Relativistik Elektronlardan Sinkrotron Radyasyonu. Bixat-2018 (Bilimsel Araştırmalarda X-Işınları Analiz Teknikleri -1) Eylül 2018

Relativistik Elektronlardan Sinkrotron Radyasyonu

• Bremsstrahlung durumunda olduğu gibi, manyetik alan çizgileri etrafında elektronlar (yüklü parçacıklar) hızlandırıldığında sinkrotron radyasyonu meydana gelir.

• Radyasyonun spektrumun x-ışını bölgesinde olması için, bu elektronlar

göreceli hızlarda (ışık hızına yakın) hareket etmelidir, böylece yollarını

değiştirmek ve tepki olarak daha fazla enerjiyi serbest bırakmak için

• Eğer hızlar göreceliyse (fermi ivmelenmesi onları bu hızlara

getirir), daha sonra radyasyon ışıması oluşur, burada rölativistik

etkiler radyasyonun manyetik alan çizgisi yönünde dar bir

açıklığa sıkıştırılmasına neden olur.

Ters Compton Saçılımı

• Relativistik bir elektron, yavaş hareket eden bir foton ile çarpıştığında enerjisinin bir miktarını verebilir, böylece fotonu daha yüksek enerjilere ivmelendirebilir.

• Bu işlem, bir elektronun yavaş hareket eden bir elektrona enerji kazandırabileceği Compton saçılmasının tam tersidir.

• Compton Saçılımından gelen X-ışınları, süpernova ve aktif galaktik

çekirdeklerde (AGN'ler) yaygın olarak görülür.

• X-ışınları, bir X-ışını tüpü olarak ta bilinen X-ışını makinesinde üretilir.

• Hızlandırılmış elektronların tungsten çekirdekleri ile tüp anodu içerisinde etkileşimi ile iki tip radyasyon üretilir.

- Karakteristik radyasyon

- Bremsstrahlung (frenleme) radyasyonu

• X-ışını makinesinin akımının veya voltaj ayarlarının değiştirilmesi X-ışını

X-ışını Tüpü

• Filaman voltajındaki (1) küçük bir artış, tüp akımında (2) büyük bir artışa neden olur, bu da yüksek sıcaklıklı filaman katodundan (3) yüksek hızlı elektronları bir vakum içinde pozitif bir tungsten hedef anoduna doğru hızlandırır. Bu anot (4), üretilen ısıyı dağıtmak için döner. X-ışınları tungsten anodu içinde üretilir ve bir X-ışını demeti (5)

Karakteristik X-ışını Üretimi

Yüksek enerjili bir elektronunun (1) bir iç

kabuk elektronuna (2) çarpması durumunda,

her ikisi de iç tabakada bir 'delik' bırakan

tungsten atomundan dışarı atılır. Bu, bir X‐ışını

fotonu (4) olarak yayılan enerji kaybıyla bir dış

Bremsstrahlung (Frenleme) X-ışını Üretimi

• Bir elektron çekirdeğin yanından geçtiğinde yavaşlar ve yolu saptırılır. Kaybolan enerji bremsstrahlung X-ışını fotonu olarak yayılır.

Bremsstrahlung = Frenleme radyasyonu

• X-ışınının demetinin içindeki X-ışını

popülasyonunun yaklaşık %80'i, bu şekilde

üretilen X-ışınlarından oluşmaktadır.

X-ışını Spektrumu

• Karakteristik ve bremsstrahlung radyasyon üretimi sonucunda X-ışını demeti içinde bir X-ışını enerjisi spektrumu üretilir.

• Bu spektrum, X-ışını tüpü akımını veya

voltaj ayarlarını değiştirerek veya düşük

enerji X-ışınlarını seçmek için filtreler

X-Işını Tüpleri

• Roentgen / Gaz Dolu Tüpler

• Coolidge / Vakum Tüpleri

• En erken x-ışını tüpleri, düşük basınçta (veya tercihen kısmi bir vakum) katot, anot ve antikatot içeren hava ile doldurulmuş bir cam düzenekten oluşmuştur.

Roentgen / Gaz Dolu Tüpler

Coolidge / Vakum Tüpleri

Diş hekimliğinde kullanılan tipte bir vakum x-ışını tüpü.

• Günümüzde kullanımda olan x-ışını tüpleri bir vakumla doldurulmuştur.

• Bu tamamen yeni çeşit x-ışını tüpü, 1913 yılında Amerikan elektrik mühendisi William Coolidge (1873-1975) tarafından icat edildi.

• Aynı yıl Coolidge, tungstenden çok ince bir tel yapmak için yeni bir teknik geliştirdi.

• 1913'ten sonra yapılan neredeyse tüm akkor ampuller, Coolidge işlemi

• Coolidge ışık ampulleri üzerinde çalışırken, dikkatini röntgen tüplerine çevirdi.

• 1913'ten sonra yapılan her x-ışını tüpü, ampullerde kullanılan işlemi kullanarak yapılmış bir tungsten filaman içerir.

• Tipik bir vakum x-ışını tüpünde, elektronlar ısıtılmış bir katottan büyük bir potansiyel farkı ile bir metal anoduna doğru hızlandırılır.

• Filaman sıcaklığının değiştirilmesi elektron akımını değiştirdiğinden, daha sıcak bir katot soğuk olandan daha fazla elektron salgılar.

• Bir elektron, anoda çarptığında bir x-ışını fotonu üreteceğinden, tüpten geçen daha fazla elektron, tüpten yayılan daha fazla x-ışını fotonları anlamına gelir.

• Tüpteki voltaj, elektronların anoda çarptıklarındaki kinetik enerjisini belirler ki bu da x-ışını fotonlarının nüfuz gücünü belirler.

• Elektron başına daha fazla enerji, x-ışını başına daha fazla enerji demektir

• Bir x-ışını tüpü, belirli bir enerji dönüştürücü olarak işlev görür, elektrik enerjisini alır ve onu diğer iki enerji biçimine dönüştürür:

- x-ışını radyasyonu - ısı

• Isı bu dönüşüm sürecinin istenmeyen ürünü olarak kabul edilir; bu nedenle

elektronlardan enerji alarak ve fotonlara dönüştürülerek x-ışını radyasyonu

oluşturulur.

William Coolidge'nin 1913 patent başvurusundan "tamamen yeni bir çeşit" x-ışını tüpünün şematik diyagramı. Hemen

• X-ışını tüpü iki temel öğe içerir:

- Katot: Bir elektron kaynağı sağlar.

- Anot: Elektronlar için hedef olarak hareket eder ve x-ışınlarını salar.

• Ek bileşenler şunlardır:

- Genişleme körükleri (yağın genişlemesi için boşluk sağlar) - Tüp zarfı (boşaltılmış)

- Tüp gövdesi

- Soğutma dielektrik yağı - Rotor

- İndüksiyon statoru

• Vakum, destek ve elektrik yalıtımı sağlayan kılıf içinde katot ve anot bulunur.

• Zarflar çoğunlukla camdan yapılır, ancak bazı tüpler seramikten veya hatta metalden oluşan zarflar içerir.

• Kullanılan enerji, sisteme bağlı bir elektrik devresi ile bağlı olan jeneratörden sağlanır.

• Jeneratörün ayrıca, x-ışını tüpünün ihtiyaç duyduğu şekilde alternatif akımı

• X-ışını radyasyonun kalitesi ve miktarı;

- elektrik parametrelerinin (tüpe uygulanan voltaj (kV), tüpten akan akım (mA))

- pozlama süresinin (genellikle saniyenin bir kesri)

ayarlanmasıyla kontrol edilir.

• Katot, 2000 Ԩ civarına ısıtılan sarımlı bir teldir (genellikle tungsten).

• Termoiyonik emisyon yoluyla elektronlar yayar.

• Evde sobaya bir bardak su koyup kaynattığınızda ve bir iki saat mutfaktan ayrılıp geri döndüğünüzde bardağın boşalması mümkündür.

• Bu bir katottaki elektronlarla oluşmaz ve ayrılanlar daima yenileriyle değiştirilir.

