Yüklü Parçacıklar

Yüklü parçacıklar genellikle madde içerisinden geçerken enerji kaybı ve geliĢ doğrultularından sapmaları gibi iki ana özellikle karakterize edilmektedir. Bu etkiler öncelikler yüklü parçacıkların maddenin elektronları ile inelastik çarpıĢması ve çekirdekten elastik saçılmasının neticesinde oluĢmaktadır.hafif yüklü parçacıklar ve ağır yüklü parçacıklar olarak iki grup Ģeklinde incelemek gerekmektedir.

2.2.1.1 Ağır Yüklü Parçacıklar

Ağır yüklü bir parçacık soğurucu bir ortama girdiğinde, ortamdaki atomların yörünge elektronların negatif yükü ile kendi pozitif yükleri arasında Coulomb kuvveti ile etkileĢmektedir. Ağır yüklü parçacıkların madde içerisindeki enerji kaybından inelastik çarpıĢmalar sorumlu olmaktadır. Bu etkileĢmelerde gelen parçacığın kinetik enerjisi atomun iyonlaĢma enerjisinden yeterince büyük ise, enerjisini yolu üzerindeki atomları iyonlaĢtırmak için maddeye aktarmaktadır (Knoll, 2002). ġekil 2.1’ de atomun yüklü bir parçacıkla etkileĢimi Ģematik olarak verilmektedir.Bu bağlamdaçok sayıda iyon çifti meydana gelmektedir.Soğurucu ortamın atomundan kopan elektron negatif iyonu, geriye kalan atom da pozitif iyonu meydana getirmektedir. Bu durum yüklü parçacığın enerjisinin tamamını kaybedip duruncaya kadar devam etmektedir.Meydana gelen negatif iyon (e^-) tekrar ikincil bir

iyonlaĢmaya sebep olmaktadır. Bu elektronlar delta-ıĢınları olarakifade edilmektedir. ġekil 2.1’ de delta ıĢınlarının oluĢumu Ģematik olarak gösterilmiĢtir (Knoll, 2002).

ġekil 2.1 : Atomun yüklü bir parçacıkla etkileĢimi (ġahin, 2013).

Ağır yüklü parçacıkların atomik elektonlarla çarpıĢmaları yollarında herhangi bir değiĢiklik meydana getirmemektedir. Madde içinde kat ettikleri yol doğrusal olmaktadır. Bu sebeple, yüklü parçacıklar, verilen bir soğurucu madde içinde belirli bir menzil ile karakterize edilebilirler. Menzil, parçacıkların madde içerisinde duruncaya kadar aldıkları yol olarak tanımlanmaktadır. ġekil 2.2’de alfa parçacıklarının doğrusal hareketi gösterilmektedir.

Yüklü parçacığın madde ile etkileĢme mekanizması olan iyonlaĢmanın yanı sıra bir diğer mekanizma elektronların uyarılmasıdır. Bu durum, gelen ağır yüklü parçacık iyonizasyon enerjisinden daha büyük enerjiye sahip değilse gerçekleĢmektedir. Soğurucu maddenin atom veya molekülü gelen parçacığın enerjisinin bir kısmını soğurarak daha yüksek bir enerji seviyesine çıkmaktadır. Soğurucu madeye bağlı olarak uyarılmıĢ atom ya da molekül sonradan görünür bölgede foton ıĢını yayınlayarak daha düĢük enerji seviyesine veya taban durumuna döner.ġekil 2.3’ te atomun uyarılması Ģematik olarak verilmektedir.

ġekil 2.3 : Atomun yüklü parçacık ile uyarılması (ġahin, 2013).

Yüklü parçacıklar çekirdeklerle de reaksiyon verebilmektedirler. Fakat, atomun yarıçapı atom çekirdeğinin yarıçapından çok büyük olduğundan, atomun bir elektronu ile reaksiyonu daha olasıdır. Bu durumda büyük kütleli çekirdek, atomda değiĢiklik meydana getirmeksizin coulomb itmesi ile ağır yüklü parçacıkların yön değiĢtirmesine sebep olmaktadır (Knoll, 2002).

2.2.1.2 Hafif Yüklü Parçacıklar

Elektronların ve pozitronların madde içerisindeki etkileĢmeleri birbiri ile benzerlik göstermektedir. Beta parçacıklarının madde ile etkileĢmesi ağır yüklü parçacıklarda olduğu gibi iyonlaĢma ve uyarılma ile ortamdaki çekirdeğin elektrik alanından kaynaklanmaktadır.Elektron ve pozitron gibi hafif yüklü parçacıklar aynı enerjili ağır yüklü parçacıklarla karĢılaĢtırıldıklarında kütleleri küçük olduğundan hızları yüksek olmaktadır. Hızları diğer bir deyiĢle enerjileri yüksek olan beta parçacıkları bir çekirdek alanından geçtiği zaman, radyasyon yolu ile bir enerji kaybına uğramaktadır. Bu enerji Bremsstrahlung yada frenleme radyasyonu denilen sürekli X

