sintilasyon dedektörleri

Doç. Dr. Sema Bilge OCAK

Hazırlayan:Harun ÇETİN

10280161

SİNTİLASYON DEDEKTÖRLERİ

RADYASYON ALGILAMA SİSTEMLERİ

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Neler Göreceğiz?Sintilasyon Nedir?Neden Sintilasyon Dedektörleri?Sintilasyon Sayaçlarının Gaz-dolu Sayaçlara

ÜstünlükleriSintilasyon Nasıl Çalışır?İdeal Sintilatörİnorganik Sintilasyon DetektörleriOrganik Sintilasyon DetektörleriIşığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı TüplerKaynaklarTeşekkür

2

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Sintilasyon Nedir?Sintilasyon kelime anlamı olarak ışıldama

anlamına gelmektedir.Sintilasyon detektörleri ise radyasyona

maruz kalan belli malzemelerden yayınlanan foto lüminesans ve fosforesans vasıtası ile parçacık deteksiyonu yapan cihazlardır.

3

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Neden Sintilasyon?Gazlı detektörler nükleer fizik için uygun

değildir. Bunun yerine sintilasyon detektörleri kullanılır.

1 MeV’lik gamaların havadaki menzili 100 cm civarındadır. Bu nedenle yoğunluğu yüksek olan sintilasyon detektörleri kullanılır.

4

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Sintilasyon Sayaçlarının Gaz-dolu Sayaçlara Üstünlükleri

5

X ışınları ve gama ışınları dedeksiyonundaki verim Geiger sayaçlarına kıyasla oldukça yüksektir.

Sayacın çözme zamanı 10-4 – 10-9 s ‘dir. Bu kısa çözme zamanı, yüksek-hızlı sayımları kayıpsız olarak mümkün kılar.

Sintilasyon sayıcının çıkış pulsunun büyüklüğü gelen gama ışınlarının enerjisi ile doğru orantılı yapılabilir.

Radyasyon kaynağı, katı sintilatörün çok yakınında, bazen içinde bile, olabileceğinden ince pencerelerin kullanılmasına gerek yoktur.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Sintilasyon Nasıl Çalışır?Sintilasyon detektörlerinin çalışma prensibi

ışıldama yapan bir madde (sintilatör) içerisinden geçen radyasyonun enerjisini uyarma vasıtası ile kaybetmesi (dE/dx) ve uyarılmış atom tarafından yayınlanan ışığın bir fotodetektör vasıtası ile algılanmasına dayanır.

6

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Sintilasyon Nasıl Çalışır?

7

Radyoaktif ışınlar bir maddenin atom ve molekülleriyle etkileşime girdiği enerjiye göre, madde içinde iyonizasyon ya da eksitasyon meydana getirir.

Şayet radyasyon enerjisi her iki olayı da meydana getiremeyecek kadar düşük ise, etkileştiği ortamdaki moleküller arasında sadece bir titreşim meydana getirir ve yok olur.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


8

Sintilatörden yayılan görülebilir ışıklara sintilasyon denir.

Radyasyon enerjisini önce ışık fotonlarına ve daha sonra foto çoğaltıcı tüp yardımıyla elektrik pulslarına dönüştüren dedektörlere de sintilasyon dedektörleri (sayaçları) adı verilir.

Sintilasyon dedektörleri, sintilatör olarak kullanılan bir madde ve bunun hemen arkasına bağlanmış bir foto çoğaltıcı tüpten oluşur.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


9

Bir sintilatör içine giren radyasyon, ortamdaki atomları uyarmak suretiyle enerjisini kaybeder.

Uyarılan atomlar hızla, görünür bölgede (veya görünür bölgeye yakın) ışık yayınlarlar.

Işık foto duyarlı yüzeye çarparak foton başına en çok bir elektron salınmasına neden olur.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


10

Bu elektronlar da foto çoğaltıcı tüp içinde bulunan ve dinod adı verilen elektron çoğaltıcı elemanlar yardımıyla çoğaltılarak anotta toplanır ve genliği radyasyon enerjisiyle orantılı çıkış pulsları şekline dönüşür.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


11

Meydana gelen darbenin genişliği radyasyonun enerjisi ile orantılıdır.

Bu dedektörler sayım ve aynı zamanda enerji ayırımı için kullanılır.

Beta parçacıkları gibi yüklü parçacıklar, geçtikleri ortamın atomlarıyla etkileşerek enerjilerini ısı, iyonlaşma ve uyarılmayla kaybederler.

Başka bir deyişle, beta enerjisi geçtikleri ortamın atomlarına aktarılır (soğurma).

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


12

Cisimlerin enerji soğurduktan sonra görünür ışık bölgesinde veya ona yakın bölgede foton adı verilen ışık partikülleri çıkarmasına ‘’lüminesans’’ denir.

Bu olayın esası kısaca şöyle açıklanabilir: Katı veya sıvı ortamdan geçen yüklü parçacıklar ortamın atomlarını uyarır.

Uyarılan atomlar tekrar taban seviyelerine dönerken ışık fotonları verirler.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


13

Uyarılmış atom sayısı ortam içinde yüklü parçacığın kaybettiği enerjiyle orantılı olup foton sayısı da bu enerjiyle orantılıdır.

