PARÇACIK TANIMLAMA CÜNEYT ÇELİKTAŞ   CÜNEYT ÇELİKTAŞ Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü Bornova, İZMİR  

Konu Başlıkları Time of Flight (TOF) Nedir? TOF Nerelerde Kullanılır? Enerji Kaybı Ölçümleriyle Parçacık Tanımlaması Cerenkov Dedektörleri Geçiş Radyasyon Dedektörleri (TRD) Kalorimetreler ile Parçacık Belirleme

TOF (Time of Flight) Nedir? Yüksek enerjili fizik deneylerinde parçacık tanımlaması (belirlemesi) için kullanılan tekniklerden en genel olan bir örneği de uçuş zamanı belirlenmesi (TOF) yöntemidir.

TOF Sistemi Nerelerde Kullanılır? Tıbbi görüntüleme alanında bu metot önemli avantajlar sağlar; örneğin PET (Positron Emission Tomography) görüntüleme işlemi positron için bir TOF tekniği uygulamasıdır. Ayrıca, nötron enerjilerinin ölçümlerinde, fisyon parçaları ve ağır iyonların kütlelerinin belirlenmesinde de yararlanılır.

İnce dedektör⇒Start sinyali Kalın dedektör⇒Stop sinyali TOF sistemi

TOF SİSTEMİ Şekil 1. Ağır iyonların kütlelerinin tespitinde yararlanılan TOF sisteminin basit şeması.

  DL/L oranı diğer terimlere göre ihmal edilebilecek şekilde sistem tasarlanır.

Tamamen boşalmış yüzey engelli dedektör (totaly depleted SBD) İnce dedektör Tamamen boşalmış yüzey engelli dedektör (totaly depleted SBD) Plastilk sintilatör İkincil elektron yayınım dedektörleri (secondary –electron emission detectors) İyonizasyon odası

Şekil 2. TOF spektrometresi. TAC (Time to Amplitude Converter) sistemin en önemli parçacısıdır. Bu cihaz, genliği START ve STOP giriş sinyalleri arasındaki zaman farkına bağlı olan bir mantık pulsu (logic output) üretir. TAC tarafından üretilen pulslar da çok kanallı analizörde (MCA- Multichannel Analyzer) kayıt edilir. Şekil 2. TOF spektrometresi.

Enerji Kaybı Ölçümleriyle Parçacık Tanımlaması Parçacık dedeksiyon işleminde parçacığın enerjisinin tamamının dedektörün hassas hacmi içinde soğurulması önemlidir. Bu bakımdan gelen radyasyonun dedektörün aktif hacmi içindeki dE/dx ile gösterilen spesifik enerji kaybı büyüklüğü ile ilgilenilir.

Şekil 3. Parçacık tanımlama düzeneğinin basit resmi.  

İnce dedektör içinden geçen parçacık ilk enerjisinin büyük bir kısmını burada bırakacağından dE/dx büyüklüğüyle orantılı olan bir sinyal elde edilecektir. Bu bakımdan bu dedektörlere ∆E dedektörleri adı verilmiştir. Gelen parçacığın ilk dedektördeki dE/dx değeri ile ikinci dedektördeki E enerji kaybı miktarlarının aynı anlı ölçümü bu sistemin çalışma prensibini oluşturur. Bu nedenle yukarıda şekli verilen düzeneğe aynı zamanda parçacık belirleme teleskobu (particle identifier telescope) da denilmektedir.

  C1 ve C2 : sabit

Ele alınan parçacığı karakterize eden mZ2 terimi belirlendikten sonra bağıntıdan ileri gelen [E.(dE/dx)] çarpımı da aranan sonucu verecektir. Eğer gelen radyasyon birbirine çok yakın enerjilere sahip olan farklı parçacıkları içeriyorsa her iki dedektörden alınan puls genliklerinin çarpımı her bir farklı parçacık çeşidi için yaklaşık tek bir parametre olarak elde edilecektir.

Şekil 4. Farklı iyon karışımı için parçacık belirleme teleskobu ile deneysel olarak elde edilen ∆E.E sinyal çarpımının dağılımı. Gelen parçacık enerjisi ∆E ve E dedektörlerinden elde edilen puls genliklerinin toplanmasıyla belirlenebileceğinden, her bir gelen parçacığın kütlesi ve enerjisi bu şekilde aynı anda tespit edilebilir. Şekil 4’de bunun bir örneği gösterilmiştir.

  a ve b: sabit

Cerenkov Dedektörleri SORU: Ne zaman Cerenkov ışıması meydana gelir? CEVAP: Eğer bir yüklü parçacığın bir dielektrik ortamdaki hızı ışığın aynı ortamdaki hızından daha büyükse bir elektromanyetik radyasyon yayımlanır. Bu işlem Cerenkov ışıması olarak adlandırılır.