• Eğer değiştirilmezse karşılıklı itme nedeniyle kuşkusuz parçalanacak olan pozitif yüklü iyonların toplanmasıyla sonuçlanır.

• Anot, hedef yüzü çapraz olarak kesilmiş ve başka bir metal (genellikle platin) ile kaplanmış olan nispeten büyük bir bakır ısı soğurucudur.

• Hedefin çapraz olarak kesilmesi, yayılan x-ışınlarının gelen elektronlardan farklı bir açıyla yüzeyden ayrılması içindir.

• 45°'lik bir kesim, x-ışınlarının tüpün eksenine dik çıkmasını sağlar.

• Elektronlara verilen kinetik enerjinin %99'undan fazlası anotta ısıya dönüştürülür ve geri kalan %1 de frenleme radyasyonu olarak yayılır.

• Bu ısı hedefi eritebileceğinden, Coolidge'nin çözümü, küçük bir motor kullanarak hedefi döndürmek oldu.

• Bu, sıcak noktanın, anotta kalıcı bir hasara neden olacak kadar uzun

bir süre tek bir yerde kalmamasını sağlamıştır (Bazı x-ışını tüpleri suyla

X Işınlarının Madde İle Etkileşmesi

• X-Işınları: Dalgalar ve Fotonlar

• Saçılma (Esnek / Esnek olmayan)

• Soğurulma

• Kırınım ve Yansıma

• X-ışınları, bir Ångström (10

m) bölgesinde dalga boylu elektromanyetik dalgalardır. Birçok durumda tek renkli bir X ışını demetiyle ilgilenir.

X-Işınları: Dalgalar ve Fotonlar

• Demetin yönü, elektrik E ve manyetik H, alanlara dik olacak şekilde, z ekseni boyunca alınır. Basitlik için, sadece elektrik alanını göz önünde bulundurup manyetik alanı ihmal edeceğiz. Şeklin üst kısmı, belirli bir zamanda elektromanyetik alanın uzaysal bağımlılığını göstermektedir. Dalga boyu λ veya eşdeğeri dalga sayısı ⁄ ile karakterize edilir. Matematiksel olarak, elektrik alan genliği, gerçek formunda, veya daha kompakt kompleks formu

şeklinde bir sinüs dalgası olarak ifade edilir.

• Şeklin alt kısmı, monokromatik düzlem dalgasının alternatif bir gösterimidir.

Sadece dalga tepeleri (z eksenine dik olan tam çizgiler) gösterilmiştir ki, z eksenine dik bir düzlemde herhangi bir yerde sabit olan bir elektrik alanı olan bir düzlem dalgası olduğunu vurgular. Bir demet asla ideal olarak kolime edilmemesine rağmen, bir düzlem dalgasının yaklaşımı genellikle geçerlidir.

• z-ekseni boyunca yayılan bir düzlem dalgasının uzaysal ve zamansal değişimi, basit bir ifadede kapsanabilir: . Daha genel olarak üç boyutta, elektrik alanın polarizasyonu bir birim vektör ̂ ve yayılma yönü boyunca dalgavektörü olarak yazılır. Öyleki

, ̂ ^.

• Elektromanyetik dalgalar enine olduğu için,

̂. 0 ve

. . 0

yazabiliriz.

• Bu, lineer olarak polarize olmuş elektromanyetik bir düzlem dalganın klasik tanımıdır. Kuantum mekanik bir perspektiften bakıldığında, tek renkli bir ışın demeti, her biri enerjisine ve momentumuna sahip olan fotonlarla kuantize olmuş olarak görülmektedir. Bir ışının yoğunluğu (şiddeti), birim zaman başına belirli bir alandan geçen fotonların sayısı ile verilir. Yoğunluk aynı zamanda elektrik alanının karesiyle orantılı olduğundan, alanın büyüklüğünün kuantize olması takip eder.

• Angström birimindeki λ dalga boyu ve keV birimindeki foton enerjisi arasındaki sayısal ilişki

,

ile verilir.

• Bir X-ışını fotonu bir atom ile iki yoldan biriyle etkileşir: saçılabilir veya soğurulabilir.

• X-ışınları çok sayıda atom veya molekülden oluşan yoğun bir ortamla etkileştiğinde, çevresindeki vakumla birlikte (veya havayla) bir arayüzle kontinyum olarak malzemeye davranmak bazen daha uygundur. Arayüzde X-ışını demeti kırılır ve yansıtılır.

• Fotonlar madde içinden geçerken ya atomların çekirdekleri ya da yörünge elektronları ile etkileşirler. Etkileşmede rol oynayan en önemli olaylar fotoelektrik soğurma, Koherent Saçılma, Compton saçılması ve çift oluşumudur. Bu olaylar sonucunda foton ya soğurulur veya enerjisinin bir kısmını maddede bırakarak saçılır ya da hiç enerji bırakmadan orjinal yönünden sapar.

X-ışınlarının Madde ile Etkileşmesi

Esnek saçılma (Elastic scattering)

Saçılma (Esnek / Esnek olmayan)

• Bu etkileşmede radyasyonun dalga boyunda bir değişiklik olmaz, yalnızca yönü değişir. İki tip koherent saçılma vardır: Thomson saçılması ve Rayleigh saçılması.

• Thomson saçılması: Atomdaki tek bir elektrondan meydana gelen saçılma.

• Rayleigh saçılması: Atom veya moleküldeki bütün elektronlardan aynı şekilde (coherent) meydana gelen saçılma.

Esnek olmayan saçılma (Inelastic scattering)

• Bu tip saçılmada gelen foton enerji kaybetmektedir. Compton saçılması buna örnek olarak verilebilir. Düşük atom numaralı maddelerde, enerjileri 30 keV ile 20 MeV arasında olan fotonlar için Compton saçılması çok önemli bir etkileşmedir. Compton saçılma olayında serbest kabul edilebilen bir elektronla etkileşen bir foton, elektrona enerjisinin ve momentumunun bir kısmını aktararak orjinal yönünden sapar.

• Compton bir grafit blok üzerine x-ışınları demeti göndererek, saçılan x- ışınlarının gelenlere kıyasla biraz daha uzun dalgaboylu (düşük enerjili) olduklarını gözledi. Dalgaboyundaki (enerji) değişim, Compton kayması olarak isimlendirilir ve x-ışınlarının saçılma açısına bağlıdır.

• Çarpışmadan önce hareketsiz olan elektron, çarpışmadan sonra momentum kazanacaktır. Ayrıca gelen X-ışınının ilerleme yönünde ve dik yönde momentum korunacaktır.  ve , sırasıyla, X-ışını ve elektronun saçılma açılarıdır. Toplam enerjinin ve momentumun korunumu ifadeleri yazılıp gerekli işlemler yapıldığında

1 bağıntısı elde edilir.

Çift oluşum

• Enerjisi 1.02 MeV’den büyük olan bir foton, bir atomun çekirdeği ile etkileştiğinde yok olur ve onun yerine bir elektron - pozitron çifti oluşur. Bir elektronun kütlesi 0.51 MeV’e eşit olduğundan çift oluşumun ağır bir çekirdek yakınında gerçekleşebilmesi için minimum foton enerjisinin 1.02 MeV olması gereklidir.

• Soğurma olayı neticesinde aşağıdaki olaylardan bir tanesi meydana gelebilir.

- Fotoelektronlar (fotoelektrik etki) - Karakteristik X-ışınları

- Auger elektronları

Soğurma

Fotoelektronlar

• İlk olarak Heinrich Hertz (1887) tarafından gözlenen fotoelektrik etkinin açıklaması Albert Einstein (1905) tarafından yapılarak 1921 yılında Nobel Fizik Ödülü ile sonuçlanmıştır. Fotoelektrik etki, bir kaynaktan yayılan ışık veya daha yüksek enerjili elektromanyetik dalganın (morötesi ışın veya x- ışını) bir madde (metaller, metal olmayan katılar, sıvılar veya gazlar) yüzeyine düşmesi sonucu maddeden elektron yayınlanması olayıdır.

Maddeden yayınlanan bu elektronlar fotoelektron olarak adlandırılır.