Taban durumuna geçerken meydana gelen bu lüminesans olayı floresans, fosforesans ve geç floresans şeklinde olmaktadır.

Uyarılma esnasında 10-8 saniye içerisinde ışık salınması oluyorsa bu olaya ‘’floresans’’,

Işık salınması uyarılma kesildikten sonra oluyorsa bu olaya da ‘’fosforesans’’ denir.

Fosforesans süresi mikro saniye ile saat arasında lüminesan maddenin cinsine göre değişir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


14

Basit uyarılmış durumdan taban durumuna geçişte salınan ışık floresans şeklindedir.

Daha karmaşık uyarılma şekli olan triplet uyarılmada ise fosforesans meydana gelir.

Ancak, Kuantum Mekaniğine göre bu durumdan taban durumuna doğrudan geçiş zor olduğundan fosforesans olayına seyrek rastlanır.

Triplet durumunda uyarılmış atomun bu seviyede kalma süresi uzun olup uyarılmış atom önce basit uyarılmış duruma geçmekte ve sonra taban seviyesine inmektedir.

Bu çeşit taban duruma geçişlerde geç floresans görülür.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

İdeal SintilatörYüklü parçacıkların kinetik enerjisini yüksek

sintilasyon verimiyle detekte edilebilir ışığa çevirmelidir.

Bu çevrimin doğrusal olması gerekir. Işık verimi biriktirilen enerjiye mümkün olduğu kadar orantılı olmalıdır.

İyi ışık biriktirme için ortam kendi emisyonunun dalga boyunu geçiren olmalıdır.

Uyarılmış ışıldamanın bozunma zamanı kısa olmalı ki hızlı sinyal darbeleri üretilebilsin.

15

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Sintilatör ÇeşitleriSintilatörler, İnorganik Sintilatörler ve Organik SintilatörlerOlmak üzere ikiye ayrılır.

16

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

İnorganik Sintilatörler

17

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

İnorganik Sintilatörlerİnorganik malzemelerdeki sintilasyon

mekanizması malzemenin kristal örgüsü tarafından belirlenen enerji durumlarına bağlıdır.

Yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılan malzemelerdeki elektron geçişleri yalnızca belli enerji durumlarında izinlidirler.

18

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


19

Valans bandı olarak adlandırılan düşük bant, bu elektronların kafes sitelerine bağlandığını gösterirken,

İletkenlik bandı elektronların kristalden ayrılmak için yeterli enerjiye sahip olduklarını gösterir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


20

Burada elektronların saf bir kristalde asla bulunamayan yasak bant olarak adlandırılan bir ara enerji bandı vardır.

Enerji absorpsiyonu, bir elektronun valans bandındaki normal pozisyonundan, aralık (gap) boyunca normal dolmuş valans bandında bir boşluk bırakarak iletim bandına yükselmesiyle sonuçlanır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


21

Saf kristalde elektronun bir foton yayınlayarak valans bandına dönüşü verimsiz bir süreçtir.

Uyarılmadan önceki hale dönüş süreci esnasında görünür foton yayınımı olasılığını artırmak için inorganik sintilatörlere genellikle küçük miktarlarda bir safsızlık eklenir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


22

Böyle kasıtlı eklenen safsızlıklar, aktivatörler olarak adlandırılır ve kafes içinde normal enerji bant yapısının saf kristalinkiyle değiştirildiği yerlerde özel siteler oluşturur.

Sonuç olarak elektronun valans bandına uyarılmamış hale geri dönebilmesiyle yasak aralık içinde oluşturulmuş enerji durumları olacaktır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


23

Enerji tam yasak aralığınkinden daha az olduğundan bu geçiş artık görünür bir fotona neden olabilir ve bundan dolayı sintilasyon sürecinin temeli olarak görev yapar.

Bu uyarılmamış siteler lüminesans merkezleri veya rekombinasyon merkezleri olarak adlandırılır.

Bunların host kristal kafesi içindeki enerji yapıları sintilatörün yayınım spektrumunu belirler.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


24

Dedeksiyon ortamı boyunca geçen yüklü bir parçacık, elektronların valans bandından iletim bandına yükseltilmesiyle oluşan büyük miktarda elektron-hol çifti oluşturacaktır.

Safsızlığın iyonizasyon enerjisi tipik kafes sitesininkinden daha az olacağından pozitif hol hemen bir aktivatör sitesinin bulunduğu konuma sürüklenecek ve onu iyonize edecektir.

Bu arada elektron kristalden ayrılmak için serbesttir ve böyle bir iyonize aktivatörle karşılaşıncaya kadar serbest kalacaktır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


25

Bu noktada elektron kendi uyarılmış enerji durumları kümesine sahip nötral bir konfigürasyon yaratarak aktivatör sitesine düşebilir.

Bu durumlar aşağıdaki şekilde yasak bant içindeki yatay çizgiler olarak gösterilmiştir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


26

Eğer oluşan aktivatör durumu taban duruma geçişe izinli uyarılmış bir konfigürasyonsa uyarılmamış duruma dönüşü çok hızlı ve uygun bir fotonun yayınımı için yüksek olasılıklı meydana gelecektir.

