Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü PLASTİK SİNTİLASYON DEDEKTÖRÜNDEN OLUŞAN SPEKTROMETREDE ZAMAN ÖLÇÜM TEKNİĞİNİN UYGULANMASI Cüneyt ÇELİKTAŞ Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü Bornova-İZMİR VIII. Uluslararası Katılımlı Parçacık Hızlandırıcıları ve Dedektörleri Yaz Okulu

KONU BAŞLIKLARI Tarihsel Gelişim Materyal ve Metot 1. Kullanılan Radyoaktif Kaynaklar 2. Plastik Sintilasyon Dedektörü 3. Zaman Ölçüm Teknikleri 3.1 Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği 3.1.1 Adım etkisi, sürüklenme, zaman jitteri ve gürültü voltajı 3.2 Sabit Kesir Zaman Ölçüm Tekniği 3.2.1 Sabit kesir ve etkin sabit kesir 4. Zaman Spektrumu

KONU BAŞLIKLARI Deneysel Çalışma 1. Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği 1.1 Zaman Spektrumları 1.2 Çıkış Sinyal Şekilleri 2. Sabit Kesir Zaman Ölçüm Tekniği 2.1 Zaman Spektrumları 2.2 Çıkış Sinyal Şekilleri 2.3 Sabit Kesir ve Etkin Sabit Kesir Hesaplaması

2.5 Şekillenme ve Pik Zamanları KONU BAŞLIKLARI 2.4 Elde Edilen tr (1-f) Değerleri 2.5 Şekillenme ve Pik Zamanları 2.6 Adım Etkisi, Zaman Jitteri ve Gürültü Voltajı Sonuçlar Kaynaklar

Tarihsel Gelişim En eski örnek 1903’de Crookes tarafından bulunan spinthariscope’tur. Geiger ve Murden tarafından gerçekleştirilen α saçılma deneyleri daha popüler olmuştur. 1944’te Curan ve Baker, fotoçoğaltıcı tüpü ortaya koymuşlardır. 1950’li yılların ortalarında sintilasyon dedektörleri, en güvenilir ve geleneksel dedektörler arasında yer almıştır. Günümüzde bu durum hala geçerliliğini korumaktadır [1].

Çizelge 1. Kullanılan radyoaktif kaynaklar [2]. Materyal ve Metot Kullanılan Radyoaktif Kaynaklar: Çizelge 1. Kullanılan radyoaktif kaynaklar [2]. Radyoaktif Kaynak Yarılanma Ömrü (Yıl) Aktivite (µCi) 90Sr 28,78 0,100 133Ba 10,51 9,468 137Cs 30,07 5,000 207Bi 31,55

Plastik Sintilasyon Dedektörü Bu dedektörlerde, nükleer parçacık veya radyasyon dedektör kristaline çarptığı zaman, küçük ışık parıldaması yani sintilasyon ışığı kullanılır. Fotoçoğaltıcı tüp gibi, yükseltici bir alet ile birleşme yapıldığı zaman bu sintilasyonlar, gelen radyasyon ile ilgili bilgi vermek için sayılabilen ve analiz edilebilen elektronik pulslara dönüştürülür [1]. Şekil 1. Bir sintilasyon sayıcısının şematik diyagramı [1].

İdeal plastik sintilatör seçimi BC400 plastik sintilatörü, yüksek ışık verimine sahip ekonomik bir sintilatördür [3]. Polyvinyltoluene, polyphenylbenzene ve polystyrene en yaygın olarak ve sıklıkla kullanılan plastik sintilatörlerdir. Plastikler, 2-3 ns bozunma zamanlı hızlı zaman sinyalleri sağlarlar [1].

Hangi kalınlıkta plastik sintilasyon malzemesi kullanılacak? Çalışmada kullanılan radyoaktif kaynakların yayımladıkları parçacıkların plastik sintilatör içindeki menzilleri ilgili grafiklerden bakılarak bulunmuştur. Bulunan bu menzil değerlerine göre, uygun olan 3 mm x 76,2 mm BC400 tip plastik sintilasyon dedektörü çalışmada tercih edilmiştir.

Neden zaman ölçüm tekniği? Radyasyon ölçüm deneylerinde, geri saçılma, frenleme ışınımı, tabii fon ve kullanılan elektronik cihazların gürültülerinin vb. neden olduğu yapay pulslar spektrometrelerin çözünürlüğünün bozulmasına neden olur. Zaman ölçüm tekniği kullanılarak bu bozulmalar en aza indirgenir ve spektrometrenin ayırma gücü iyileştirilir [4].

Tabii fonun spektrum üzerindeki etkilerini azaltmak Zaman ölçüm tekniği Elektronik cihazların gürültülerinin spektrum üzerindeki etkilerini azaltmak Geri saçılma, frenleme ışınımının spektrum üzerindeki etkilerini azaltmak Tabii fonun spektrum üzerindeki etkilerini azaltmak

BAŞLICA ZAMAN ÖLÇÜM TEKNİKLERİ YÜKSELEN KENAR ZAMAN ÖLÇÜM TEKNİĞİ SABİT KESİR AYIRICI ZAMAN ÖLÇÜM TEKNİĞİ

Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği Yükselen kenar zaman ölçüm tekniğinde, şekilde gösterildiği gibi, ayırıcı yardımıyla pulsun gelme zamanı belirlenir. İlk olarak, ayırıcı eşiği ayarlanır ve pulsun meydana gelme zamanı, puls genliğinin ayırıcı eşiğini kestiği noktada belirlenir [4]. Şekil 2. Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği [4].

