3. MALZEME VE YÖNTEM
3.2 HĐBRĐT DEDEKTÖR TELESKOPLARI
Şekil 3.5: Gaz-silikon-sintilasyon hibrit dedektör teleskobun şematik bir gösterimi.
Gaz dedektörleri, 50-150 torr iso-butone ile doldurulmuş gaz iyonizasyon odalarıdır. Parçacık kimliklerinin belirlenmesi için bir ∆E dedektör gibi davranır. Teleskopa giren tüm parçacıklar, gaz içinde bir miktar (∆E) enerji kaybederler ve sonrada pozisyon hassas silikon strip dedektörler (PSSSD) içinde bir miktar (E) enerji kaybederler. Eğer E ; enerji, m ; kütle, Z ; yük ise enerji kaybı oranı için Bethe-Bloch formülü aşağıdaki şekilde olduğu gibi gösterilebilir.
dx dE α E mZ2 3.3
Eğer E’ye karşı dEgrafiği çizilirse, tüm olaylar mZ2 terimi tarafından belirlenen line boyunca uzanırlar, bakınız Şekil 3.6 çizimi. Bu, teleskopa giren parçacıkların kimliklerinin belirlenmesi anlamına gelmektedir.
Şekil 3.6: Parçacık belirlenmesinin şematik bir diyagramı.
Gelen parçacıklar, 3.5µm kalınlığındaki mylar pencereyi geçer ve hibrit teleskopun birinci bölümü olan gaz iyonizasyon odasına giderler. Parçacıklar enerjilerinin bir bölümünü (∆E), gaz iyonizasyon odası içinde kaybederler, bunun sonucu olarakda anotta bir sinyal üretilir. Gaz hacmi içine yerleştirilmiş bir pozisyona hassas silikon dedektör (PSSSD), iyonizasyon olaylarının pozisyonlarını ve kalan enerjiyi ölçer. Farklı elementlere ait iyonlar, silikon dedektör içinde kaybedilen enerji ve gaz dedektör içinde kaybedilen enerjinin karşılaştırılması ile birbirinden ayrılabilir.
Her bir element, Esilikon – Egaz grafiği üzerinde, kendilerine ait özgün bölgelerde toplanırlar. Bir CsI (Tl) sintilasyon kristali, PSSSD nin tam arkasına yerleştirilmiştir ve PSSSD nin silikon yongadan (wafer) geçen enerjitik hafif parçacıkların dedeksiyonunu mümkün kılan, bir fotodiyod readout ile bağlantılıdır.
Đyonların pozisyonlarının belirlenmesini sağlayan bu gaz hibrit dedektörlerini
Charissa Grubu geliştirmiştir [23]. Bu dedektörler, bir pozisyon-hassas silikon durdurma dedektörü önünde, bir gaz iyonizasyon odasından oluşurlar.
3.2.1 Gaz Đyonizasyon Odası
Gaz iyonizasyon odaları, butone gazının sürekli akışı ile bir anot grid den oluşan, 50 mm kalınlığındaki aktif bir gaz volume içerir veyaklaşık olarak 60.8 torr sabit dahili basıncı muhafaza eder. Gaz akışı ve basınç, bir elektronik valf ve feedback sistemi aracılığıyla gözlemlenir.
Bir pozisyona hassas silikon strip dedektör (PSSSD) için bias ve sinyal çıkartım devresi şematik olarak Şekil 3.7 de görülebilir. Gaz iyonizasyon odası, bir kapasitör gibi davranır ve ön amplifikatör direnci ile bağlandığı zaman, R, bir zaman sabit RC ile bir dolanıma formlanır.
Anottaki sinyallerin genişlikleri, iyonizasyon tarafından üretilen yük ile orantılıdır ve bundan dolayıda gelen iyonlar tarafından kaybolan enerji ile orantılıdır.
Bias Supply R R R R L H Load Load Rear Contact Front Resistive Layer
Pre-amplifier Pre-amplifier Silicon Semi-Conductor
Incident Particles
2 1Şekil 3.7: Silikon strip dedektörden bir strip dışarı okuyucunun şematik diyagramı.
Bir kuadrant dedektörü için verilen elektronik devrenin benzeridir, fakat gazlar için bir tane çıkış sinyali vardır [24].
Gaz-silikon hibrit dedektörler [25,26] üstünde yapılan bir önceki deneyde, sinyal yüksekliği ile depolanan enerji arasında mükemmel bir lineerlik bulunmuş ve gaz hacmi içerisinde kaybedilen enerji önceden tahmin edilebilmiştir.
3.2.2 Silikon Dedektörler
Silikon dedektörler, bir p-tipi ve bir n-tipi katman arasında bir junction’dan biçimlenen yarı-iletken aygıtlardır. Bu dedektörler, hedefe en yakın tarafta yer alan n-tipi silikon tabakadan oluşmaktadır. Bunlar iyon dikim (implantation) yöntemi ile üretilirler. Bu dedektörlerin yüzeyi, 16 strip’e ayrılmıştır. Her bir strip 3mm aktif bir genişliğe sahiptir ve aralarında 0.133 mm boşluklar vardır.
