Transcript Birkan SELÇUK

DEDEKTÖRLERİN
KARAKTERİSTİK ÖZELLİKLERİ
VE RADYASYON ÖLÇÜM
BİRİMLERİ
Doç. Dr. A. Birkan SELÇUK
TAEK-SANAEM
DEDEKTÖRLERİN GENEL
KARAKTERİSTİKLERİ
Dedektör Tipleri
Sintilatörlü
Gazlı
Yarıiletken
Sintilasyon sayaçları
Orantılı sayaçlar
GM tüpleri
Cherenkov sayaçları
Sürüklenme odaları
Kabarcık odaları
GEM dedektörleri
Yarıiletken dedektörler
....
Dedektörler uygulama alanına ve radyasyon tipine göre
belirlenir.
Radyasyon Dedektör Etkileşmesi
GM dedektörünün çığlanması
İyonların hareketleri
Çok telli dedektör
GEM dedektörü
Yarıiletken dedektör
Pozisyon algılamalı (strip) dedektörler
Strip No
Değişik Tipte GM Tüpleri
Pozisyon Algılamalı Si Tabanlı Strip Dedektör
Radyasyon, enerjisinin bir kısmını veya tamamını
dedektör malzemesinin üzerine bırakarak etkileşir.
Yüklü
Parçacıklar
Atomlarla doğrudan etkleşimle
enerjilerini kaybederler.
Yüksüz
Parçacıklar
Dedektörde yüklü parçacıklar
oluşturular. Bunlar atomları
uyarır ve iyonize ederler.
Yüklü
Parçacıklar
Yüksüz
Parçacıklar
Hızlı elektronlar ve
pozitronlar
(e-/e+ veya β parçacıkları)
Elektromanyetik adyasyon
(photons/ X rays, γ rays)
Ağır yüklü parçacıklar
(A≥1, protonlar, α
parçacıkları, fisyon
parçacıkları)
Nötronlar
(yavaş/hızlı)
Nötrinolar
Dedektör Sistemlerinin
Genel Yapısı
YÜKLÜ PARÇACIKLARIN ALGILANMASI
Yüklü parçacıklar ortamdaki elektronlar ile Coulomb
etkileşimi yaparlar. Sonuçta, iyonizasyon ve elektronik
uyarma meydana gelir.
İyonizasyon: Elektrik
alanında sürüklenebilen
serbest yüklerin oluşumu
İyonizasyon tabanlı dedektörler
Serbest yüklerin algılanması
(Gazlı dedektörler, yarıiletken dedektörler)
Geri uyarılma ve
iyonize atomlar: Foton
yayılımı
Sintilatörlü dedektörler
Foton ışımalarının algılanması
YÜKSÜZ RADYASYONLARIN ALGILANMASI
İki aşamalı süreç:


Etkileşme sonucu bazı enerjik yüklü parçacıkların kalması
Bu yüklü parçacıkların algılanması
Nötron: Elastik saçılma ile veya çekirdek etkileşmesi ile dedektör ortamında
çekirdeklerle etkileşmesiyle yüklü parçacıkların serbest kalması
Elektromanyetik radyasyonlar: Fotoelektrik olayı, Compton saçılması veya
çift oluşumu yoluyla enerjik elektronların serbest kalması
BASITLEŞTIRILMIŞ DEDEKTÖR MODELI
radyasyon
dedektör
Basitleştirilmiş algılama tekniğinde,
I.
Dedektörde yüklü parçacıklarının oluşumu
II. Elektrik alanında yüklerin toplanarak
sinyalin oluşması.
tc
 i(t ).dt  Q
0
III. Yük toplanma zamanına eşit akımın
akması
Etkileşmenin tipine göre zaman ve akım genliği değişiklik gösterir.
DEDEKTÖRLERIN ÇALIŞMA KIPLERI
Akım kipi
(Sayaç ve Dozimetrelerde)
Atım kipi
(Radyasyon Spektroskopisinde)
AKIM KIPINDE ÇALIŞMA
Ölçüm cihazının sabit tepki zamanı T ise,
1
I (t ) 
T
t