Eğer aktivatör düzgün seçilmişse bu geçiş görünür enerji aralığında olabilir.

Böyle uyarılmış durumlar için tipik yarılanma süreleri 50-500 ns mertebelerindedir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


27

Aslında elektron için göçme zamanı daha kısa olduğundan tüm uyarılmış safsızlık konfigürasyonları bir defada oluşturulur ve ardından uyarılmış durumun yarılanma süresi karakteristiğiyle uyarılmamış duruma döner.

Bazı organik sintilatörler, çoğunlukla daha karmaşık zaman davranışı gözlenmesine rağmen tek bir bozunma zamanı veya bir üstel ile tam olarak karakterize edilebilirler.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


28

Safsızlık sitesi üzerine gelen elektron taban düzeye geçişin yasak olduğu uyarılmış bir konfigürasyon oluşturabilir.

Böyle durumlar onları uyarılmamış taban durumuna geçişin mümkün olduğu yüksek bir duruma çıkarmak için ilave bir enerji artımına gerek duyar.

Bu enerjinin bir kaynağı termal uyarımdır ve fosforesans olarak adlandırılan ışığın yavaş bileşeninden oluşur.

Bu, çoğunlukla zemin ışığının önemli bir kaynağı ya da sintilatörler içindeki «fosfor ışıllık (afterglow)» olabilmektedir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


29

Üçüncü bir olasılık bir elektron bir aktivatör sitede yakalandığında oluşur.

Elektron yakalama ve taban durumu tarafından oluşturulan bazı uyarılmış durumlar arasında belli ışımasız geçişler olasıdır. Bu durumda görünür foton yoktur.

Böyle süreçler söndürme (quenching) olarak adlandırılır ve parçacık enerjisinin sintilasyon ışığına çevrimindeki kayıp mekanizmalarını gösterir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


30

Elektron ve holün yukarda belirtilen bağımsız göçüne alternatif olarak çiftler, eksiton olarak bilinen zayıf birlikteliğe sahip bir konfigürasyonda birlikte göç ederler.

Bu durumda elektron ve hol birbirlerine bağlı kalırlar fakat bir aktivatör atomunun sitesine ulaşana kadar kristal boyunca sürüklenmekte serbesttirler.

Benzer uyarılmış aktivatör konfigürasyonları yeniden şekillenebilir ve uyarılmamış oldukları taban konfigürasyonlarında sintilasyon ışığına yol açarlar.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


31

Sintilasyon süreci verimlilik ölçümü basit bir enerji hesaplamasından izlenir.

Geniş bir malzeme kategorisi için bir elektron hol çifti oluşturmak, bant aralığı enerjisinin ortalama üç katı civarındadır.

Sodyum iyotta bu, bir elektron-hol çifti oluşturmak için yüklü parçacığın, enerjisinin 20 eV’unu kaybetmesi anlamına gelir.

Böylece sintilatörde depolanan parçacık enerjisinin 1 MeV’i için 5x104 civarında elektron-hol çifti oluşturulur.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


32

Çeşitli deneysel tespitler talyum-aktif sodyum iyotun mutlak sintilasyon veriminin %12 civarında olduğunu göstermiştir.

Bundan dolayı enerjinin 1 MeV’luk absorpsiyonunun, toplam ışık enerjisi içinde yaklaşık 1.2x105 eV veya 3 eV’luk ortalama bir enerjiyle, 4x104 foton vermesi gerekir.

Böylece ürün, orijinal olarak oluşan elektron-hol çifti başına 1 fotona çok yakın olur ve aktivatör sitelerine enerji transferi oldukça verimli olur.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


33

Aktivatör siteleri boyunca lüminesansın önemli bir sonucu kristalin sintilasyon ışığına geçirgen olabilmesidir.

Saf kristalde bir elektron-hol çiftini, bu çiftler rekombine olduğunda serbest kalırken uyarmak için kabaca aynı enerji gerekecektir.

Sonuç olarak yayınım tayfı daha uzun dalga boylarına kaydırılır ve kristal bulk’unun optik absorpsiyon bandından etkilenmez.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


34

Birkaç inorganik sintilatör tarafından yayınlanan ışık emisyon spektrumu şekilde verilmiştir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


35

Sintilasyon ışığının tam kullanımını sağlamak için spektrumun, ışığı algılamakta kullanılan cihaza ait azami duyarlılık dalga boyu bölgesine yakın düşmesi gerekir.

Bazı inorganik sintilatörlerin oda sıcaklığındaki sintilasyon özellikleri sonraki tabloda verilmiştir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 1028016136

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


37

Dördüncü kolonda gösterilen bozunma zamanları çoğu durumda yalnızca baskın bozunma bileşenlerini gösterdiklerinden sadece yaklaşık değerlerdir.

Yüzdelerin listelendiği yer, gösterilen bileşenlerin göreceli ürünlerini belirtir.

Beşinci kolon hızlı elektronlarla 1 MeV’lik enerji birikiminden itibaren tüm yayınım spektrumu üzerindeki toplam sintilasyon fotonlarının tahmini miktarlarıdır.

