Gama İşinlari Ve Kaynaklari 4

GAMA SPEKTROMETRE SİSTEMİ


Tipik bir gama spektroskopi sisteminin blok şeması aşağıda gösterilmiştir


Gama Spektroskopi Sistemi


Kaynaktan yayılan radyasyon dedektörle etkileşerek absorbe edilen enerji ile orantılı bir akım darbesi meydana getirirBu darbe amplifikatörler yardımıyla voltaj darbesine çevrilir, yükseltilir, şekillendirilir ve çok kanallı analizöre (ÇKA) gelirAnalizörden sayısal hale çevrilen bilgiler, ekranda spektrum olarak gözlenirBu spektrum veya spektrumla ilgili bilgiler ÇKA’ya bağlı uygun bir giriş/çıkışla (I/O) aygıtı ile değerlendirilmek üzere dışarı alınır

Sistemdeki üniteler:

Dedektörler


Gama ışınlarının ölçülmesinde kullanılan yarı-ileken dedektörlerde gelen foton kristalle etkileşerek enerjisini kaybederbu etkileşmeler sonucunda kristalde elektron-delik çiftleri (elektron- hole) meydana gelir ve dedektöre uygulanan yüksek voltajın oluşturduğu elektrik alanı ile diyotlara sürüklenirGelen radyasyonun enerjisi ile orantı olarak biriken bu yük analizörde ölçülebilen bir voltaj pulsu (darbesi) meydana getirir


Ayrıca sintilasyon dedektörleri ve gazlı dedektörleri de vardır

Yüksek Voltaj Ünitesi


Yük birikimi için gerekli elektrik alanını oluşturmak üzere (-) veya (+) 5000 V’a kadar gerilim sağlayan ünitelerdir

Preamplifikatör (Önyükselteç)


Dedektörde oluşan akım yükü darbesini amplifikatörde şekillendirilebilecek , akım yükü ile orantılı voltaj darbesine çevirmektir

Amplifikatör (Yükselteç)


Preamplifikatörden gelen darbenin, darbe yüksekliği analizi yapılabilecek kadar yükseltilmesini ve en iyi enerji ayrılmasını sağlıyacak şekillendirmeyi sağlar

Çok Kanallı Analizör (ÇKA)


Çık kanallı analizörler genellikle darbe yüksekliği yapan cihazlardırÇKA’ de en önemli devre veya bileşen analog/dijital dönüştürücüdürBurada gelen her darbe dijital hale dönüştürülür ve genliği ile orantılı olarak bir hafıza kanalına yerleştirilirHer kanal belirli enerjiye karşılık gelir ve sayım süresince gelen darbelerin birikmesiyle pikler oluşur


Sistemin enerji ve verim kalibrasyonu , aktiviteleri ve yayınladıkları gama enerjileri belirli standart kaynaklarla yapılırBu kaynaklar genellikle 137Cs, 60Co, 152Eu, vb kaynaklardır


Gama spektroskopisinde yaygın olarak kullanılan dedektörler:


-NA(I) Dedektörleri


-HPGe, Yarı İletken Dedektörler


-NE213, NE10A Organik Sintilatörlerdir

SİNTİLASYON DEDEKTÖRLERİ


Sintilasyon dedektörleri, sintilatör olarak kullanılan bir madde ve bunun hemen arkasına bağlanmış foton çoğaltıcı bir tüpten oluşurİyonlaştırıcı radyasyonun sintilasyon (pırıldama) fosforu denilen katı, sıvı veya gaz halindeki bazı maddelerle etkileşmesi sonucunda iyonlaşma ve uyarılma meydana gelirElektrona verilen enerji onu ortamdaki yerinden koparmaya yeterli olmadığı zaman uyarılan elektron, tekrar eski haline dönerken görünür ışık yayılırSintilasyon fosforlarının yaydığı ışık, foton çoğaltıcı tüpler tarafından toplanarak, gerilim darbesi haline dönüştürülürMeydana gelen darbenin genliği radyasyonun enerjisi ile orantılıdırBu dedektörler sayım ve aynı zamanda enerji ayırımı için kullanılır


