Transcript Dedektörler
Dedektörler 1. 2. 3. 4. Gazlı dedektörler (sayaçlar), Sintilasyon dedektörleri, Yarı iletken dedektörüleri, Diğer dedektörler. dedektörler 1 • Dedektöre gelen taneciğin sebep olduğu iyonlaşma sonucu oluşan, iyon veya elektronların sayımı için E alanı gereklidir. İyonlar Şekil-1 Gaz dedektörü: İyonlaşma odası Plakalar arasında gaz veya hava doludur. Burada sinyalin genliği, oluşan iyonların sayısı ile orantılıdır. E alanından bağımsızdır. dedektörler 2 Ortamda oluşan iyon ve elektronlar yüklerine bağlı olarak kutuplara giderler. E alanı, oluşan iyon ve elektronların tekrar bir araya gelmelerini önler. İyon yaratmak için gerekli enerji 34 eV. (1 MeV lik radasyon 3x104 iyon veya elektron üretir. Bu üretilen enerji 0,5 mV civarındadır. Oluşan sinyalin ölçülmesi için yükseltilmesi lazım. Bunun içinde yükseltici lazım. Sinyalin genliği İyonların sayısı Tanecik enerjisi Uygulanan V (voltaj), e- ‘nin ve X+ ‘nin hızlarını belirler. V100 V olur X+(v) = 1 m/s dir. e-(v) = 1000X+(v) Bu hıza uzun bir zamanda ulaşıyor. Örnek:Aktifliği 1 Ci olan bir radyoaktif kaynak ortalama 30 s de bir bozunma gerçekleştirir. O zaman bu dedektör, bu kaynaktan çıkan iyon ve elektronları ölçmek için uygun değildir. dedektörler 3 Bu tip sayıcıların genellikle geometrisi silindiriktir. r yarıçaplı bir E(r) alanı mevcut. E(r) = (V/r.ln(b/a)) r: Silindirin yarıçapı b:Katodun iç yarıçapı a:Anot telinin dış yarıçapı Oluşan elektronların sürüklenme süreleri s boyutundadır. 10-6 s mertebesinde ki sayma hızında olan puls modunda çalıştırabiliriz. dedektörler 4 dedektörler 5 E= 500 V/cm ve giriş hızı VD e- için 2s, X+ için 2 ms dir. dedektörler 6 Puls Yüksekliği-Uygulanan Voltaj Grafiği. ve e- tarafından oluşturulan iyon çiftleri görülüyor. dedektörler 7 Kullanılan bazı gazlar ve özelikleri: I0:İyonizasiyon potansiyeli, Wi: e- ve X+ çifti oluşurken gerekli olan enerji, dE/dx enerji kaybı, np, nt: ikincil ve toplam X+ ve e- sayısı dedektörler 8 Şekil-2 Gazlı sayaçların çalışma bölgeleri. dedektörler 9 1. Bölgede düşük voltajlarda birincil e- ve X+ tekrar birleşebilirler. 2. 3. 4. Orantılı bölgede puls genliği V ile orantılıdır. Çıkış pulsları radyasyonla orantılıdır. Geiger-Müller bölgesinde tüm radyasyonlar aynı çıkış pulslarını verirler. • Küçük enerjilerde bu tip detektörler kullanılır. Yüksek enerjilerde Yarı iletken ve diğer dedektörler kullanılır. dedektörler 10 Geiger Müller: Burada yükseltme çarpanın değeri 1010 dur. Gelen pulslar özdeş çıkış pulsları üretirler. Dolayısıyla orijinal radyasyon hakında bilgi yok. Bunlar portatif sayaçalardırlar. Bunların çıkış sinyaleri pek çok demet (çığ) içerir ve sinyal 1 V civarında. Elektronların birikme süresi 10-6 s dir. Pozitif iyonların katota sürüklenmeleri 10-4 ile 10-3 s içinde. dedektörler 11 Sintilasyon dedektörleri: Gazlı sayaçlar nükleer fizik için pek uygun değildir. Bunun yerine katıhal dedektörleri kullanılır. 1 MeV lik gamaların havadaki menzili 100 cm civarındadır. Bu nedenle de yoğunluğu yüksek olan katıhal dedektörler daha uygundur. 1950 li yıllarda sintilasyon dedektörleri yapıldı. 1960 dan sonra ise yarı iletken dedektörler kulanıldı. Burada gelen radyasyon: 1. Dedektöre girer ve atomları uyarır. 2. Uyarılan atom foton yayınlar (fluoresans) 3. Işık foto duyarlı yüzeye çarparak foton başına bir fotoelektron oluşturur. 