Bu değerler genellikle ışığı ölçmek için kullanılan foto çoklayıcı tüpün veya foto diyotun kuantum verimliliğinin, dalga boyunun bir fonksiyonu olarak bilindiği ölçümlerden elde edilirler.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


38

Büyük ihtimalle örneğin safsızlık düzeyleri veya optik kalitesindeki değişimlerden dolayı verilen bir materyal için yayınlanan değerlerde dikkate değer değişkenlik var.

Altıncı kolon sintilatör hızlı elektronlar (veya gama ışınları) tarafından uyarıldığında ve bir bialkali foto katoda sahip bir cam uç pencereli foto çoklayıcı tüpe (UV duyarsız) çiftlendiğinde göreceli darbe genliğini kıyaslar.

Foto katot spektral yanıtının değişkenliği bu değerlerdeki ilave değişimleri de ortaya koyar.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


39

Genel inorganik sintilatörler için ışık verimi organik sintilatörlerde tipik olarak gözlenen değere göre depolanan ışıma enerjisine daha orantılıdır.

Hala mevcut olan söndürme süreçleri doğrusal olmayan bazı durumlara yol açar ancak bu organiklerdekinden daha da düşük boyutadır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


40

Eşit enerji parçacıklarının farklı türleri için ışık veriminde de çeşitlilik gözlenir.

Organik sintilatörlerdeki gibi ağır yüklü parçacıklar birim enerji başına daha az ışık üretirler.

Alfa-beta oranı birliğe tipik organiklerdekinden daha yakındır (örneğin NaI(Tl) ve CsI(Tl) sintilatörlerin her ikisi için bu oran 0.66-0.67 aralığındadır) ancak BGO ve GSO gibi oksit tabanlı malzemeler 0.20 kadar düşük olabilir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


41

İnorganik sintilatörler 4’e ayrılır. Bunlar:Aktive edilmemiş hızlı inorganikler,Aktive edilmemiş yavaş inorganikler,Tl-Aktif inorganikler,Ce-Aktif inorganikler,Cam sintilatörler

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Aktive Edilmemiş Hızlı İnorganik Sintilatörler

42

Baryum Florür - BaF2Hızlı bileşen yalnızca bozunma zamanı < 1

ns’den küçük yüksek Z’li sintilatörlerde, λ ~ 220 nm’de τ = 0.6 ns bozunma zamanına ve 15%’lik ışık verimine sahiptir.

Yavaş Bileşen λ ~ 220 nm’de τ = 630 ns bozunma zamanına ve 85%’lik ışık verimine sahiptir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


43

Sezyum İyodür - CsIHızlı bileşende τ ~ 10 nsYavaş bileşende safsızlıklara bağlı olarak τ

birkaç μs’ye kadar olabilir.NaI(Tl)’un veriminin %5 ve %8 aralığında

çıkışa sahiptir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


44

Seryum Florür - CeF3

NaI(Tl)’ün %5’i civarında, zayıf bir sintilasyon ışığına sahiptir.

τ ~ 27 ns’lik bozunma zamanına sahiptir.Gözlemler morötesi aralığa genişletildiğinde

τ ~ 5 ns’lik bozunma zamanına sahip ikinci bir bileşen de gözlenebilir.

Küçük hacimdeki kristallerden gelen toplam ışık veriminin MeV başına 2100 foton olduğu bildirilmiştir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Aktive Edilmemiş Yavaş İnorganik Sintilatörler

45

Bizmut Germanat (BGO) - Bi4Ge3O16

Çok yüksek Z’ye sahiptir.7.13 g/cm3’lük yüksek yoğunluğa sahiptir.Işık verimi NaI(Tl)’den %10-20 kadar daha

yavaştır.Işık çıkışı artan sıcaklıkla azalır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


46

Kadmiyum Tungstat - CdWO4 Işık verimi λ ~ 470 nm’de görünür dalga

boyunda pik veren yayınım spektrumuyla NaI(Tl)’ün %40’ı kadardır.

Yüksek bir yoğunluğa ve etkin atom sayısına sahiptir.

Gama ışın ölçümleri için kullanılır.En büyük dezavantajı gama ışın uyarımı için

hızlı ve yavaş bileşenlerin 1.1 μs (%40) ve 14.5 μs (%60)’lık göreceli uzun bozunma zamanlarıdır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


47

Kurşun Tungstat - PbWO4

Çok yüksek Z’ye sahiptir.Çok zayıf ışık çıkışı vardır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Tl-Aktif İnorganik Sintilatörler

48

NaI(Tl)En geniş çapta kullanımı olan sintilatördür.38000 foton/MeV ile yüksek ışık çıkışına

sahiptir.τ = 230 ns’lik bozunma zamanı bazı hızlı

zamanlama veya yüksek sayma oranlı uygulamalar için oldukça uzundur.

Tüm ışık verimine %9 civarında katkı sağlayan 0.15 s karakteristik bozunma zamanına sahip bir fosforesans ölçülebilir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Tl-Aktif İnorganik Sintilatörler

49

CsI(Tl)65000 foton/MeV’lik ışık çıkışına sahiptir.τ = 0.68 (%64) ve τ = 3.34 (%36) μs’lik

bozunma zamanına ve göreceli yoğunluğa sahip iki bileşen vardır.