Karakteristik X-ışınları

Karakteristik x-ışınları, elektronları daha düşük atomik enerji seviyeleri arasında geçiş yaptığında ağır elementlerden yayılır.

• Yukardaki resimde iki keskin tepe olarak gösterilen karakteristik x-ışını emisyonu, atomun n = 1 veya K-kabuğunda boşluklar oluşturulduğunda ve boşluğun doldurulması için elektronların yukarıdan aşağıya doğru düştüğünde meydana gelir.

• n = 2'den n = 1 seviyelerine geçişlerle üretilen x-ışınları K-alfa x-ışınları olarak adlandırılır ve n = 3 → 1 geçişi için olanlar K-beta x-ışınları olarak adlandırılır.

• n = 2 veya L-kabuğuna geçişler L x-ışınları olarak tanımlanır n = 3 → 2, L-alfa

n = 4 → 2, L-beta vb.

• Şekildeki iki keskin tepenin tabanını oluşturan x-ışınlarının sürekli dağılımına "bremsstrahlung" radyasyonu denir.

• X-ışını üretimi tipik olarak, yüzlerce kilovolt potansiyeliyle hızlandırılan yüksek hızlı elektronlara sahip bir x-ışını tüpündeki bir metal hedefin bombardımanını içerir. Bombardıman elektronları, elektronları metal hedefin atomlarının iç kabuklarından çıkarabilir. Bu boşluklar, hızlı bir şekilde hedef atomlarının atomik enerji seviyeleri arasındaki farka bağlı olarak tanımlanmış frekanslarla x-ışınları yayan yüksek seviyelerden

• Karakteristik x-ışınlarının frekansları Bohr modelinden tahmin edilebilir.

Moseley, karakteristik x-ışınlarının frekanslarını periyodik tablonun elemanlarının büyük bir kısmında ölçtü ve şimdi "Moseley çizimi" olarak adlandırılan bir çizim üretti.

• X-ışını kırınımı ile kristal yapının araştırılması için karakteristik x-ışınları kullanılır.

Auger Elektronları

• Auger etkisi, bir atomdaki bir iç elektron enerji seviyesindeki boşluğun, aynı atomun bir dış enerji seviyesinden bir elektron tarafından doldurulmasıdır. İlgili fazla enerji, bir Auger elektronu olarak bilinen başka bir elektronun yayılmasına neden olur. Auger elektronları, Lise Meitner (1923'te) ve Fransız fizikçi Pierre Victor Auger (1925'te) tarafından bağımsız olarak keşfedildi, ancak İngilizce konuşan bilim topluluğu etkiye Auger'in ismini etiketledi.

• Auger etkisi, karakteristik enerjili elektronların, atomdaki başka bir elektron tarafından aşağıya doğru bir geçişe yanıt olarak atomlardan dışarı atıldığı bir süreçtir. Bir iç kabuk elektronu bir atomdan çıkarılırsa, daha yüksek bir seviyeden bir elektron, boşluğu doldurmak için aşağıya doğru geçişi hızlı bir şekilde yapar.

Bazen bu geçişe, kuantum enerjisi üst ve alt seviye arasındaki enerji boşluğuyla eşleşen yayılan bir foton eşlik eder. Ağır atomlar için bu kuantum enerjisi x-ışını bölgesinde olacağından, yaygın olarak x-ışını floresansı denir.

• Daha hafif atomlar ve dış elektronlar için bu emisyon süreci çizgi spektrumlarına yol açar. Diğer durumlarda, aşağı doğru geçişle açığa çıkan enerji, bir foton yerine dış elektronlardan birine verilir ve bu elektron atomdan elektron tarafından kaybedilen enerjiye eşit bir enerji ile atılır.

Yorumlamada optik spektrumlardan daha çok yer almasına rağmen, bu yayılan elektronların enerji spektrumu analizi atomik enerji seviyeleri hakkında bilgi verir (Auger spektroskopisi).

• Bir numune elektronlarla bombardımana tutulduğunda ve iç kabuk iyonizasyonu ile üretilen karakteristik bir X-ışını bir elektronu yeniden soğurulup bir elektronu fırlatıp attığında Auger elektronları üretilir.

• Örneğin, bir Si-K (K-L1) X-ışını (1690 eV enerjisi) bir numuneden yayılabilir veya enerjisini L2,3 kabuğuna (bağlanma enerjisi ~ 70 eV) aktarabilir ve Si KL1L2,3 Auger elektronu çıkartabilir (enerji 1620 eV).

X-ışınlarının kırınımı ve yansıması

• Kristal yapı, üç boyutlu uzayda düzgün tekrarlanan bir deseni temel alan bir atomik yapıya sahiptir. Bu nedenle, katıların kristal yapısı, yapıda bulunan atom gruplarının ya da moleküllerin katıya özgü olacak şekilde geometrik düzende bir araya gelmesi ile oluşur.

• İlk kez Max van Laue tarafından kristal yapı ve yapı içerisindeki atomların dizilişleri X-ışını kırınım desenleri kullanılarak incelenmiştir.

• Kristaller düzenli atom dizileridir ve X-ışınları elektromanyetik radyasyon dalgaları olarak düşünülebilir. Atomlar, X-ışını dalgalarının birincil olarak elektronları vasıtasıyla saçılmasına neden olur. Deniz fenerine çarpan bir okyanus dalgasının fenerden uzaklaşan ikincil dairesel dalgalar oluşturması gibi bir elektrona çarpan X-ışını dalgası da elektrondan uzaklaşan ikincil küresel dalgalar oluşturur. Bu olay esnek saçılma ve elektron saçıcı olarak bilinir.

• Düzenli olarak yerleştirilmiş saçıcılar düzenli küresel dalgalar oluşturur. Bu dalgalar yıkıcı girişimden dolayı çoğu yönlerde birbirini yok etseler de belli birkaç yönde birbirinin üstüne binerek yapıcı girişim oluştururlar ki, bu da Bragg saçılma kanunuyla bulunur:

2d sin θ = n λ

• Burada d kırınım yüzeyleri arasındaki mesafe, θ geliş açısı, n bir tam sayı ve

• Özel yönler kırınım deseni üzerinde yansıma tabir edilen spotlar oluştururlar. Yani X-ışını kırınımı bir elektromanyetik dalganın (X-ışını) düzenli yerleştirilmiş saçıcılardan (kristal içindeki atomların tekrarlanan düzenli dizilişi) sekmesinin bir sonucudur.

Zeolit örneğine ait kırınım deseni

• Kırınım deseni oluşturmada X-ışınları kullanılmaktadır çünkü dalga boyları λ, kristalin içindeki yüzeyler arasındaki mesafe d ile aynı büyüklük mertebesindedir (1–100 Å). Prensipte düzenli saçıcılara çarpan her dalga, ilk kez Francesco Maria Grimaldi tarafından 1665’te söylendiği gibi kırınım oluşturabilir. Kayda değer bir kırınım oluşabilmesi için, saçıcılarla bunlara çarpan dalgaların boyunun birbirine yakın büyüklükte olması gereklidir.

• Kristallerin bir kırınım ağı olarak kullanılabileceğ fikri 1912’de Paul Peter Ewald ve Max von Laue arasında Münih’te bulunan English Garden’daki bir sohbette ortaya çıkmıştır.

Ewald tezleri için bir kristal rezonatör fikrini ortaya atmış, ancak görünür ışığın dalga boyu rezonatörlerin arasındaki mesafeden çok büyük olduğu için modelinin geçerliliği test edilememişti. Von Laue bu kadar küçük mesafeleri gözleyebilmek için daha küçük dalgaboyuna ihtiyaç olduğunu fark etti ve X-ışınlarının kristallerdeki birim-hücre ile mukayese edilebilir dalga boyuna sahip olabileceğini ileri sürdü.

• Von Laue bir X-ışını demetini bakır sülfat kristaline göndererek kırınım desenini bir fotoğrafik levhaya kaydetti. Banyodan sonra levha üzerinde merkezi demet çevresinde birbiriyle kesişen çemberlerden oluşan çok sayıda belirgin spotların düzenli bir desen oluşturduğu görüldü. Von Laue saçılma açılarıyla kristaldeki birim-hücreler arası mesafelerinin büyüklük ve yönelmesi arasındaki ilişkiyi açıklayan ve 1914’te Nobel Fizik Ödülünü almasına vesile olan bir kanun geliştirdi.