4. Bu elektronlar fotoçoğaltıcı tüpte çoğaltılır, hızlandırılır ve çıkış pulslarına dönüştürülür. dedektörler 12 • Sintilasyon ve Yarı iletken dedektörler Sintilasyonlarda iki aşamalı bir reaksiyon var. Uyarılma: e + A e + A* Yayınlanma: A* A + (E =1-10 eV, t=1ns -1s) Anorganik Sintilasyon : NaI (TI), LiI(Eu) ve BGO Yayınlanan ışın Fotoçoğaltıcı tüp sayesinde varlığı görünür. dedektörler 13 DEDEKTÖR ŞARTLARI 1. 2. Elektronların (e-) ve X+ yeteri kadar biriktirilmesi ve elektronik pulsların oluşabilmesi için elementin yüksek E alanına dayanıklı olması lazım. Reaksiyon sonunda yeteri (e-) ve X+ ortaya çıkmalı. Birinci şart yalıtkanlığı, ikinci şart iletkenliği gerektiriyor. O zaman çözüm yarı iletken dedektör. Çalışma metodu: İyonlaşma sonunda oluşan e- ile elektronik puls sonucu oluşan e- aynı değil. Aralarındaki aracı ışındır. dedektörler 14 Yukarıdaki işlemin çalışma prensibi: Radyasyon dedektörde atomu uyarır Uyarılan atom ışık yayınlar (fluoresans) Işık foto duyarlı yüzeye çarpar fotoelektron salınır Bu e-, fotoçoğaltıcı (PM) tüpte çoğalır. Hızlandırılır ve çıkış pulsuna dönüştürülür. Organik ve inorganik çeşitleri var. NaI sayacı nemli ortamda doğru sayım vermez. dedektörler 15 • İnorganik NaI kristali: • Şekil NaI yalıtkandır. Değerlilik bandı dolu olur. İletim bandı boş olur. Bandlar arısı enerji aralığı 4 eV civarındadır. Gelen bu ışın bir e- nu uyararak iletim bandına çıkartır. • e- uyarılma enerjisini foton yayımlayarak değerlilik bandına geri döner. Şeklin sağ tarafı NaI(TI) göstermektedir. • Foton yayınlama olasılığını artırmak için aktivatör kullanılır. Örneğin Talyum . dedektörler 16 Organik sintilatörde elektronik yapı:Çekim ve itme kuvvetlerin ortak etkisiyle bir minimum potansiyel var. Uyarılma enerjisi atomlar arasındaki uzaklığın fonksiyonudur. Sintilator kendi radyasyonu içinde geçirgen olmalıdır. İnorganik (yalıtkan): Valence (değerlik bandı) bandı dolu ve iletim bandı boş. Kristaldeki enerji bantları: Sol taraf NaI, sağ taraf NaI(TI) aktivatör: TI:Thallium dedektörler 17 Gazlı sayaçlar nükleer fizik için pek de uygun değildir. Bunun yerine katı hal dedektörleri kullanılır. dedektörler 18 Bir fotoçoğaltıcı tüpün çalışma şeması. Katotdan salınan elektronlar birinci odaya çekilir ve çoğaltılır. Bu bir sonraki dinot la devam eder. Elektronların sayısı böylece artırılır. Dinotlar arasındaki V farkı 100 V dır. Burada lineer ve kararlılık önemli. Gelen radyasyon sayısı ile çıkış puls genliği orantılı dolayısı ile gelen taneciğin enerjisi ile doğru orantılıdır. dedektörler 19 Sintilatör ve fotoçoğaltıcılar (PM) tüpleri kulanılır. Önemli özelikler: 1. Işık çıkışı (gelen enerji ışık olarak görünecek) 2. Verim (radyasyonun soğrulma olsalığı) 3. Zamanlama ve enerji çözme gücü Örneğin: NaI krisral detektörü su buharından korunmalıdır. Bu tiplerde organik ve inorganik olarak ayrıt edilirler. (Organik sıvı ve katı olabilir) Moleküler enerji soğurması: Elektronlar daha yüksek uyarılmış duruma geçebilirler ve molekülerdeki atomlar titreşebilirler. Uyarılma enerjisi eV mertebesinde ve titreşim 0,1 eV dur. Inorganik NaI dedektörler 20 Gelen radyasyon Na kristaline girince bir elektronu, enerji aralığı 4 eV ‘u atlatarak iletim bandına uyarır. Bu elektron enerjisini foton yayınlıyarak kaybeder ve değerlik bandına geri döner. Kristaldeki foton yayınlama olasılığını artırmak ve ışığın kendisinin soğrulmasını azaltmak için kristale, aktivatör denen küçük miktarlarda safsızlık ilave edilir. Örnek: NaI(TI) NaI : 303 nm dalga boyunda ışık