Yayınım spektrumu NaI(Tl)’den daha uzun bir dalga boyunda pik verir.

S-11’li ya da bialkali foto katotlu foto çoklayıcı tüplerin yanıtına daha kötü eşlenir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Ce-Aktif İnorganik Sintilatörler

50

Godolinyum Silikat (GSO) - Gd2SiO5

Atom 64 olan numarası Godolinyum, gama ışını spektroskopisinde çekici özellikler sunar.

Azami ışık verimi 0.5 mol seryum katkılı konsantrasyonda gözlenmiştir.

Bozunma zamanı seryum katkı düzeyine bağlıdır ancak bu 56 ns’lik hızlı bileşen tarafından bastırılır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


51

Godolinyum Silikat (GSO) - Gd2SiO5

400 ns’lik daha uzun bir bozunma zamanı buna ek olarak %10 yoğunluk sunmaktadır.

Toplam ışık verimi NaI(Tl)’un %20’si civarındadır.

662 keV’lik gama ışınları için %9 civarında bir enerji çözünürlüğü bulunmaktadır.

107 Gy’ye kadar gama ışını pozları için hissedilir radyasyon hasarı olmamakla birlikte, mükemmel radyasyon stabilitesi gösterdiği de görünmektedir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


52

Yitriyum Alüminyum Perovskit (YAP) - YAlO3

Nd ile katkılandığında zaman zaman bir lazer malzemesi olarak rol oynadığı bilinmektedir.

Toplam ışık verimi NaI(Tl)’ün %40-50’sidir. τ = 27 ns’dirKolayca üretimini ve işlenmesini sağlayan

sertlik, güç ve inertlik gibi üstün fiziksel özellikler gösterir.

Küçük boyutlu kristaller mükemmel enerji çözünürlüğü gösterirken, örneğin 662 keV’de %5.7, aynı zamanda 160 ps kadar düşük mükemmel zamanlama çözünürlüğü sunarlar.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


53

Yitriyum Alüminyum Garnet (YAG) - Y3Al5O12

Bu malzeme de Nd ile katkılandığında lazer malzemesi olarak kullanılır.

Yayınım spektrumundaki pik 550 nm’de oluşmaktadır ve birçok foto çoklayıcı tüpün spektral yanıtına iyi bir şekilde eşlenir.

τ = 88 ns ve τ = 300 ns’lik bozunma zamanlarına sahip bileşenler gösterir.

Gama ışını uyarımı için bu iki bileşenin göreceli yoğunlukları sırasıyla %72 ve %28’dir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


54

Lütesyum Oksiortosilikat (LSO) – Lu2(SiO4)Işık çıkışı NaI(Tl)’ün yaklaşık %75’i kadardır.τ = 47 ns’lik hızlı bir bozunma zamanına ve

420 nm’de pik veren yayınım spekturumuna sahiptir.

Gama ışın spektroskopisinde kullanılır.176Lu, LSO’nun cm3’ü başına 300 sayım/s’lik

doğal arkaplan radyasyonu ilave eder.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


55

Lütesyum Ortoalüminat (LuAP) – LuAlO3

İtriyumun düşük (Z=39) atom numarasından dolayı YAP gama ışık spektroskopisi için çok uygun değil.

Bunun yerine Z= 71 olan lütesyum verilerek gama ışın spektroskopisi mümkün hale getirilir.

τ = 17 ns’lik düşük bozunma zamanına sahiptir.

Işık çıkışı NaI(Tl)’ün %50’sinden fazla olabilmektedir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Cam Sintilatörler

56

Ce ile aktive edilmiş B veya Li içerirler.Nötron dedeksiyonu için kullanıldığında camın

içeriği ~95%’lik 6Li ile zenginleştirilir.Yayınım, spektrumun mavi bölgesinde pik verir ve

cam içinde Ce3+ siteleri ile birleştirilir.Modern sintilasyon camları SiO2, LiO2, Al2O3, MgO

ve Ce2O3 çeşitli karışımlarından üretilir, bazen cam yoğunluğunu artırmak için BaO ilave edilir.

3500 foton/MeV’lik Işık çıkışı oldukça düşük olmasına rağmen, ortam koşullarının geleneksel sintilatörlerin kullanımını kısıtladığı zamanlarda beta veya gama sayımı için zaman zaman kullanılır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Organik Sintilatörler

57

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


58

Organik sintilatörlerin büyük bir bölümü π elektron yapısına sahip organik moleküllere dayanır.

Böyle bir molekülün π elektronik enerji seviyeleri yandaki şekilde verilmiştir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


59

Singlet durumları (spin 0) serisi şekilde S0, S1, S2, …olarak etiketlenmiş,

Triplet (spin 1) elektronik düzeyleri ise T1, T2, T3, … olarak etiketlenmiştir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


60

Organik sintilatörler olarak ilgilenilen moleküller için S0 ve S1 arasındaki enerji boşluğu 3 veya 4 eV’tur.

Bununla birlikte daha üst seviyedeki durumlar arasındaki boşluk biraz daha küçüktür.