Dedektörler Sistemleri Rezolüsyon ve Verim

• Yarıiletken Dedektörler

• Foton Dedektörlerinin Genel Karakteristikleri

• Yarıiletken Dedektörlerin Fiziksel Özellikleri

• Dedektör konfigürasyonları

• Dedektör-Kryostat-Önamplifikatör Sistemi

• Elektronikler

• Spektrumun İncelenmesi

• Rezolüsyon (Ayırma Gücü)

Birçok foton dedektörü (gaz dedektörleri, NaI(Tl) sintilatörleri, Ge(Li), HPGe ve Si(Li) yarıiletken dedektörleri) dedeksiyon ve ölçüm işlemlerinde benzer bir seri aşamalara dayanır. Bu dedektörlerin çoğu aynı zamanda, elektronları ve ağır yüklü parçacıkları saymakta da kullanılır.

Foton Dedektörlerinin Genel Karakteristikleri

Bu dedektörlerin çalışması aşağıdakileri prensipleri içerir:

• Fotoelektrik soğurma, Compton saçılması veya çift oluşumuyla foton enerjisinin elektronların (ve pozitronların) kinetik enerjisine dönüşümü.

• Bu elektronlarla, uyarılmış moleküler seviyelerin, elektron-delik çiftlerinin veya elektron iyon çiftlerinin oluşumu.

• Moleküler seviyelerin deekzitasyonu ile yayılan ışığın veya yük

• Bir kaynaktan yayılan bir foton spektrumu genellikle her biri tek enerjili olan foton grupları tarafından oluşturulur. Bir dedektör böyle bir çizgi spektrumunu, çizgi ve sürekli bileşenlerin bir birleşimine dönüştürür.

Çizgiler gözlenebildikçe, dedektörler orijinal fotonların şiddetlerini ve enerjilerini tayin etmede kullanılabilir.

• Tek enerjili fotonlar için çizgiler veya pikler üretmede dedektörün kabiliyeti pik verimi ve pik genişliğiyle karakterize edilir.

• Genişlik genellikle keV biriminde FWHM olarak tanımlanır. Aynı zamanda rezolüsyon (ayırma gücü) olarak ta adlandırılır.

• Dedektörün pik verimi, tüm foton enerjisinin soğurulmasına uygun pikteki (yani tam-enerji pikinde) sayımların sayısının kaynaktan yayılan o enerjideki fotonların sayısına oranıdır.

• Hem pik genişliği hem de pik verimi foton enerjisinin fonksiyonudur.

• Foton enerjisinin elektronların veya pozitronların kinetik enerjisine dönüşümünde dedektör materyalinin yoğunluğu, atom numarası ve hacmi önemlidir. Eğer materyal düşük yoğunluk, düşük Z ve küçük hacimde ise, etkileşme yapacak olan fotonun ihtimaliyeti düşük olacak ve eğer bir etkileşme oluşursa dedektörde tutulan tüm foton enerjisinin ihtimaliyeti de düşük olacaktır. Bundan dolayı bir çizgi spektrumu ölçmek için böyle bir dedektörün kullanımı düşük enerjili fotonlarla sınırlandırılabilir. Yüksek enerjili fotonlar için, tek enerjili çizgiler kaybolabilir ve yalnız bir kontinyum gözlenir. Yani, böyle bir dedektör mevcut fotonların sayısını saymak için kullanılabilir. Fakat bir enerji spektrumu ölçmede sınırlı kalacaktır.

• İyonizasyon odası olarak tanımlanan bir gazlı sayıcı, elektrik alan uygulanmış bir gaz hacminden oluşur. Genellikle gaz hacmi, yüzeyin dışında olan bir elektrotla ve silindir ekseni boyunca olan diğer bir telle silindiriktir. Tipik dedektör çapı 2 veya 3 cm ve dedektör gazı metan veya argon-metan karışımı olabilir. Böylece bu dedektörler düşük yoğunluklu materyallerden oluşur ve makul bir küçük kalınlığa sahiptir. Bunun anlamı, onların fotonları saymak için düşük verime sahip olduğu ve orta bir foton enerjisinde (örneğin 200 keV) spektrumda çizgi bileşenlerini oluşturmada ve tüm foton enerjisini soğurmada ihtimaliyetlerinin çok düşük olduğudur. Bununla birlikte bu sistemler için özel ve kantitatif kullanımlar vardır.

Eğer aynı çekirdeğin iki kaynağının aktivitesini kıyaslama istenirse, bu dedektörlerin bazı biçimleriyle bu iş doğru olarak yapılabilir.

• Gaz dedektörlerine kıyasla NaI(Tl) sintilasyon dedektörleri yüksek yoğunluktaki yüksek Z’li materyallerden oluşur ve genellikle büyük bir kalınlığa sahiptir (tipik olarak 8 cm). Yani bunların fotonları dedekte etme ve tüm foton enerjisini soğurma ihtimaliyetleri daha yüksektir. Gerçekte bu dedektörler birkaç MeV enerjilerde oldukça kullanışlıdır.

• Si ve Ge yarıiletken dedektörleri, NaI(Tl) dedektörleri gibi gaz dedektörleri üzerinde bazı avantajlara sahiptir. Fakat onlar NaI(Tl) dedektörlerinin iyodundan daha düşük Z’ye sahiptirler ve boyut olarak ta küçüktürler. Bundan dolayı NaI(Tl) dedektörlerine kıyasla bazı dezavantajlara sahiptirler. Si ve Ge dedektörlerinin kendi aralarında Ge, hem daha yüksek Z hem de Silisyumunkinin karesi kadar daha fazla yoğunluğa sahip olduğundan daha fazla avantaja sahiptir.

• Işıktan ziyade yükün toplandığı bu dedektörler için en önemli nicelik kaç tane elektron-delik çifti veya yük taşıyıcısının oluşacağıdır. Bu işlemde istatistiksel değişimler olabilecektir. Öyle ki oluşan çiftlerin sayısı ne kadar büyükse bu değişim daha sabit olacaktır. Yani tek enerjili radyasyondan gelen çizgilerin genişliği daha dar olacaktır.

• Yarıiletken dedektörler esasen katıhal iyonizasyon odaları olduğundan, gazlı sayıcılar ve yarıiletken dedektörler direk olarak kıyaslanabilir. Bunlar arasındaki en büyük fark, bir yük taşıyıcı çifti oluşturmak için gerekli ortalama enerjidedir.

• Gazlı dedektörler için bu yaklaşık 30 eV, yarıiletken dedektörler için ise yaklaşık 3 eV’dur. Bu değerlerden yarıiletken dedektörlerde oluşan spektrumların çok daha az istatistiksel genişlemeyle piklere sahip olacağı söylenebilir. Diğer taraftan NaI(Tl) dedektörlerinin çalışması yükten ziyade ışığın toplanmasına bağlı olduğundan direk olarak kıyaslanmayabilir.

Fakat bir ışık fotonu üretmek için gerekli ortalama enerji yaklaşık 100 eV’dur.

• Yük taşıyıcıları veya ışığın ölçümü ve toplanması için önemli özellikler, dedektör tipine bağlı olacaktır ve dedektör materyalinin kalitesinin önemli olacağı hariç genelleştirilmez. Aslında her bir dedektör tipinin gelişimi yüksek kaliteli dedektör materyalinin üretiminde metotların gelişmesini gerektirir.

Dedektör tipleri arasında kıyaslanabilen diğer özellikler vardır fakat onlar daha az sayıdadır. Böyle bir özellik background radyasyonundan olan sayma oranı olabilir. Aynı zamanda dedektör siteminin maliyeti ve onun işlem kolaylığı da kıyaslanabilir.

• Silisyum veya germanyum gibi yarıiletken malzemelerin bir tek kristalinde belirgin şekilde tanımlanan atomik elektron durumları, bir bütün olarak kristalin karakteristiği olan enerji bantlarına genişletilebilir.