Şekil 5. Cerenkov ışınının meydana gelişi. Işık hızı Parçacık hızı Şekil 5. Cerenkov ışınının meydana gelişi. Yüklü parçacığın yolu üzerindeki atomlarla etkileşmesi sonucunda bu atomlar uyarılır. Uyarılmış durumdaki atomlar da UV veya görünür ışık yayımlayarak bu uyarılmış hallerinden kurtulurlar. Bu şekilde her bir uyarılmış atomun yayımladığı küresel dalgaların dalga cephesi yarı açısı θ olan bir koni şeklini oluşturur

Cerenkov Dedektörleri Diferansiyel dedektör Eşik dedektör Diferansiyel dedektör Şekil 6. Cerenkov dedektörünün iki çeşidi.

Eşik ve Diferansiyel Cerenkov Dedektörlerinin Özellikleri En basit eşik dedektörü ışıyıcı (radiator) denilen bir dielektrik ortamdır. Diferansiyel dedektörlerde ışıyıcı bir gaz ortamdır ve parçacık demeti lens düzlemine dik olarak gelmektedir. Sonuç olarak, Cerenkov dedektörleri fotoelektronlar ve pozitronlar tarafından meydana getirilen gamma ışınlarını dedekte etmek için kullanılabilirler.

Geçiş Radyasyon Dedektörleri (TRD) Birçok mevcut ve yapılması planlanan deneylerde, yüksek enerjili parçacıkların belirlenmesinde geçiş radyasyonunun etkisi kullanılır. Bu duruma bir örnek olarak ATLAS geçiş radyasyon iz (TRT, Transition Radiation Tracker) dedektörü düşünülebilir. TRT’nin bazı özellikleri şu şekilde sıralanabilir:

Şekil 7. TRT’nin temsili şekli. TRT, 370.000 küçük silindirik sürüklenme tüpünden (straw) oluşmaktadır. Bu tüpler kapton malzemeden yapılmışlardır ve üzerleri iletken bir film ile kaplanmıştır. Bir straw tüp büyük silindirik bir orantılı sayacın katodu olarak görev yapar. Tüpün merkezindeki 30 µm çaplı altın kaplanmış Tungsten bir tel ise anot olarak iş görür. Straw tüplerin etrafı ışıyıcı olarak kullanılan polypropylene veya fiber malzemeler ile doldurulmuştur. Şekil 7. TRT’nin temsili şekli.

Kalorimetreler ile Parçacık Belirleme Enerji belirlemenin yanı sıra kalorimetreler hadronlardan elektronları ayırabilme yeteneğine sahiptirler. Elektron-hadron ayırımı enine veya boyuna parçacık dağılımının karakteristiklerine bağlıdır. Şekil 8. Tüp şeklindeki kalorimetrede 100 GeV enerjili pion ve elektronların boylamasına gelişiminin karşılaştırılması.

Elektronlar kalorimetre içinde hadronlardan daha önce etkileşme yaparlar. Böylece elektronlar enerjilerinin çok büyük bir kısmını kalorimetrenin ön kısmında kaybederler. Genellikle kalorimetreler elektromanyetik ve hadron kalorimetreler olarak ayrılmıştır. Elektromanyetik kalorimetre içinde bırakılan enerjinin parçacık momentumuna oranı elektron-hadron ayırma parametresi olarak tanımlanır.

Kaynaklar W.H.Tait, Radiation Detection, Butterworths, London, 1980, s. 299. G.F.Knoll, Radiation Detection and Measurement, Wiley, New York, 2000, s.396. N.Tsoulfanidis, Measurement and Detection of Radiation, Taylor and Francis, Washington, 1995, s. 453. S.Martoiu and A.Rivetti, Low-Power Integrated Front- End for Timing Applications with Semiconductor Radiation Detectors, in Electronics for Radiation Detection, Taylor and Francis, Florida, 2011, s.315. C.Grupen and B.Shwartz, Particle Detectors, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 2008, s. 289.

TEŞEKKÜRLER