Sintilasyon Dedektörlü Cihaz Blok Şeması


Bu dedektörlerde foton çoğaltıcı ve kullanılan fosforu değiştirmek suretiyle değişik tipte radyasyonların dedeksiyonu mümkün olabilmektedir


Sintilatörler organik ve inorganik olabilirler


İnorganik sintilasyon maddesinin özellikleri şöyledir


-Kristal yapıda olmalı


-Büyük hacimde bulunabilmesi gerekir


-Gama ışını ile orantılı fazla ışık verebilmesi gerekir


-Az miktarda aktivatör eklenir


İnorganik sintilatörlere örnek olarak Talyum eklenmiş NaI verilebilir


Bu dedektörlerin verimi nispeten yüksek fakat yarı iletken dedektörlere göre enerji ayırma gücü (rezolüsyonu) çok düşük olduğundan, ayırma güzünün çok önemli olmadığı ölçümlerde kullanılırİstenilen şekil ve boyda elde edilebilmesi ve maliyetinin diğer dedektörlere göre düşük olması önemli avantajlarıdırAncak bir fotoçoğaltıcı tüple kullanılması zorunluluğu ve verimi arttırmak için kristal boyutunu arttırınca background sayımın artması gibi dezavantajları vardır


Organik (plastik) sintilasyon maddesinin özellikleri:


-Kristal yapıda değildir ama büyük yapıda bulunabilir


-Gama ışınlarına enerji cevabı zayıftır, çünkü organik maddelerin atomik kütle numaraları küçük olduğu için düşük verim verir


-Dedektör darbesinin yükselme zamanı çık hızlıdır (1 ns den küçük)Bu nedenle sintilatörler zamanlama devreleri için idealdir


Örnek olarak NE213 organik sintilatörler verilebilirBu sintilatörlerin verimi Na(I) dedektörlerine göre daha düşük ayırma gücü yarı iletken dedektörlere göre zayıf olduğu için daha çok nötron-gama karışık radyasyon alanlarında gamaların dedeksiyonu için kullanılır


YARI İLETKEN DEDEKTÖRLER


Bu dedektörler radyasyonun bu maddelerle oluşturduğu iyonizasyon ilkesi ile çalışırlarGenellikle radyasyonun enerjisini ölçmek için kullanılırlar


Yarı iletken dedektörler bir p-n eklemi olarak düşünülebilirlerTers besleme altında dedektörde elektron ve delik (hole) arınmış bir hassas bölge oluşurDedektör veriminin yüksek olması için derin bir hassas bölge, derin hassas bölge elde etmek için de oldukça saf madde gerekir1970’lerden önce bu saflığı elde etmek için Silisyum veya Germanyum içine Lityum sürükleme (drift) işlemi kullanılıyorduBu işlem halen Si(Li) olarak X-ışını dedektörlerinde kullanılmakta,ancak teknolojik olarak çok saf Germanyum kristal büyütme imkanı olduğundan, Lityum sürüklemeli Ge(Li) dedektör üretimi artık pek yapılmamaktadır


Yarı iletken dedektörleri üç çeşide ayırarak inceleyebiliriz


-Hyper - pure Germanium (Çok Saf Germanyum) Dedektörler


Bu türde safsızlık az, direnç yüksek dolayısıyla çözme gücü çok yüksektirDiğer bir avantajı da saf Germanyum dedektörlerin besleme gerilimi uygulanmadığı zaman oda sıcaklığında tutulabilir olmasıdırDezavantajları ise çalışırken sıvı azot sızcaklığında tutma gereği ve düşük verim göstermesidirBu tiplerde ortalama verim %7, en iyilerinde %18 olup fiyatlarıda oldukça yüksektirBu dedektörlerin ayırma gücü özellikle 3keV< E <1 MeV arasında çok yüksektir



HPGe Dedektörü Blok Şeması

-Lityum Sürüklemeli (Drifted) Dedektörler:

Bu türlerin avantajları yüksek çözme gücü (% 1 den daha iyi) ve nispeten yüksek verim vermeleridir%25 -%40 verimli Si(Li) dedektörleri imal edilmektedirDezavantajları ise her zaman sıvı azot sıcaklığında tutma gereği dir ki bu da taşımada zorluk yaratmaktadır

Silisyumun nispeten düşük atom numarasına sahip olması nedeniyle Si(Li) dedektörler X-ışını spektrometresinde, Ge(Li) dedektörler de Gama ışın spektroskopisinde kullanılmaktadırGe(Li) dedektörlerinin ayırma gücü yüksek, ancak boyutları küçük olduğu için Na(I) dedektörlerine göre verimi düşüktür
Teknik Özellikleri:
Ge(Li) dedektör: Spektrometrede kullanılan yüksek saflıktaki lityum katkılandırılmış germanyum dedektördür

Dedektörün önünden giren gama ışınları kristaldeki elektronlarla belli olasılıkla fotoelektrik soğurma veya compton saçılması yoluyla etkileşir Eğer gama ışını 1022 MeV üstünde ise çekirdeğin kuvvetli coulomb ile de etkileşir Bu olaylar sonucu üretilin fotoelektronlar iletim bandına en yakın bağlı enerji düzeylerinde zayıfça bağlı elektronları uyarırlar ve bu elektronlar örgü içinde hareket ederler Kristal boyunca uygulanan besleme potansiyeli elektron ve holl çiftlerinin yüklerin toplandığı n ve p tipi yarı iletken tabakaların uçlarına geçmesini sağlarlar Elde edilen (toplanan) elektron holl çiftinin toplam sayısı ile orantılı bir puls voltajı üreten yüke duyarlı bir yükselteçte toplanır

Ge(Li) Dedektörün özellikleri

Bağıl Verim : 10%

Ayırma Gücü : 20 keV (FWHM)


40 keV (FWTM), 133 MeV


10 keV (FWHM), 12 MeV

Geometri : Sonu kapalı silindirik

Çap : 46 mm

Uzunluk : 42 mm

Pencerenin Aktif Alanı : 16 cm2

Deplasyon Voltajı : 3500 V

Tavsiye Edilen Besleme Kapasitansı: 4000 V dc

Tavsiye Edilen Besleme Kapasitansı : 1 pF
Dedektörün Pencereden Mesafesi : 5 mm
Tavsiye Edilen Besleme Kaçak Akımı: 001 nA
Önyükselteç:Dedektörden gelen pulsları depolanan enerji ile orantılı olarak voltaj sinyaline dönüştürür Elektronik katlar için pulsları şekillendirir ve büyültür
HV (Yüksek Voltaj) Güç Kaynağı: HV güç kaynağının amacı dedektöre besleme gerilimini sağlamaktır Çalışma sırasında güç kaynağı 4000 V olarak kullanılır
Spektroskopi Yükselteci : Ön yükselteçten gelen pulsları büyültür, sinyallere ayırır, puls yüksekliğini ayarlar Gelen ve çıkan pulslar arasında doğrusal bir ilişki kullanarak sinyalleri büyültür
Analog Dijital Çevirici (ADC): Spektroskopi yükseltecinden gelen sinyalleri genlikleri ile orantılı olarak sayısal sisteme dönüştürür
S100 MCA Kartı ve Çok Kanallı Analizör: Bu birim ADC deki verileri depolayıp, spektrum olarak gösteren; verilerin hafızada saklanmasını, analizini ve rapor olarak verilmesini sağlar
Bilgisayar ve Çevre Birimleri: IBM PC/2-21 model 8086 işlemcisi, 640kB ana belleği olan bir bilgisayar, EGA grafik kartı, 20 MB sabit diski, bir 35” disket sürücüsü, S100 MCA (Çok Kanallı Analizör) kartı , matematik işlemcisi, IBM proprinter XL yazıcısı olan sistemdir
-Yüzey Engelli (Surface-Barrier) Dedektörler:

Bu tür yarı iletken dedektörler daha çok yüklü parçacık spektroskopisinde kullanılmaktadır