Bu dedektörlere bir yüklü tanecik girdiği zaman, p-n junction bölgesindeki elektrik alan, üretilen boşlukları ve elektronları birbirinden ayırır, burada oluşan voltaj değişimi dolayısıyla bir puls üretilir. Pulsların genliği, dedektör içindeki parçacıklar tarafından kaybedilen enerji ile orantılıdır. Şekil 3.8 de yüksek ve alçak strip sonlarında 1 kΩ (RL) dirençlerin olduğu görülebilir. Bunlar, yükün, her iki strip sonundanda toplanmasını sağlar.
Front Resistive Layer - 3 k Rear Contact 100 k 100 k 10 nF 10 nF 1 k 100 k 1 k Pre-Amp Pre-Amp (+150 V Bias Supply) Ω Ω Ω Ω Ω Ω High Low 100 kΩ Effective Resistance - 10 MΩ
Şekil 3.8: PSSSD için bias ve sinyal çıkartım devresinin şematik bir gösterimi.
Direnimli (resistive) strip, 100 kΩ ile toprakla da bağlantılıdır.Böylece kaçak akımlar dağıtılabilir. PSSSD’lerin, enerji çözünürlüğünün, Ebeam = 84 MeV enerjide 12C iyonları için, 197Au hedefi kullanılması durumunda 200 keV (FWHM) olacağı Curtis ve diğ. [23] tarafından gösterilmiştir.
Parçacık enerjisi, stripin yüksek (H) ve alçak (L) sonundaki puls genliklerinin toplamı ile orantılıdır.
Parçacık Enerjisi α H +L 3.4 Parçacık pozisyonları, yüksek ve alçak sinyal arasındaki farkın oranı aracılığıyla belirlenebilir ve aşağıdaki gibi gösterilir.
Pozisyon α L H L H + − 3.5
Bu ifade, ±1 sınırları içinde bir değer alabilir. Parçacık pozisyonlarının belirlenmesi, strip dedektörlerdeki en önemli avantajlardan biridir.
Yüklü parçacıkların büyük bir çoğunluğu, içinde bir miktar enerjinin (∆E) depolandığı, kuadrant dedektörleri geçer ve kalan enerjinin (E) depolandığı strip dedektörler de dururlar. ∆E:E oranı, parçacıkların tipine bağlıdır. Böylece bu sinyalleri karsılaştırmakla, parçacık yükünü ve muhtemel kütleyi bulmak mümkündür. Strip dedektörlerden bulunabilen pozisyon bilgisi kullanımı ile yayılma açısı bile belirlenebilir.
3.2.3 Kuadrant Dedektörler
Kuadrant dedektörler, strip dedektörlere çok benzerdir. Onlarda 50 x 50 mm2 lik bir yüzey alanına sahiptir fakat yaklaşık 70-80 µm kalınlığa sahip 25 x 25 mm2 lik dört bölgeye ayrılmıştır. Kuadrant dedektörlerinin ince olmaları ve hafif iyonların oldukça girici özellikleri nedeniyle, parçacıkların enerjileri hakkında kesin bir bilgi elde edilmesi mümkün değildir. Bununla birlikte, kuadrant dedektörler, PSSSD dedektörleri ile birlikte kullanıldıklarında, parçacıkların kimliklerinin belirleme teleskopları olarak düşünülebilir. Bir parçacık belirleme teleskopu için şematik diyagram, Şekil 3.9 da görülmektedir.
Şekil 3.9: Parçacık belirleme için dedektör konfigürasyonu.
Enerji sinyalleri, kuadrant dedektörlerin her birinden alınabilir fakat her bir kuadrantın ön kısmında sadece bir tane bağlantı vardır. Bu yüzden pozisyon bilgisinde kesinlik aranamaz (sadece strip dedektörlerin arkasında). Bunların çıkışında bir akım puls oluşur ve bu akım pulsu üretilen iyonizasyon miktarı ile orantılıdır. Dedektör içinde parçacıklar tarafından kaybolan enerji, bu puls’larin ölçülmesi ve parçacıkların hangi kuadrantı geçtiklerinin kayıt edilmesi aracılığıyla bulunabilir ; parçacık pozisyonları hakkında kabaca bir fikir elde edilebilir.
3.2.4 CsI (TI) Sintilasyon Dedektörler
PSSSD’lerin arkasında yer alan sintilasyon dedektörleri katı sezyum iyodür (CsI) kristal parçasından yapılmıştır. Bunlar parçacık enerjisi hakkında bilgi verirler, ancak parçacık pozisyonu hakkında bilgi vermezler. Ama bu bilgi zaten silikon dedektörlerden elde edilebilir. Her bir kristal 50 x 50 mm2 bir ön yüz bölümüne ve 52 MeV enerjiye sahip protonları veya 205 MeV enerjiye sahip α-parçacıklarını durdurabilen 10 mm bir derinliğe sahiptir. Kristallerin görünür yüzeyleri ışık toplamaya yardım etmek ve dışardan ışık sokmamak için 6 µm kalınlığındaki alüminyum ile kaplı mylar ile sarılmıştır.
CsI dedektörüne ulasan parçacıklar için, eğer ölçülen enerji E ve strip dedektör içerisinde kaybolan enerji ∆E ise parçacıkların ∆E:E plottan kimlikleri belirlenebilir.