• Uyarmanın yokluğunda, dış elektronlar valans bandı olarak adlandırılan bir enerji bandına bağlıdırlar. Sonraki daha yüksek durum, bant aralığı olarak bilinen bir enerjiyle valans bandından ayrılan iletim bandına bağlıdır.

Yarıiletken Dedektörlerin Fiziksel Özellikleri

• Tabloda görüldüğü gibi bu kristallerin bant aralığı 1 eV mertebesindedir. Eğer safsızlıklar mevcut değilse, aralık izin verilmeyen enerji durumları içermez.

Si Ge

Atom numarası 14 32

Atomik ağırlığı 28,09 72,60

Yoğunluk, g.cm^‐3(300 K’de) 2,33 5,33

Dielektirk sabiti 12 16

Yasak enerji aralığı, eV (300 K’de) 1,115 0,665 Yasak enerji aralığı, eV (0 K’de) 1,165 0,746 Özden taşıyıcı yoğunluğu, cm^‐3(300 K’de) 1,5.10¹⁰ 2,4.10¹³ Özden direnç, ohm.cm (300 K’de) 2,3.10⁵ 47 Elektron moblitesi, cm²/V.s (300 K’de) 1350 3900 Elektron moblitesi, cm²/V.s (77 K’de) 2,1.10⁴ 3,6.10⁴ Delik moblitesi, cm²/V.s (300 K’de) 480 1900 Delik moblitesi, cm²/V.s (77 K’de) 1,1.10⁴ 4,2.10⁴ Elektron‐delik çifti başına enerji, eV (300

K’de)

3,62

Elektron‐delik çifti başına enerji, eV (77 K’de) 3,76 2,96

Fano Faktörü (77 K’de) 0,084 0,08

Tablo 1. Özden silisyum ve germanyumun özellikleri

• Bir elektron, en azından bant aralığınınkine eşit olan bir enerjinin ona verilmesiyle, valans bandından iletim bandına geçebilir. İletim bandındayken elektron, uygulanan dış elektrik alanın etkisinin altında hareket etmek için serbesttir ve bir elektrotta toplanabilir. Elektron uyarılmasından kaynaklanan valans bandındaki boşluk veya delik, elektronunkine zıt yönde elektron transfer mekanizmasıyla hareket eder. Elektronlar ve deliklerin hareketi için mekanizmalar farklı olduğundan, kristalin içinde hareket eden iki yükün hızı (yani mobiliteleri) farklı olacaktır. Tabloda gösterildiği gibi, bu dedektörlerin genellikle ortak olarak işletildiği sıcaklık olan 77 K’de bu fark Si için yaklaşık 2 katı, fakat Ge için yalnızca %15’dir. Hem elektron hem de delik yükleri puls şeklinde toplandığından, puls şekli (zamanın fonksiyonu olarak voltaj) farklı mobiliteleri yansıtacaktır.

• Bir foton kristalle etkileştiğinde, bağlı elektronlar etkileşmeden çıkan birincil elektronlarla iletim bandına uyarılır. Bu elektronlar, eğer yeterince enerjik ise, ilave ikincil elektronlar oluşturabilir. Bu ardışık işlemler boyunca birincil elektron enerjisi, aygıtın elektrotlarında toplanmak için serbest olan birçok elektron-delik çifti üretiminde tüketilir. Bu yükü toplamak için yaklaşık 1000 V/cm’lik bir elektrik alan gereklidir.

• Her bir dedektör için farklı bir besleme voltajı olabilir. Bu voltaj, bir voltaj düşmesi ihtimaliyetini minimize etmede yeterince küçük, iyi bir yük toplaması ve dolayısıyla iyi bir pik şekillenimi sağlamak için yeterince büyük seçilir.

• Pratikte yarıiletken kristal kusursuz veya safsızlıklardan yoksun olmadığından bir foton dedektörü olarak onun işlemesi daha karışıktır. Bor, alüminyum, galyum veya indiyum gibi üç değerlikli elektronlarla safsızlığın bir etkisi, kristal yapının içine serbest deliklerin girmesidir. Bunlar elektronları alabildiğinden akseptör (alıcı) safsızlıkları olarak adlandırılır. Benzer şekilde, fosfor, arsenik, antimon gibi beş değerlikli elektronlarla safsızlıklar serbest elektronları yapıya sokar.

Bunlar, elektronlar verebildiğinden donor (verici) safsızlığı olarak adlandırılır.

• Böyle bir kristale uygulanan elektrik alanı, bu deliklerin veya elektronların varlığına dayanan bir elektrik akımıyla sonuçlanır. Bu akımdaki istatistiksel değişmeler, foton etkileşmeleri için pulsların dedekte edilebildiği seviyenin altında bir gürültü seviyesi tanımlar.

• Yarıiletken dedektörlerin ilk zamanlarındaki materyalleri için, akseptör safsızlıklarının varlığından olan gürültü seviyesi herhangi bir fotondan ileri gelen pulsları tamamen maskeleyebilirdi. Kabul edilebilir bir seviyeye bu kararlı durum akımını indirgemek için kristalin içinde serbest yük taşıyıcılarından yoksun bir intirinsik bölge oluşturmak gerekliydi. Bu germanyum materyaline lityum iyonlarının sürüklenmesiyle yapıldı.

• Lityum p-tipi kristalin üst yüzeyine bırakıldı ve onun hacminin büyük bir kısmına doğru sürüklendi. Bir arayer donor safsızlığı olan lityum, bir intirinsik bölge oluşturmayla akseptör safsızlıklarını dengeleyecektir. Bu lityum sürüklenmiş germanyum veya Ge(Li) dedektörü olarak adlandırılır. Bu tipin bir düzlem dedektörünün yapısı aşağıdaki Şekil a’da gösterilmektedir.

• Üst yüzeydeki fazla lityum, bir elektrik kontağı gibi görev yapan oldukça katkılanmış n⁺ tabaka ile sonuçlanır ve karşı yüzeyde dengelenmemiş (kompanse olmamış) ince bir tabaka kalır. Böyle bir dedektörde lityum önemli ölçüde oda sıcaklığında sürüklenmeye devam edecektir. Bundan dolayı dedektör, nakliye sırasında dâhil, daima soğuk (genellikle sıvı azot sıcaklığı) saklanmalıdır.

• Yeterince saf germanyum materyali için arzulanan intirinsik bölge, bir diyot yapısı oluşturulmasıyla dengelenmeksizin direk olarak ta yapılabilir. Bu yapı p-tipi germanyumun bir yüzeyine lityum buharlaştırılmasıyla elde edilir ve kısa bir mesafe ve zaman periyodu için germanyumun içine difüz edilmesine izin verilir. Bu n⁺-p kavşağına uygulanan bir ters besleme, bir intirinsik bölge oluşturmak için her iki yüzeydeki kavşaktan çoğunluk taşıyıcılarını iter. Serbest taşıyıcıların gerileme işlemi, yüklü atomlar tarafından indüklenen elektrostatik alanın uygulanan dış elektrik potansiyelden kaynaklanan alanı dengeleyene kadar kavşağın her iki tarafında da devam eder. Deplasyon bölgesinin kalınlığı uygulanan alan ve materyaldeki safsızlık konsantrasyonuyla ilgilidir. Yukarıdaki şekil b’de gösterilen bu dedektör, intirinsik (özden) veya yüksek-saflıkta Ge (HPGe) dedektörü olarak adlandırılır. Ge(Li)

• Lityum sürüklenmiş Ge dedektörleri cm³ başına 10¹² mertebesinde safsızlık atomlu materyallerden yapılır. Fakat bu materyal yüksek-saflıkta Ge dedektörleri yapmak için yeterince saf değildir. Yüksek-saflıkta Ge dedektörleri, akseptör yerlerinin sayısı eksi donor yerlerinin sayısı 10⁹ cm^-3 mertebesinde olan materyal gerektirir.