Bu elektronik konfigürasyonların her biri molekülün çeşitli titreşim durumlarına uygun olan daha hassas boşluklara sahip alt seviyelere bölünür.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


61

Bu seviyelerin tipik boşluğu 0.15 eV mertebesindedir.

İkinci bir alt indis bu titreşim durumlarını ayırmak için kullanılır ve S00 sembolü temel elektrik durumunun en düşük titreşim durumunu gösterir.

Oda sıcaklığında hemen hemen tüm moleküller S00

durumundadır.Şekilde enerjinin absorpsiyonu yukarı doğru

oklarla gösterilmiştir.Bir sintilatör durumunda ise bu süreçler yakından

geçen yüklü bir parçacıktan kaynaklanan kinetik enerjinin absorpsiyonunu gösterir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


62

Uyarılmış olan daha yüksek singlet elektronik durumları hemen (pikosaniye mertebesinde) radyasyonsuz iç çevrimle S1 elektron durumuna geri döner.

Ayrıca aşırı titreşim enerjisine (S11 veya S12 gibi) sahip herhangi bir durum komşularıyla termal dengede değildir ve hemen bu titreşim enerjisini kaybeder.

Bu nedenle basit bir organik kristaldeki uyarım sürecinin net etkisi, göz ardı edilebilecek kadar kısa bir süre sonra, S10 durumundaki uyarılmış molekülleri çoğaltmaktır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


63

Asıl sintilasyon ışığı (veya öncü floresans) bu S10 durumu ve taban elektronik durumunun titreşim durumlarından biri arasındaki geçişlerde yayınlanır.

Bu geçişler şekilde aşağı doğru ok işareti ile gösterilmiştir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


64

Eğer τ S10 seviyesi için floresans bozunma zamanını gösterirse uyarılmayı izleyen bir t zamanındaki öncü floresans yoğunluğunun şöyle olması gerekir:

Çoğu organik sintilatörde τ birkaç nano saniyedir ve bundan dolayı öncü sintilasyon bileşeni göreceli olarak daha hızlıdır.

İlk triplet durumu T1 için yaşam ömrü, S1singlet durumunun yaşam ömründen karakteristik olarak daha uzundur.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


65

Sistemler arası geçiş (Intersystem Crossing) olarak adlandırılan bir geçişle uyarılmış bazı singlet durumları triplet durumlara çevrilebilir.

T1’in yaşam ömrü 10-3 s kadar olabilir bundan dolayı T1’den S0’a geri dönüşte yayınlanan radyasyon, fosforesans olarak karakterize edilen gecikmeli bir ışık yayınımı olur.

T1, S1’in altında olduğundan bu fosforesans spektrumun dalga boyu floresans spektrumunkinden daha uzun olacaktır.

Bazı moleküller T1 durumundayken S1 durumuna termal olarak geri uyarılabilir ve daha sonra normal floresans yoluyla bozunur. Bu gecikmeli floresansın temelidir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


66

Herhangi bir sintilatörün sintilasyon verimi görünür ışığa çevrilmiş olan tüm gelen parçacık enerjilerinin kesri olarak tanımlanır.

Bu verimin olabildiği kadar büyük olması tercih edilir ancak maalesef ışığın yayınımına yol açmayan uyarılmış moleküller için geçerli geri uyarım kipleri vardır.

Tüm bu radyasyonsuz geri uyarım kipleri söndürme (quenching) terimi altında gruplanır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


67

Organik sintilatörlerin üretimi ve kullanımında uyarım enerjisi için değişimli söndürme mekanizması sağlayarak ışık çıkışını zayıflatan safsızlıkları (sıvı sintilatörlerde eriyen oksijen gibi) elimine etmek önemlidir.

Hemen hemen tüm organik malzemelerde, geri uyarım meydana gelmeden önce, uyarım enerjisi molekülden moleküle transfere maruz kalır.

Bu enerji transferi birden fazla molekül türü içeren bazı organik sintilatörler için önemlidir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


68

Verimli bir sintilatörün küçük bir derişimi yığın (bulk) çözücüye eklenirse, öncelikli olarak solvent tarafından absorplanan enerji sonuçta verimli sintilasyon moleküllerinden birine yol bulur ve bu noktada ışık yayınımına neden olur.

Bu “ikili” organik sintilatörler, çeşitli çözeltiler ve eriyik organik sintlantları birleştiren sıvı ve plastik çözeltiler olarak geniş çapta kullanılır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


69

Bu karışımlara zaman zaman eklenen üçüncü bir bileşen ise bir “dalga kaydırıcı” olarak görev yapar.

Dalga kaydırıcının işlevi, birincil sintilant yoluyla üretilmiş ışığı absorplamak ve daha uzun bir dalga boyunda yeniden yayınlamaktır.

Yayınım spektrumu içindeki bu kayma, sintilatörü foto çoklayıcı tüpün spektral hassasiyetine eşlemek ya da büyük sıvı veya plastik sintilatörlerdeki bulkun kendi absorpsiyonunu minimize etmek için kullanılabilir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


70

Organik Kristal Sintilatörler Yalnızca iki materyal yaygın olarak mevcuttur. Antrasen, sintilasyon amacıyla kullanılan en

eski materyallerden biridir ve organik sintilatörler içinde en yüksek sintilasyon yeterliliğine sahiptir.