ıĢını spektrumu Ģeklinde görülmektedir. Bu radyasyon elektronun ivmelenmesinden dolayı ortaya çıkmakta, çekirdeğin elektriksel çekimi yüzünden izlediği yolda sapma meydana getirmektedir. Beta ıĢınlarının enerjisi bir kaç MeV veya daha düĢük ise bu radyasyonla enerji kaybı düĢük olmaktadır. Bu nedenle, beta parçacıkları enerjilerinin büyük bir kısmını ortamın yörünge elektronları ile çarpıĢmaya yada Moller ve Bhabha Ģaçılmasına kaybetmektedir.Moller Ģacılması elektronun ortamdaki atomun elektronları ile esnek olmayan Ģaçılması, Bhabha Ģaçılması ise pozitronların atomun elektronları ile esnek olmayan saçılması olarak ifade edilmektedir. Bunun sonucunda parçacığın izlediği yörünge zikzaklı olmaktadır. Yani beta parçacıklaının yolları ağır yüklü parçacıkların yolları gibi düz olmamaktadır (Knoll, 2002). Bu nedenle betaların yolları alfalara göre daha uzun olmaktadır. Alfa ve beta parçacıklarının madde içindeki hareketleri Ģematik olarak Ģekil 2.4’ te görülmektedir.

ġekil 2.4 : Alfa ve beta parçacıklarının menzilleri(Powsner ve Powsner, 2006). Betaların enerjisi artırıldığında, radyasyonla enerji kaybı aniden yükselmektedir. Bu Ģekilde parçacığın enerji kaybı çarpıĢma-iyonizasyonla enerji kaybından büyük veya yakın olmaktadır. Frenleme radyasyonu ile enerji kaybının çarpıĢmayla enerji kaybına eĢit olduğundaki parçacığın enerjisi kritik enerji olarak ifade

edilmektedir(Knoll, 2002, Leo, 1987). ġekil 2.5’ te görüldüğü gibi kritik enerjinin üzerinde radyasyonla enerji kaybı baskın olmaktadır.Bu bağlamda, bremsstrahlung olarak ifade edilen bu elektromanyetik radyasyonun ortaya çıkması ve yüksek enerjilerde baskın hale gelmesi,beta radyasyonuna karĢı zırhlanma söz konusu olduğunda ilave problem oluĢturmaktadır.

ġekil 2.5 : Elektronun madde içindeki enerji kaybı (Das ve Ferbel, 2003). Bir atomda meydana gelen bremsstrahlung olayının frekansı beta parçacığının kütlesiyle ters, maddenin atom numarasının karesiyle doğru orantılı olarak artmaktadır. Bu, beta radyasyonuna karĢı zırhlama durumunda bremsstrahlung olayını azaltmak için düĢük atom numaralı malzemelerin kullanılması gerektiği sonucunu vermektedir. Bir beta kaynağı, enerjileri sıfırdan baĢlayıp karakteristik bir maksimum enerjiye uzanan beta ıĢınları yayınlar. Ortalama beta enerjisi çoğu durumlarda yaklaĢık maksimum enerjinin (Emaks) 1/3’ü olarak kabul edilmektedir. Beta parçacıklarının malzemeye nüfuz gücü parçacıkların enerjilerine bağlıdır(L’Annunziata, 2003). Örneğin 1 MeV enerjili bir beta parçacığı havada yaklaĢık 3.5 m yol alabilmektedir. Bu nedenle beta radyasyonundan korunmada kullanılacak malzemenin seçimi ve kalınlık tayini, en yüksek enerjili beta parçacığının enerjisine (örneğin 90Sr 0.546 MeV’lik beta yayınlarken Yavru çekirdeği 90Y 2.27 MeV’lik beta yayınlar)göre yapılmalıdır(L’Annunziata, 2003). Çizelge 2.5’te çeĢitli enerjide beta radyasyonunu soğurabilecek maddelerin kalınlıkları verilmiĢtir.

Çizelge 2.5 : Bazı beta radyasyonları için zırh kalınlıkları(L’Annunziata, 2003). Enerji (MeV) ^Plastik

(cm) Beton (cm) Alüminyum (cm) 0.5 0.254 0.127 0.127 1.0 0.508 0.254 0.254 2.0 0.762 0.508 0.508 3.0 1.016 0.762 0.762

Bremsstrahlung olayı enerjileri 1 MeV’in üzerindeki beta parçacıkları için önem kazanmaktadır. Küçük atom numaralı elementten yapılan bir kap içine konacak beta kaynağından oluĢabilecek bremsstrahlung ıĢınlarının tutulması için kabın etrafı büyük atom numaralı zırh malzemesiyle çevrilmelidir (Das ve Ferbel, 2003).