.
46
belirtildiği gibi [8] etkin sabit kesrin sabit
kesir değerinden daha küçük olduğu (133Ba hariç)
yapılan hesaplamalarla ispatlanmıştır (Çizelge 2).
133Ba için bu kural geçerli değildir. Bu farkın
yükselme zamanı belirlenmesindeki hatadan ileri
geldiği düşünülmüştür.
 Literatürde
47
da görüldüğü gibi, sabit kesir ayırıcı
zamanlama tekniği kullanılarak elde edilen zaman
spektrumlarının
çözünürlüğü, yükselen
kenar
zamanlama tekniği kullanılarak elde edilen zaman
spektrumlarının çözünürlük değerlerinden daha küçük
bulunmuştur. Bu durum çeşitli kaynaklarda da
vurgulanmıştır [1,5,8].
Tablodan
kenar zamanlama tekniğinde, genlik
değişimleri sebebiyle adım etkisinin daha belirgin
olmasından dolayı, sabit kesir ayırıcı zamanlama
tekniğinden daha kötü çözünürlük sonuçları elde
edilmiştir [5].
Yükselen
48
çalışmada, iki zamanlama yöntemi plastik
sintilasyon dedektörüne uygulanmıştır. Laboratuvarda
bu cihazın, başka çalışmalarda yararlanmak amacıyla
zaman karakteristikleri çıkartılmıştır. Bulunan
sonuçların literatürdeki değerleriyle uyumlu olması
alınan ölçümlerin güvenirliğini ortaya koymaktadır.
 Bu
49
[1] Leo, R.W., 1987, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer–Verlag
Berlin Heidelberg, Germany.
[2]
Periodic
Tables
of
Elements
and
Nuclides,
2012,
http://www.matpack.de/Info/Nuclear/Nuclids/nuclids9.html (Erişim Tarihi: 27 Nisan 2012).
[3]
Premium
Plastic
Scintillators,
2012,
http://www.detectors.saintgobain.com/uploadedFiles/SGdetectors/Documents/Product_Data_Sheets/BC400-404-408-412-416-DataSheet.pdf (Erişim Tarihi: 27 Nisan 2012).
[4] Tsoulfanidis, N., 1995, Measurements and Detection Radiation, Taylor&Francais, USA.
[5] Moszynski, M. and Bengston, B., 1979, Status of Timing with Plastic Scintillation Detectors,
Nuclear Instruments and Methods 158, 1-31.
[6] ORTEC AN42 Application Note, Principles and Applications of Tming Spectroscopy.
[7] Gedcke, D.A. and Williams, C.W., 1968, High Resolution Time Spectroscopy 1.
Scintillation Detectors, Information About ORTEC Products and Services of Timely Interest.
[8] Paulus, T.J., 1985, Timing Electronics and Fast Timing Methods with Scintillation Detectors,
IEEE Transactions on Nuclear Science 32, 1249-1249.
[9] Jackson, R.G. and Blalock, T.V., 1997, Integrated Constant Fraction Discrimination Shaping
Techniques for The PHENIX Lead-Scintillator Calorimeter, IEEE Transactions on Nuclear Science 44, 303307.
[10] Knoll, G.F., 2000, Radiation Detection and Measurements, John& Sons. Inc., New York.
[11] Martoiu S. and Rivetti A., 2011, Electronics for Radiation Detection, CRC Press, U.S.
[12] Bönisch, S.P., 2011, Electronics for Radiation Detection, CRC Press, U.S.
[13] ORTEC 463 Constant Fraction Discrimination Catalogue.
50
51