i (t ) dt 
t T
Burada T nin dedektörden gelen her
bir akım atımlarından çok büyüktür.
Ortalama akım
I0  rQ
E
Q q
W
r: ortalama etkileşim hızı
Q: herbir etkileşim için oluşan yük
E: her etkileşme sonucu oluşan ortalama enerji
W: bir yük çiftinin oluşması için gerekli ortalama enerji
ATIM KIPINDE ÇALIŞMA
Tek bir etkileşme için sinyal atımının yapısı dedektöre bağlı ön
yükselteç devresine bağlıdır.
Devrenin zaman sabiti,
  R.C
R
C
ölçüm devresinin giriş direnci,
dedektör + dedektör ile önyükselteç kablosu + ön
yükselteç devresinin eşlenik kapasitansı
AKIM KIPINDE ÇALIŞMA
Küçük zaman sabitli devre (RC<<tc )
Sinyal atımları dedektörden gelen atımlara benzerlik
gösterir.
Alınan sinyallerin enerjiden ziyade zamanı önemli
olduğu radyasyon ölçümlerinde tercih edilirler.
AKIM KIPINDE ÇALIŞMA
Büyük zaman sabitli devre (RC>>tc )
Sinyal atımının genliği dedektörde oluşan yük ile
oranlıdır.
Vmax 
Q
C
Atım genliğinin dağılımı gelen radyasyonun enerjisini
ifade eder. Ölçüm hızı hakkında bilgi verir.
i(t)
Akım Q   i (t ).dt
tc
V (t )
V (t )
V max
RC  t c
V (t )  R i(t )
RC  t c
Q
V max 
C
Hassasiyet
Belirli bir tipiteki ve enerjideki radyasyon için
kullanılabilir sinyal üretme yeteneğidir.
Radyasyon dedektörleri belirli radyasyon tipleri ve enerji
aralığına göre tasarlanırlar. Tasarlandıkları sınırların
dışında verimlilikleri önemli ölçüde azalır ve
kullanılabilir sinyaller üretemezler.
Hassasiyeti
Etkileyen
Faktörler
•Dedektör malzemesiyle
yaptığı etkileşme kesiti
•Dedektörün kütlesi.
•Dedektörün gürültüsü.
•Dedektör çevresindeki
koruma malzemesi
Katı Kesit ve Dedektör Kütlesi
Gelen radyasyonun enerjisinin bir kısmının veya
tamamının sinyale dönüştürme ihtimaline bağlıdır.
Yüklü parçacılar
Nötr parçacıklar
İhtiyaç duyulan
dedektör kütlesi
çok iyonize
daha az iyonize
•Radyasyon tipi
•Enerji aralığı
dedektör içinde
bir kaç
iyonizasyon
çok daha küçük
etkileşme katı
kesiti
Daha fazla kütle
yoğunluğuna ve hacime
gereksinim var
Dedektör Tepkisi
Radyasyon enerjisi ile toplam yük veya atım yüksekliği
arasındaki ilişkidir.
Atımların zamana göre integrali radyasyon-dedektör
etkileşmesiyle meydana gelen iyonlaşma miktarına karşılık
gelir. Sinyal şekli iyonizasyon miktarına bağlı değilse, sinyalin
genliği dedektörde soğurulan enerjiyle oranlıdır. Bu ilişkiye
eğer dedektör lineer olarak karşılık veriyorsa, deketörün lineer
olduğu söylenir.
!
Tepki, radyasyonun tipine ve enerjisine bağlıdır.
Ör: Gama Radyasyonu için
• Fotoelektrik etki
atım yüksekliği spektrumunda keskin pik
•Compton saçılması
Compton elektronlarının sürekli enerji
dağılımından dolayı spektrum pikinde
genişleme
•Çift oluşumu
sürekli enerji dağılımı (spektrumda
genişleme)
nedeni
saçılma ve
Bremsstrahlung
•Dedektörün geometrisinin ve tasarımının
değiştirilmesi
•Küçük Z atom numaralı malzeme
kullanılması
Gürültü
S/N=
1
S/N=2
0
Enerji Çözünürlüğü
Birbirine çok yakın enerjileri ayırt edebilme
yeteneğidir
Çözünürlük, tek enerjili radyasyona
verdiği tepki ile ölçülür.
İdeal durumda keskin delta-fonkisyon
pikidir.
Gerçekte, iyonizasyondaki dalgalanmalar
yüzünden Gaussian şeklindedir.
Radyasyonun
enerjisini
belirlemede en
önemli etken.
Dalgalanmaların
Nedenleri
•Dedektör karakteristiklerinin kayması
•Dedektördeki rasgele gürültülerin olması
•İstatiksel gürültü aynı enerji soğurulmasına rağmen bir miktar farklı
yük taşıyıcıları oluşturduğundan kaynaklanır.
Dedektördeki dalgalanmalardan kaçınmak imkansızdır.
Gaussian
fonksiyonu
  E  E 2 
A
0 
G( E ) 
exp 
 2 2 
 2


FWHM – standard sapma
ilişkisi
FWHM  2.3548
Çözünürlük
FWHM
R
E0
Lineer bir dedektörde taşıyıcı sayısı ile enerji arasında
orantı mevcuttur. O halde, ortalama enerji
E0  KN
Orantı sabiti ve standart sapama arasındaki ilişki
 K N
Poission çözünürlük sınırı
2.3548
RP 
N
Fano faktör
Gözlenmiş N değerlerinin varyansı
F
Poisson varyansı (  N )
İstatiksel çözünürlük sınırı
F
Ri  2.3548
N
İzafi çözünürlük
E
E0
Verimlilik
Kısaca, tek bir radyasyonun algılanma ihmalidir
Verimlilik genellikle radyasyonun etkileşmesine ve dedektörün
boyutlarının her ikisine de bağlıdır
Yüklü
parçacıkların
verimliliği
>
Yüksüz
parçacıkların
verimliliği
Mutlak verimlilik
Dahili verimlilik
Dahili verimlilik
 abs 
 int 
Algılananatımlarınsayısı
Kaynak tarafındansalınan radyasyon miktarı
Algılanan atımlarınsayısı
Kaynaktan dedektör üzerine gelen radyasyon sayısı
•Radyasyon enerjisine,
•Dedektör kalınlığına bağlıdır.
 abs   int