• Foton etkileşmeleriyle iletim bandına uyarılan elektronlara ilave olarak, burada termal olarak uyarılan elektronlarda vardır. Uyarmanın bu modu istatistiksel gürültü backgroundu (temel sayma) üretir. Bu gürültüyü azaltmak için yarıiletken foton dedektörleri düşük sıcaklıklarda çalıştırılmalıdır.

• Makul bir işlemin mümkün olduğu en yüksek sıcaklık, kristal safsızlıklarının ve kusurlarının çokluğu ve tipine bağlıdır. Her ne kadar kabul edilebilir işlem oldukça büyük bir sıcaklık aralığında başarılabilse de, pratik işlem sıcaklığı sıvı

• Germanyum ve silisyum yarıiletken dedektörleri değişik şekillerde ve belirli boyutlarda başarılı şekilde üretilmektedir. Dedektör boyutları ve onların şekilleri, ilk olarak saf germanyum veya silisyumun uygun bloklarının veya külçelerinin maksimum boyutlarıyla, ikinci olarak ta üretim işleminde oluşan intirinsik bölge derinliğiyle belirlendi. Bundan dolayı farklı dedektör şekilleri, farklı yarıiletken materyaller ve üretim teknikleri geliştiği için mümkün oldu.

Dedektör konfigürasyonları

• Si(Li), Ge(Li) ve yüksek saflıkta Ge dedektörleri düzlem

geometride yapılmakla birlikte, aynı zamanda Ge(Li)

dedektörleri aşağıdaki Şekilde gösterilen ilk iki geometride ve

yüksek saflıkta Ge dedektörleri bu konfigürasyonların son

üçünde yapılmaktadır.

Şekil. Değişik Ge ve Ge(Li) dedektörlerin konfigürasyonları: (a) açık-uç coaxial Ge(Li);

(b) kapalı-uç coaxial p-tipi materyal; (c) kapalı- uç coaxial n-tipi materyal; (d) kuyu dedektör.

Elektrik kontaklarının tipik kalınlıkları gösterilmiştir.

• İlk dedektörler, en basit yapım yolu olduğu için düzlem tipteydiler. Bu dedektörlerin çapı, 7 mm’den 10 mm’ye kadar Li sürüklenmiş dedektör yapmak için yeterli kalınlık ve külçe boyutu ile sınırlıydı.

• Daha sonra Li sürüklenmiş derinlikte, bu limit içinde dedektör hacmini artırmak için true-coaxial geometri geliştirildi.

• Son olarak kapalı uç geometrisi materyalin belirli bir hacmi için daha büyük bir hassas hacim sağladı. Bu aynı zamanda kaynağa yakın hassas hacmin artmasıyla

• Şekilde son yıllarda üretilen farklı tipteki Ge dedektörleri için çalışma aralıkları karşılaştırılmalı olarak verilmektedir. Görüldüğü üzere Ultra düşük enerjili germanyum (Ultra LEGe) dedektörü düşük enerji bölgesinde ölçüm yapabilmektedir.

• Yüksek saflıkta p-tipi germanyum sürüklenmiş dedektörler yüksek saflıkta germanyum dedektörleriyle büyük ölçüde yer değiştirdi.

• Bir kaç yıl sonra yüksek saflıkta n-tipi dedektör materyali geliştirildi ve ince bir giriş penceresiyle kapalı uç coaxial dedektör yapmak için kullanıldı.

• Kuyu dedektörleri, kuyu içine yerleştirmek için yeterince küçük olan kaynaklar için çok yüksek verim elde etmek için geliştirildi.

• Bu dedektör geometrilerinin tümü hala belirli ölçüm tipleri için avantaja sahip olduğundan kullanımdadır. Tablo, değişik geometrilerde yarıiletken dedektörler için ticari olarak uygun olan boyut aralığını vermektedir.

Tablo. Üretici literatüründen tipik dedektör boyutları ve rezolüsyonları

Tip Boyut Rezolüsyon (keV) Si(Li) Alan (cm²) 5,9 keV 122 keV 1332 keV 0,12 0,16-0,17

0,28 0,17-0,18 0,80 0,18-0,19

2,0 0,22-0,25

Ge planar^a Derinlik (cm) Çap (cm)

0,5 0,6 0,145 0,55-0,48 0,5-1,0 1,0 0,24-0,18 0,57-0,49 0,5-1,0 1,6 0,29-0,20 0,59-0,50 0,5-1,3 2,5 0,46-0,30 0,72-0,54 1,0-1,3 5,1 0,62-0,54 0,77-0,72 Verim (%)^b

Ge coaxial

n-tip 10 0,66-0,74 0,8-1,0 1,8-2,0 20 0,69-0,79 0,85-1,0 1,8-2,0 30 0,72-0,84 0,9-1,0 1,9-2,2

p-tip 10 0,82-1,0 1,7-2,0 20 0,85-1,1 1,8-2,0 40 0,88-1,2 1,9-2,2 50 0,95-1,2 2,1-2,5

• Dedektörde elektrik alan, pasif veya iletken olmayan dedektör yüzey alanıyla ayrılan iki elektriksel olarak iletken dedektör yüzeyleri arasına bir dış voltajın uygulanmasıyla üretilir.

• Bir kontak için P- veya Li-difüz edilmiş tabaka, diğerleri için buharlaştırılmış veya iyon implante edilmiş metal film gibi değişik tipte elektrik kontakları kullanılmaktadır.

• Difüz edilmiş kontak n⁺ tabakadır ve pozitif elektrottur. Metal kontak ise p⁺ tabakadır ve negatif elektrottur.

• Doğal olarak difüz edilmiş kontak kalın olacaktır ve metal kontak daha ince olacaktır. Örneğin bazı modern dedektörlerde 600 mm’lik Li-difüz edilmiş kontak 0,3 mm’lik bir bor iyon- implanted kontakla birlikte kullanılmaktadır.

• Bu kontaklar, yük taşıyıcılarının toplanmadığı ve bundan dolayı ölü tabaka olarak adlandırılan soğurucu bir materyal tabakası oluşturur.

• Düzlem HPGe dedektörleri için, ince kontak ön yüzeydedir. Öyle ki düşük enerjili fotonlar hassa hacme ulaşabilir.

• P-tip coaxial Ge dedektörleri için, difüz edilmiş kontak dış yüzey üzerindedir. Ve bu yaklaşık 40 keV üzerinde onların kullanışlı enerji aralığını sınırlar.

• Aksine n-tipi coaxial bir dedektör çok ince bir ön kontağa sahiptir ve 5 keV’den aşağıya kullanılabilir.

• Düzlemsel konfigürasyonda elektrik alan deplasyon bölgesi boyunca hemen hemen düzgündür. Bu, düzgün ve iyi yük toplama oluşumu avantajına sahiptir.

Bununla birlikte, bunun kenarlarında yük toplama özelliklerinde zamanla değişim olabilir. Düzlem dedektörler değişik kalınlıklarda yapılabilir ve bu tasarlanmış ölçümler için optimizasyaon sağlar. Eğer sadece 80 keV’in altındaki gibi düşük enerjili fotonları saymayla ilgileniyorsak, ince bir dedektör kullanabiliriz ve bununla yüksek enerjili fotonlardan gelen spektral temel saymayı indirgeyebiliriz.

• Daha büyük dedektörler arasında open-end coaxial birimler, eksenel yönde düzgün olan elektrik alana sahiptir. Bu düzgünlük koinsidans ölçümleri için daha iyi zamanlama karakteristiği sunar. Elektrot olmayan dedektör yüzeyleri dikkatli şekilde hazırlanmalıdır. Burada, dedektörün performansını etkileyecek olan yüzey boyunca bir sızıntı akımı olabilir. Bu akımın büyüklüğü uygun yüzey davranışına bağlı olacaktır. Closed-end coaxial geometrinin bir avantajı yüzey alanının minimum olmasıdır.

• Şekilde farklı dedektör tipleri için tipik tam enerji pik verim eğrileri gösterilmektedir. Bu eğriler, p-tipi ve n-tipi konfigürasyonlar arasında düşük enerji farkı ve coaxial dedektörler için boyuttan dolayı farklılık gösterir. Aynı boyutta oldukça coaxial Ge(Li) veya p-tipi Ge dedektörlerin verimleri arasında özde fark yoktur.