Bugün bulunan gama spektrometre sistemi ille çevremizdeki maddelerin radyoaktif olup almadığını, eğer radyoaktif ise bu radyoaktivitenin hangi izotoptan kaynaklandığını ve aktivitenin ne kadar olduğunu belirleyebilmekteyiz

YAPILAN ÇALIŞMALAR


Yörüngeye çıkan ilk gama-ışın teleskopu 1961 yılında fırlatılan Explorer-XI dir Bu uydu ise sadece 100 kozmik gama-ışın fotonu algılayabilmiştir Bu gama-ışınları da gama-ışın zemin ışınımıdır Bu zemin ışınımı, kozmik ışınların yıldızlar arası gaz ile etkileşmesi gibi sebeplerle meydana gelir Dikkate değer sayıda gama-ışını ilk olarak, 1967’de fırlatılan OSO-3 uydusundaki gama-ışın teleskopunca tespit edilmiştir Bu uydu zemin ışınımından farklı olarak 621 olay kaydetmiştir

Gama-ışın astronomisinin gözlemsel kısmı en büyük aşamayı, SAS-2 (1972) ve COS-B (1975-1982) uydusu ile kaydetmiştir Bu iki uydu yüksek enerjili evrenin o zamana kadar hiç görülmemiş görüntülerini sağlamışlardır Bu uydular, zemin ışınımı hakkında daha önceki bulguları doğrulamışlar, gama-ışın dalgaboyundaki gökyüzünün ilk kez detaylı bir haritasını çıkarmışlar ve bazı nokta kaynakları tespit etmişlerdir Ancak bu cihazların düşük çözünürlüğü bu nokta kaynakların tam tanımlamasını yapmayı güçleştirmiştir

Gama-ışın astronomisinin en büyük keşiflerinden biri, 1960’ların sonu 1970’lerin başında, soğuk savaş döneminde ABD ve Sovyetler Birliğinin birbirlerinin nükleer testlerini tespit etmek üzere uzaya gönderdikleri uydular ile yapılmıştır Bu uydular her iki devletin istihbaratına da katkı sağladılarsa da en büyük katkıyı uzayda da benzer patlamaların olduğunu göstererek gama-ışın astronomisine yapmışlardır Bu patlamalar bugünde takip edilmektedir fakat daha önceden belirlenemeyen yerlerde ve çok kısa sürelerle ortaya çıkıp kaybolmalarından dolayı haklarında hala genel kabul görmüş bir model bulunmamaktadır

1977’de Nasa, Great Observatories programına bir gama-ışın uydu-teleskopu da eklediğini duyurmuştur Compton Gama-Işın Teleskopu (Compton Gamma-Ray Observatory, CGRO) 1970 ve 1980’lerin teknolojileri kullanılarak hazırlanmış ve 1991 yılında fırlatılmıştır Uydu 2000 yılının Haziran ayında jiroskoplarından birinin arızalanması sebebiyle düşürülene kadar yüksek enerjili evren hakkında hala üzerinde çalışılan pek çok bilgi sunmuştur Ancak Compton uydusundaki teleskoplar, 1970’lerde dizayn edildikleri için kaynakların, radyo, optik ya da x-ışın teleskopları kadar iyi resimlerini alamadılar Bu arada ise gama-ışınlarını algılamak için yeni pek çok yöntem ve kullanılmak üzere yeni pek çok materyal geliştirilmiştir Bu yeni teknolojinin kullanıldığı ilk uydu ESA tarafından geliştirilen INTEGRAL uydusudur Geliştirilmekte olan bir diğer teleskopta (2006 yılında fırlatılması planlanıyor) Gama-Işın Geniş Alan Teleskopu GLAST’tır (Gamma-ray Large Area Space Telescope) GLAST şu andaki teleskoplardan çok daha yüksek çözünürlükte tüm gökyüzü haritaları hazırlayacaktır

Bu gibi teleskoplar bilim adamlarına yüksek enerjili evreni daha temiz ve daha detaylı bir şekilde görme imkanı verecektir