4
S
2 2
2
r
  sin  d .d
1 1
 
 
2 2
2 2
S
  4
   sin  d .d    d
2
4r
1 1
1 1
d  0    2
S a 2
d  a    2  2
r
r
Tepki Zamanı
Radyasyonun dedektöre varması ile çıkış sinyalinin
oluşması arasındaki geçen zaman aralığına dedektörün
tepki zamanı denir.
Kısa tepki zamanı
Zamana göre
etiketleme
ölçümleri
Sinyal zamanı hakkındaki bilgiler
hassaslaşır
Ölü ve Toparlanma Zamanları
Çözümleme
zaman aralığı
Ölü zaman
aralığı
Toparlanma
zaman aralığı
Ölü Zaman
Dedektörün bir sinyal atımı aldıktan sonra ikinci radyasyon geçişine
duyarsız olduğu zaman aralığıdır
Toparlanma Zamanı
Ölü zamanın ardından dedektörün hassasiyetinin arttığı ve
hassasiyetin maksimum değere ulaştığı zaman aralığıdır

Paralize olmayan model
Paralize olan model
Paralize olmayan modelde her bir etkileşimin
ardından sabit bir ölü zaman izler.
Paralize olan modelde her bir etkileşmenin
ardından sabit bir ölü zaman izler. Fakat, bu ölü
zaman süresince dedektörde etkileşmeler devam
eder. Ancak kaydedilmezler. Bununla birlikte ölü
zaman süresi uzar.
Sistem üzerine etkisiz
Sistem üzerine etkili
n : gerçek etkileşme hızı
m: kaydedien sayım hızı
Paralize olmayan durum için
n  m  nm
Paralize olan durum için
m
n
1  m
m  ne
 n
RADYASYON BİRİMLERİ
N  N 0 e t / 
τ : radyoizotopun ömrü
N0 : başlangıçtaki çekirdek sayısı
Yarıömür
başlangıçtaki çekirdek sayısının yarıya düştüğü zamandır
(T1/2 )
N0
N (t  T1 / 2 ) 
 N 0 e T1 / 2 / 
2
T1/ 2   . ln 2
Bozunma sabiti

1


ln 2
T1 / 2
Bir kaynağın aktivitesi birim zamandaki bozunumların sayısıdır.
A
dN 1
 N  N
dt 
Aktivitenin birimi Becquerel (Bq) ve Curie (Ci) dir.
1 Bq = 1 saniyedeki 1 bozunma
1Ci  3.7.1010 Bq
1 Bq = 27 pCi
Soğurulan Doz
D
1 dW
 dV
Soğurulan doz için rad veya Gray (Gy) birimleri kullanılır.
1 rad = 100 erg/g
1 Gy = 1 J/kg
1 Gy = 100 rad
Fiziksel
soğurma
Bağıl Biyolojik Etkinlik
(RBE)
α, β, γ ve nötron saçılımı aynı enerji soğurmasında farklı biyolojik
etki gösterirler. Bu yüzden bağıl biyolojik etkinlik (RBE)
tanımlanmıştır. Referans olarak γ ve X-ışını kullanılmıştır.
D  RBE.D
RBE faktörü radyasyon alanına, radyasyon enerjisine ve doz hızına karmaşık
bir şekilde bağlıdır. Bu yüzden, kolaylık olması için radyasyon ağırlık faktörü
(wr) kullanılır.
Eşdeğer Doz
Soğurulan dozun ağırlık faktörüyle çarpımı eşdeğer doz H yi verir. Eşdeğer doz birimi
rem veya Sievert (Sv) dir.
H  wr . D
1 Sv = 100 rem
Etkin Doz
Tüm vücudun hesaplanması, yani etkin dozun bulunması için her bir organın aldığı doz
hesaplanarak toplanır.
H eff   wT H T
T
Dozlama Birimi
X veya gama (foton) dozlamaları için kullanılan birim
Röntgendir (R) ve havada ürettikleri belirli bir iyonizasyon
miktarı üzerine kuruludur.
1 R, 1 kg havada iyonizasyon yaparak 2.58x10-4 C luk pozitif ve
negatif yük oluşturan dozdur.
Si detektörlerin PCB lere kontaklanması
Thin Silikon:
160x96 kanal, 300m, 7x4cm, 3 adet
Thick silikon:
64x64 kanal, 1.5mm, 4x4cm, 5 adet