(1) Si(Li); (2) p-tipi planar Ge; (3) Ge(Li) veya p-type coaxial Ge;

(4) n-tipi coaxial Ge dedektörleri için tipik verim eğrileri

Dedektör montajı aşağıdakileri sağlamalıdır:

• dedektörün soğutulması

• yüksek kaliteli vakum

• ısı transferinin önlenmesi

• elektrik kontaklar için montaj

• dış titreşimlerden izolasyon

• fotonlar için giriş penceresi

Dedektör-Kryostat-Önamplifikatör Sistemi

• Tipik bir dedektör montajı şematik ve fotoğrafik olarak aşağıda gösterilmektedir.

• Dedektörün soğutulması normal olarak, metal bir çubuğun bir ucunun sıvı azot tankına sokulması diğer ucunun da dedektöre bağlanmasıyla başarılır.

Her ne kadar genellikle 30 litreye kadar kapasiteli büyük bir sıvı azot devarı sistemi kullanılsa da, şimdi birkaç litre sıvı azot alan ve bir gün veya birkaç saat için soğutma amacıyla kullanılan küçük devarlar da vardır.

• Küçük dedektör sistemleri taşımak için yeterince küçüktür. Böylece alan ölçümleri kolaylıkla yapılabilir.

• Eğer dedektörün ısınması planlanıyorsa veya kaçınılmazsa, dedektör sıcaklığı önemli ölçüde yükselmeden önce dedektör beslemesi indirilmelidir.

• Yüksek kaliteli vakum, performansın azalmasına sebep olan dedektör yüzeyine kirliliklerin toplanmasını minimize etmek için gereklidir. Dedektörün yalıtılmış yüzeylerinin kirliliği bir voltaj kesilmesiyle sonuçlanabilir. Bu vakum, en sonunda montajda toplanan gazları yakalamak için sisteme bazı soğurucu materyallerin (bir moleküler elek gibi) yerleştirilmesi ve montajın pompalanmasıyla fabrikada sağlanır. Birçok durumda ön yükselticinin ilk aşama veya aşamaları vakumda monte edilir.

• Dedektör montajının dışı oda sıcaklığında ve dedektör 77 K veya yakınlarında olduğu için termal bir kalkan, dış yüzeyden dedektöre ısıyı transferi önlemek için gereklidir. Vakum, iletken veya konvektif ısı transferine karşı bir kalkan gibi davranır ve yansıtıcı materyaller ısıma transferine karşı kalkan gibi kullanılır.

• Montaj, gerekli elektrik kontakları ve yalıtımı sağlamalıdır. Tüm dedektörler üzerlerinde bir beslemeye sahiptir ve bazı durumlarda bu 4000 V’u aşabilir. Böyle büyük bir voltajla sistem, herhangi bir yerde bir voltaj arızasını önlemek için dikkatli bir şekilde tasarlanmalıdır. Böyle bir boşalma önyükselticinin ön ucundaki transistöre kolaylıkla zarar verebilir ve bundan dolayı tamir yapmak için vakum sisteminin yeniden açılması ve dedektör yüzeylerinin yeniden onarımı gerekir.

Böyle yeniden onarım genellikle yeniden kalibrasyona kadar uzanan dedektörün karakteristiklerini değiştirir.

• Montaj sistemi aynı zamanda dış titreşimlerden onun elektroniklerini korumalı ve dedektörü izole eden bir çevre sağlamalıdır. Eğer bu yoksa böyle titreşimler spektrumda yersiz sayımlar üreten ve fotonların ürettiği pulsların gözlenmesini önleyen büyük gürültülere sebep olacaktır.

• Dedektörün verimini direk olarak etkileyen montaj sisteminin bir özelliği de, montajın ön penceresinde foton soğurmasıdır. Bu pencere genellikle berilyum veya alüminyumdan yapılır. Fakat özel durumlarda bakır veya diğer materyallerden de yapılabilir. Berilyum özellikle Si(Li), düzlemsel Ge ve n-tipi coaxial Ge dedektörlerde düşük enerjilerde foton soğurulmasını minimize etmek için kullanılır. Bakır ve magnezyum son zamanlarda dedektör malzemesinden gelen background radyasyonunu minimize etmek istenen sistemler için kullanılmaktadır. Tabloda ticari sistemler için kullanılan berilyum ve alüminyumun tipik kalınlıkları foton soğurmalarıyla birlikte verilmektedir.

Tablo. Yarıiletken dedektörler için değişik pencere materyallerinin kalınlıkları ve normal gelme için onlardan geçen foton geçişi

Malzeme Kalınlık Geçirme faktörü

m) (inç) 1 keV 2 keV 5 keV 10 keV 20 keV 50 keV Be 7,5

12,5 25 50 125 250 500

0,0003 0,0005 0,001 0,002 0,005 0,010 0,020

0,45 0,27 0,071 0,005 0,000 0,000 0,000

0,91 0,85 0,72 0,52 0,20 0,038 0,001

0,994 0,990 0,98 0,96 0,91 0,83 0,68

0,999 0,999 0,997 0,994 0,986 0,97 0,94

1,000 0,999 0,999 0,998 0,995 0,990 0,98

1,000 1,000 0,999 0,999 0,996 0,993 0,986 Al 25

50 125 250

0,001 0,002 0,005 0,010

0,000 0,000 0,000 0,000

0,000 0,000 0,000 0,000

0,28 0,077 0,002 0,000

0,84 0,71 0,42 0,17

0,98 0,96 0,89 0,80

0,998 0,995 0,988 0,98

• Sıvı azot devarı ve kryostat birçok konfigürasyonda bir araya gelir.

Bunlarda birkaçı Şekilde gösterilmektedir. Bu konfigürasyonlar kullanıcıya onun deneyi için gerekli pozisyonda dedektörü yerleştirmesine izin verir.

Uzun soğuk çubuklu konfigürasyonlar dedektörün bir yere veya bir nesnenin içine yerleştirilmesine izin verir. Burada sıvı azot devarı daha yaygın olan kısa boyunlu versiyonlarla onun yerleşimine mani olur. Bu uzun boyunlu dedektörler özellikle, büyük iç hacimden dolayı vakumun kalitesi hakkında ve uzun boyunlu titreşimin ihtimaliyetinden dolayı mikrofonikler hakkında ilgi gerektirir.

Şekil. Yarıiletken dedektörler için birçok montaj konfigürasyonunun bir kaçı. (a) düşey konum (b) yatay konum (c) yana bakan (d) aşağıya bakan.

Elektronikler

• Detektör ve puls işleme elektroniği arasındaki ilk eleman detektöre mümkün olduğunca yakın tutulan önyükselteçtir. Önyükselteçlerin görevi detektörden gelen göreceli olarak küçük sinyali büyütmek, detektör ve sonraki bileşenler arasında direnç seviyesini düzenlemek, daha sonraki işlemler için sinyal şeklini ayarlamak ve biçimlendirmektir.

Önyükselteçler

• Detektörde kapasitans yüklenmesinin en aza indirilmesi için detektör ve önyükselteç arasında uzun bağlantı kabloları kullanmaktan kaçınılmalıdır.

Önyükselteç kapasitansı hızlıca yok ederek sinyal-gürültü oranının maksimum olmasını sağlar. Önyükselteçler puls şekillendirmesi yapmazlar ve çıkışları lineer kuyruklu bir pulstur. Çıkış pulsunun doğuş zamanı detektörün yük toplama süresine uygun olacak şekilde mümkün olduğunca kısa tutulur. Pulsun azalım zamanı ise uzundur (50–100 ms) ve detektördeki tüm yük toplanabilir. Şekilde ön yükselteç puls şekli gösterilmektedir.