1.25 x 103 kg/m3 yoğunluğuna sahip antrasenin bozunma süresi (yaklaşık 30 ns), inorganik kristallerinkinden daha kısa sürer.

Antrasen farklı şekillerde ve boylarda elde edilebilir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


71

Organik Kristal Sintilatörler Stilben ise en düşük sintilasyon yeterliliğine

sahiptir fakat yüklü tanecik ve elektronlar tarafından üretilen sintilasyonlar arasındaki puls şekillendirme diskriminasyonunu ayırt etme durumlarında tercih edilir.

Işık dönüşüm verimi antrasenin yarısı kadardır.

Stilben kristaller termal ve mekanik şoklara hassastırlar.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


72

Organik Sıvı Sintilatörler Bir ya da daha fazla çözüneni ihtiva eden

bir çözücü karışımından oluşur. İyi çözücülüğe sahip bileşenler ksilen,

toluen ve hekzametilbenzen içerir. Sıvı sintilatörler, sintilatör çözeltisinin

parçası olarak çözünebilen radyoaktif materyali ölçerken verimi arttırmak için büyük hacimli dedektöre ihtiyaç duyulan ölçümlerde oldukça kullanışlıdırlar.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


73

Organik Sıvı Sintilatörler Bu teknik 14C ve 3H’nin yayınladığı düşük

seviyeli beta aktivitelerini sayım, kozmik ışınların tespiti ve NE213 sintilatörü kullanarak MeV mertebesindeki nötronların enerji spektrumlarının ölçümünde yaygın olarak kullanılır.

Katı sintilatörler ile dedekte edilemeyecek kadar düşük enerjilere sahip olan bu ışınların enerjileri 14C için 156 keV ve 3H için 18 keV’dir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


74

Plastik sintilatörlerSıvı organik sintilatörlerin katı çözeltisi

olarak düşünülebilir. Sıvı organik sintilatörlerinkine benzer

özellikler taşırlar fakat sıvılarla karşılaştırıldığında sağladıkları avantaj kaba ihtiyaç duymamalarıdır.

Üretim ve şekillendirilme kolaylığından dolayı, plastikler organik sintilatörler içinde en kullanışlı olanlarıdır.

İnce fiberlerden ince levhalara kadar hemen hemen istenen her tür şekil ve boyda üretilebilirler.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


75

Plastik sintilatörlerSu, hava ve birçok kimyasal ile tepkimeye

girmezler; bu nedenle radyoaktif numune ile doğrudan temas halinde kullanılabilirler.

Plastik sintilatörler, nötron dedeksiyonlarında, yüklü parçacık dedeksiyonlarında ve Fast Timing uygulamalarında kullanılırlar.

Bu uygulamalarda kullanılabilmeleri için çok büyük boyutlarda olmaları veya doğal sert plastik özelliklerini sağlamaları gerekmektedir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı Tüpler

76

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


77

Işığın ToplanmasıHer sintilatörden, iyonize partikülün izinden

izotropik olarak yayınlanan ışığın mümkün olan en büyük kesrini toplaması beklenir.

Işığın mükemmel şekilde toplanmasından daha azına neden olan iki etki meydana gelir: sintilatör içinde kendini absorplama ve sintilatör yüzeyindeki kayıplar.

Çok geniş sintilatörler veya nadir kullanılan sintilasyon malzemeleri hariç kendi absorpsiyon çok önemli bir kayıp mekanizması değildir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


78

Işığın ToplanmasıAncak ışığın düzgün toplanması öncelikli

olarak sintilatör ve monte edildiği kap arasındaki arayüzeyde var olan koşullara bağlıdır.

Işık toplama koşulları enerji çözünürlüğünü iki ayrı şekilde etkiler.

İlki yanıt fonksiyonunun istatistiksel genişlemesi,

İkincisi ise sinyal puls genliğindeki değişimi belirleyecek olan ışık toplama düzgünlüğüdür.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


79

Işığın ToplanmasıSintilasyon ışığı tüm yönlere

yayınlandığından foto çoklayıcı tüpün yüzeyine ya da sensöre yalnızca sınırlı bir kesri doğrudan ulaşır.

Eğer geriye kalan ışık da toplanacaksa sintilatör yüzeyinden bir veya daha fazla kez yansıtılması gerekir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


80

Işığın ToplanmasıIşık fotonu yüzeye geldiğinde iki durum ortaya

çıkabilir. θ geliş açısı, θc kritik açı olmak üzere;θ < θc ise kısmi yansıma (fresnel yansıması) olur ve

yüzeyden kısmi aktarım gerçekleşir.θ > θc ise toplam iç yansıma meydana gelir.Geliş açısı sıfıra yakınsa yansıyan ışığın kesri birkaç

yüzdeye düşer.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


81

Işığın ToplanmasıKritik açı θc, sintilasyon ortamı n0 ve onu

saran ortam (genelde hava) n1 için kırılma indisi ile belirlenir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


82

Işığın ToplanmasıYüzeyden kaçan ışığı tekrar yakalamak için

foto çoklayıcı tüp hariç tüm sintilatör yüzeyi bir reflektör ile sarılmalıdır.