yayınlarken NaI(TI) 410 nm lik dalga boylu ışık yayınlar. Bu enerjide NaI(TI)’da soğrulma olmaz. dedektörler 21 Yarı iletken detektörler: Gama ölçümleri için uygundurlar. Gelen foton absorbe olur.Absorbe sonucunda elektron ve pozitif boşluk birlikte ortaya çıkarlar. E alanı sayesinde de birbirlerinden ayrılırlar. Foto diot sayesinde de sayılırlar. Örneğin Si ve Ge kristalleri. Bunlarda ki iletim bandı boştur. Bandlar arası enerji farkı1 eV’dan daha az. Oda sıcaklığında bile uyarılabilirler. Ayrılan e- yerine başka bir komşu e- düşer. Bu durum böylece devam eder. Sanki pozitif boşluk (hol) hareket ediyor!!! dedektörler 22 Gelen radyasyon e- ve pozitif boşluk oluşturur. Rekombinasyon olmadan E alanı yardımı ile çekilen kutuba gider. Burada yük taşıyıcıları olan e- ’lerin sayısı, gelen ışının enerjisi ile orantılıdır. Eğer madde de yük taşıyıcısı e- fazla ise n-tipi, eğer pozitif boşluklar çoğunluktaysa p-tipi yarı iletken denir. n-tipi ve p-tipi birbirleriyle temas etirilirlerse e- ‘lar n den çıkıp p tipine giderler ve pozitif boşluklarla birleşirler. dedektörler 23 Eğer radyasyon dedektöre gelirse elektronpozitif boşluk çifti oluştururlar. Elektron ve pozitif boşluk farklı yönlere giderler. Biriken elektronlar bir elektronik puls oluştururlar ve bu pulsun genliği radyasyonun enerjisiyle orantılıdır.Bu dedektörler 10003000 V ‘luk enerjiyle çalıştırılırlar. Yük birikimi daha iyi. Hatta bu kristallere Li, p- tipi yüzeyine Li atomlarını yaymakta ki amaç: vericiliğin artırılmasıdır. Li 77 K ne (sıvı azot) kadar soğutulmalı . dedektörler 24 Burada da E alanı gerekli. Örnek: E=103 V/cm alanında (d = 300m) e- hareket kabiliyeti = 103 cm2/ Vs Yüklerin toplanma zamanı ts = d/E 3.108 s dir. Ge(Li); geli,Si(Li); sili olarak adlandırılırlar. 100 keV lik bir için Ge: 4 cm; Si: 2 cm 5 Mev lik bir için 0,02 mm dir. dedektörler 25 Üste: Foto, Compton ve çift oluşumu. Alta: Fotopik ve kaçma pikleri. E = 1,022 MeV dan büyük ise. dedektörler 26 pn diodu orta bölgesi (d) elektronlarca fakir bir bölgedir. Prensip: (p-n diyodu) Burada iyonizasyon sonucu oluşan elektron ve boşluklar ait oldukları kutuplara giderler. Bu dedektörlerde yük taşıyıcıları (elektron ve boşluklar) çok miktarda ortaya çıkarlar. dedektörler 27 NaI(TI) da ölçülmüş bir spektrumu dedektörler 28 NaI ve Ge(Li) spektrum karşılaştırması. p tipi dedektör Ge elementine Li atomları monte ederek çözünürlüğü çok yükselttik. . dedektörler 29 Dedektörler Yardımıyla Fizikte Ölçülen Fiziksel Büyüklükler: Enerji, momentum, Spin, yer, yaşam süresi, kütle, iyonizasiyon. Tanecik Ölçümleri İçin Dedektörlerde Aranan Özelikler: Pozisiyon (yer) ölçen detektörler: Pozisiyon ve istikamet Magnet alanda sapma Impuls ölçümü (p) Kalorimetre Toplam enerji (E) Kütle ölçümü m DE/dx, uçuş zamanı Geçiş gamaları Dedektör Özelikleri: Çözünürlük Yarılanma ömrü Yük toplama zamanı Dayanıklılık Ve son olarak fiyatı dedektörler 30 Modern gama dedektörü. dedektörler 31 ARGUS Dedektörleri: HMI (Hahn-Meitner-Institüt) Berlin Toplam129 dedektör. Si ve BGO kristalleri. 4 ve 75 dereceler. Reaksiyon 32S+58Ni Enerji 30 MeV/N (960 MeV) Amaç:Reaksiyonu açıklamak. dedektörler 32 Teleskop Si+Si dedektörü 2m+2mm E,E prensibi. dedektörler 33 Teleskop Si+Si dedektörü 2m+2mm TOF prensibi. dedektörler 34 Phoswich dedektörü: E, E prensibi. dedektörler 35 dedektörler 36 dedektörler 37 Bir örnek dedektör. dedektörler 38 dedektörler 39 dedektörler 40 dedektörler 41