Şekil. Önyükselteç çıkısındaki puls şekli

• Önyükselteçler voltaja veya yüke hassas olarak tasarımlanırlar. Voltaja hassas önyükselteçler girişe gelen voltaj pulsunun genliği ile orantılı genliğe sahip çıkış pulsu oluştururlar. Giriş devresinin zaman sabiti, yük toplama zamanına göre büyük ise giriş pulsunun genliği V_max=Q/C şeklinde ifade edilir. Burada C giriş kapasitansıdır. Birçok detektörde giriş kapasitansı sabittir, bu yüzden voltaja hassas önyükselteç ile üretilen çıkış pulsu gelen radyasyon tarafından oluşturulan Q yükü ile orantılıdır. Eğer giriş kapasitansı değişirse istenilen orantı özelliği kaybolur. Örneğin yarıiletken diyot detektörlerde, detektör kapasitansı çalışma parametreleriyle değişebilir. Bu gibi durumlarda V_max ve Q arasındaki orantı kaybolduğu için voltaja hassas önyükselteçler kullanılmaz. Bu sorunun çözümünde yüke hassas önyükselteçler kullanılır. Giriş kapasitansındaki herhangi bir değişiklik çıkış voltajında önemli bir etkiye neden olmaz.

• Önyükselteçler için en önemli sorunlardan birisi gürültüdür. Gürültünün kaynağı önyükselteç girişinin yüklendiği kapasitanstır. Giriş kapasitansı, doğal detektör kapasitansı ve detektör ile önyükselteç arasındaki bağlantı kablolarından meydana gelebilir. Bundan dolayı bağlantı kablolarını mümkün olduğunca kısa tutmak ve gereğinden fazla doğal kapasitansı olmayan detektör seçmek önemlidir.

Çoğu radyasyon detektörleri çalışmaları için dışarıdan uygulanacak bir yüksek gerilime ihtiyaç duyarlar. Bu gerilim genellikle detektör beslemesi olarak adlandırılır. Detektör besleme kaynaklarının önemli özellikleri şunlardır:

• Minimum ve maksimum gerilim seviyesi ve polaritesi

• Cihazdan sağlanan maksimum akım

• Geçiş geriliminde veya sıcaklık değişimlerine bağlı olarak meydana gelen sapmalara karşı düzeltme derecesi

• Alçak frekans gürültülerini veya frekanstaki oynamaları önleme derecesi

Yüksek gerilim kaynakları

• Besleme kaynağının özellikleri detektör tipine bağlıdır. Sintilasyon sayıcılarıyla birlikte kullanılan fotoçoğaltıcı tüplerde birkaç miliamperlik akım ve 3000 V kadar gerilim gerekebilir. Aynı zamanda fotoçogaltıcı tüpte yüksek gerilim seviyesindeki dalgalanmalardan dolayı meydana gelen kazanç değişimlerini önlemek için çıkış iyi düzenlenmiş olmalıdır. Geniş hacimli germanyum detektörler için 5000 V’ a kadar gerilim gerekir ancak akım değeri çok düşüktür.

• Önyükselteçten gelen sinyallerin yeniden şekillendirildiği ve yükseltildiği elemanlardır. Göreceli olarak uzun olan önyükselteç zaman sabiti sinyallerin üst üste binmesine neden olur. Yükselteç çıkış sinyalleri kısalır, fakat zaman ve genlik bilgisinde önemli bir kayıp olmaz. Şekilde önyükselteçten yükseltece gelen sinyaller gösterilmiştir.

Yükselteçler

Şekil. Önyükselteçten yükseltece gelen sinyallin şematik gösterimi

Yükseltecin önemli özellikleri şunlardır:

• Sinyal yükseltilmesi

• Puls yığılması ve fazla yüklemeyi en aza indirerek yüksek sayım hızlarında performansı maksimum yapacak puls şekillenmesi

• Toplanan yükün doğru bir şekilde ölçüleceği ve balistik zarar etkisinin olmayacağı bir puls şekillenmesi

• Yüksek sayım hızlarındaki performansını korumak için puls yığılması ve temel seviye korunması için devreler

• Ayrı ayrı her puls genliğinin sinyal-gürültü oranını en iyi şekilde analiz edecek puls şekillenmesi

• Puls şekillenmesinde dikkate alınan en önemli husus sayım hızı ve ayırma gücü arasındaki çelişkidir. Yüksek sayım hızlarında çift kutuplu ve genişliği az olan pulslar istenirken en iyi ayırma gücü için tek kutuplu geniş puls istenir. Şekilde tek ve çift kutuplu sinyal pulsları gösterilmiştir.

Tek ve çift kutuplu sinyal pulslar

• ADC, yükselteçten gelen analog elektrik sinyallerini sayısal sinyallere dönüştüren elektronik parçadır. ADC performansı, dönüşümün hızına, dönüşümün doğrusallığına ve dönüşümün ayırma gücüne bağlıdır.

• Ayırma gücü kanal sayısıyla belirlenir. Genliği aynı olan pulslar her zaman aynı kanalda kaydedilecektir. Oluşan kanal sayıları 2’nin üssü şeklinde artar. Örneğin, 8 bitten oluşan ADC, 2⁸ (256) tane kanal olusturur.13 bitten oluşan ADC’de kanal sayısı 2¹³ (8192)’dür.

Analog-Sayısal Dönüştürücü (ADC)

• Spektrumun kaydedileceği kanal sayısı ADC’ nin dönüşüm kazancı ile ayarlanır ve giriş genliğinin yayılacağı maksimum kanal sayısını belirtir.

Örnek olarak, dönüşüm kazancı 8192 kanal olursa, 0–3 MeV ADC’de 3 MeV’lik puls 8192. kanalda kaydedilir.

• İhtiyaç duyulan kanal sayısı giriş pulsunun sinyal gürültü oranına büyük ölçüde bağlıdır. Eğer gürültü fazla ise ADC’nin bit sayısını fazla seçmek gürültünün de sayısal hale getirilmesine neden olur. Yüksek sinyal-gürültü oranı varsa bit sayısı fazla olan ADC kullanılmalıdır. İdeal dönüşüm

• ADC dönüşüm hızı veya ölü zamanı, çok kanallı analizörün ölü zamanını sınırlayan faktördür.

• Puls analizinde kullanılan ADC çeşitleri; lineer dönüştürücüler, ardışık yaklaşım devreleri ve hızlı ADC’lerdir.

• Lineer dönüştürücüler en yavaş olmasına rağmen doğrusallığı en iyi olanıdır.

Ardışık yaklaşımlı ve hızlı ADC daha hızlı dönüşüm zamanına sahiptir fakat doğrusallıkları kötüdür.

• Çok kanallı analizör, spektrum analizinin kolayca yapılabilmesine imkân veren elektronik bir sistemdir. ADC’de sinyal isleme aşamalarından geçen sinyaller uygun adresleme düzeni yapabilen MCA’da çubuklu histogram şeklinde görülebilir. Sinyaller MCA’nın kanal olarak tanımlanan hafıza bölgelerinde depolanır. Sinyal işleme aşamasında hafızada kaydedilen spektrum, monitörde gözlenir, analiz edilir ve bir bilgisayara aktarılır. Gama spektrometrelerinde, çok kanallı analizörler bilgi saklama ve işleme ünitesidir.

Çok Kanallı Analizör (MCA)

• Şekilde çok kanallı analizörün çalışma prensibi temsili olarak anlatılmaktadır. Bir MCA, bir mikroişlemci ve birbiriyle ilişkili hafıza, monitör, sinyal işlemcisi, kullanıcı paneli ve veri girdi/çıktısı kısımlarından oluşur. Mikroişlemci kontrol ünitesi olup, hafızada sürekli kalan ve silinmeyen bir programdan analizörle ilgili bilgileri okuyan kısımdır. Bu kısım, MCA fonksiyonlarını kontrol ederek, anakart üzerinden gönderdiği emirlerle diğer kısımların işlevlerini yönlendirir.

Çok kanallı analizörün temsili

Spektrumun İncelenmesi

Örnek EDS spektrumu

Bir spektrumda karşılaşılabilecek olan durumlar şöyle sıralanabilir:

• Spektrumun temel sayması

• Sayaçtan Compton geri tepme tepesi

• Kaçak tepeler

• Karakteristik tepeler

• Üst üste binme (pile-up) tepeleri

• Compton tepeleri

• Koherent tepeler