Reflektörler yansıtıcı (specular) veya dağıtıcı (diffuse) olabilir.

Parlatılmış metal yüzey geliş açısının yansıma açısına eşit olduğu bir yansıtıcı reflektör olarak davranacaktır.

Yansıtıcı reflektörler için en iyi sonuçlar genellikle magnezyum oksit veya alüminyum oksit gibi malzemelerle elde edilir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


83

Işığın ToplanmasıBurada yansıma açısı geliş açısından

neredeyse bağımsızdır ve Lambert kanunuyla verilen dağılımı izler:

Burada ψ yüzeyin normaline göre yansıma açısıdır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


84

Işığın ToplanmasıToplam iç yansıma, yansıtan yüzeylerde

arzu edilir olmasına rağmen sintilatörün izlendiği yerde ışığın içsel tuzaklanmasını engellemek için minimize edilmesi gerekir.

İdeal olarak sintilatörün, foto çoklayıcı tüpün foto katotuna sintilatörle aynı kırıcılık indisine sahip ışık geçiren bir ortam yoluyla optik olarak eşlenmesi istenir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


85

Fotoçoklayıcı TüplerSintilatör ortamından uyarılma sonucu

yayınlanan fotonların dedeksiyonunda fotoçoğaltıcı tüpler kullanılır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


86

Fotoçoklayıcı TüplerTemel olarak bir fotokatot, kademeli olarak

voltaj uygulanan 8-10 adet dinod denilen elektrottan ve bir toplama elektrodundan (anot) meydana gelmiştir

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


87

Fotoçoklayıcı TüplerFotokatot, üzerine düşen ışığı (fotonları)

fotoelektrik etkisi elektronlara çevirmeye yarar.

Genellikle sezyum-antimon bileşiminden yapılmıştır.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


88

Fotoçoklayıcı TüplerFotokatotlarda fotoelektrik etkisi sonucu

oluşan elektronların oluşturduğu akım çok zayıf olduğundan ölçülebilmesi için çoğaltılması gerekir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


89

Fotoçoklayıcı TüplerÇoğaltma işi dinodlar aracılığıyla yapılır. Dinodlar bir seri direnç zinciri ile kademeli

olarak artan gerilimlerde tutulur.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


90

Fotoçoklayıcı TüplerBöylece fotokatottan veya önceki bir

dinoddan yayınlanan elektronlar, daha çok elektron sökebilecek kadar enerji kazanacak biçimde, sonraki dinoda doğru hızlandırılırlar.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


91

Fotoçoklayıcı TüplerDinodların yüzeyi, ikincil elektron

yayınlanmasının yüksek olasılıklı olduğu maddelerden yapılmış olup çarpan her elektron için birden fazla elektron yayınlanır ve bunlar dinoddan dinoda ilerlerken elektron sayısı elektronik devreleri sürebilecek kadar uygun biçimde artar (elektron çoğalması).

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


92

Her bir dinodun elektron çoğaltma miktarı 5 çarpanı kadar olacaktır.

Örneğin 10 dinodlu bir tüple sağlanacak kazanç 510 (107 civarında)’dur.

Enerji spektrometreleri için iki önemli özellik lineerlik ve kararlılıktır.

Lineerlik, son çıkış puls genliğinin, sintilasyon olaylarının sayısı ile dolayısıyla radyasyon tarafından dedektörde depo edilen enerji ile doğru orantılı olması demektir.

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161


93

Çoğaltma katsayısı, dinodlar arasına uygulanan voltaj değişimine karşı çok hassastır.

Yüksek voltajdaki herhangi bir değişme çıkış pulslarındaki değişimlere neden olacaktır; bu yüzden yüksek voltaj kaynağının kararlı olması gereklidir.

Bu nedenle dinodlar bir seri direnç zinciri ile kademeli olarak artan gerilimlerde tutulur.

Bir elektron koparılması için 2-3 eV yeterli olabilir. Bu şekilde çoğaltılmış elektronlar, anotta

toplanarak RL yük direnci üzerinde bir puls oluşturur

12.04.2023Harun ÇETİN - 10280161

Kaynaklar

94

KNOLL, F., Glenn, Radiation Detection and Measurement Third Edition, Wiley & Sons

GÖREN, Elif, Adana İçme Sularında Trityum Aktivitesinin Belirlenmesi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Ana Bilim Dalı Yüksek Lisans Tezi, Adana, 2011

İyon Dedektörleri, http://www.bayar.edu.tr/besergil/2_iyon_dedektorleri.pdf

Basic Detection Techniques 2009-2010, http://www.astro.rug.nl/~peletier/Bas%20Det%20Tech%202009%20scintillators.pdf

http://www.bayar.edu.tr/besergil/2_iyon_dedektorleri.pdf

http://www.bayar.edu.tr/besergil/2_iyon_dedektorleri.pdf

http://www.astro.rug.nl/~peletier/Bas%20Det%20Tech%202009%20scintillators.pdf




12.04.2023Harun ÇETİN - 1028016195

Beni Dinlediğiniz İçin Teşekkür Ederim

sintilasyon dedektörleri

Education