Bu teknik ile çalışıyorsak nelere dikkat etmeliyiz! Bu zaman ölçüm tekniğinde ayırıcı seviyesi mümkün olduğu kadar düşük seviyeye ayarlanarak genlik ve puls şeklindeki dalgalanmalar en az yapılmalıdır [5].

Uygun eşik seviyesi ayarlanmazsa ne ile karşılaşılır? ADIM ETKİSİ Şekil 3. Ayırıcıdaki adım [1].

Elektronik gürültü ve orijinal dedektör sinyalindeki istatistiksel dalgalanmalar zamanlama sinyalinde de dalgalanmalara neden olur. Bu durum genellikle zaman jitteri olarak ifade edilir [1]. Sürüklenme (drift), zamanlama devresinin sıcaklık değişimlerinden ve kullanılan modüllerin yaşlanmasından dolayı uzun vadede ortaya çıkan zamanlama hatasıdır [6]. Şekil 4. Jitter [1].

Zaman Jitteri ve Gürültü Voltajı Şekil 5. Zaman jitteri ve gürültü voltajı [6].

Sabit Kesir Ayırıcı Zaman Ölçüm Tekniği Bu tekniğin amacı, iyi bir zaman çözünürlüğü için en uygun tetikleme seviyesini belirlemektir. Bu zaman ölçüm tekniğinde; adım etkisinden bağımsız bir mantık sinyali, pik yüksekliğinin sabit bir kesrinde elde edilir [1].

Şekil 6. Sabit kesirde zaman ölçüm tekniği [4]. İlk önce, orijinal puls (ilk puls) (a) zamanlamaya dayalı olarak puls yüksekliğinin belirli bir kesrine eşit f faktörü kadar azaltılır. Daha sonra orijinal puls ters çevrilir ve yükselme zamanından daha uzun bir zaman geciktirilir. Son olarak, b ve c’deki sinyaller toplanır (d). Burada, sıfırı kesme zamanı pulsun genliğinden bağımsızdır ve puls yüksekliğinin önceden seçilmiş kesri tarafından tanımlanır [4]. Şekil 6. Sabit kesirde zaman ölçüm tekniği [4].

Sabit kesir ve Etkin Sabit Kesir Sabit Kesir: Sabit kesir ayırıcı zamanlama tekniğinde sabit kesir (f), sabit kesir ayırıcının eşik voltajının, sinyal genliğine oranı olarak tanımlanır [5,7]. Etkin Sabit Kesir: Lineer giriş sinyalleri için etkin sabit kesir değeri (fetkin) aşağıdaki gibi tanımlanmaktadır. (1)

fetkin daima f değerinden küçüktür fetkin daima f değerinden küçüktür. Burada td ayırıcının gecikme zamanı, tr de yükselme zamanıdır. (1) numaralı eşitlikte verilen td zamanı, tr(1-f) değerine eşit ya da bu değerden küçük olmalıdır [8, 9]. (2)

Zaman Spektrumu Bir zaman ölçüm sisteminde zaman spektrumu önemli yer tutmaktadır. Zaman spektrumu, bir çok kanallı analizörde kanal numarasına karşılık gelen parçacık sayısı olarak ele alınır. MCA’nın kanal numarası zaman cinsinden kalibre edilir. Böylece, zamanın fonksiyonu olan bir spektrum elde edilir. Zaman spektrumu zamanı genliğe çevirici cihaz yardımıyla elde edilir. Zamanı genliğe çevirici, iki mantık pulsu arasındaki zaman farkını bir çıkış pulsuna dönüştüren bir birimdir. Oluşan bu çıkış pulsunun genliği, bu zaman farkı ile orantılıdır [1]. Bu şekilde zaman spektrumu elde edilir.

Şekil 7. Zaman spektrumu [11]. Maksimumun yarısındaki tam genişlik (FWHM): Sinyalin genliğinin yarısının tam genişliği olarak tanımlanır [10]. Zaman çözünürlüğü: Bir zamanlama sisteminin zaman çözünürlüğü, genliğin yarı maksimumunun tam genişliği olarak adlandırılır [10]. Zamanlama sisteminin başarısı zaman çözünürlüğü ile karakterize edilir [5]. Şekil 7. Zaman spektrumu [11].

Puls Yüksekliği (Genlik): Taban çizgisine göre ölçülen maksimum yükseklik puls yüksekliği veya genlik olarak adlandırılır [1]. Yükselme Zamanı: Pulsun genliğinin %10’undan %90’ına çıkması için geçen zaman aralığı olarak tanımlanır [10]. Düşme Zamanı: Pulsun genliğinin %90’ından %10’una düşmesi için geçen zaman olarak adlandırılır [1].

Şekil 8. Sinyal şekli [1].

Şekil 9. Şekillenme ve pik zamanı [12]. Şekillenme Zamanı: Sinyalin pik değerinin %61’ine karşılık gelen zaman olarak tanımlanır [12]. Pik Zamanı: Pik zamanı, sinyalin en yüksek genliğe ulaşması için gerekli olan zaman olarak tanımlanır [10]. Pik zamanı yaklaşık olarak şekillenme zamanının 3-5 katına eşittir [12]. Şekil 9. Şekillenme ve pik zamanı [12].

Şekil 10. Dinamik menzil [12]. Dinamik Menzil: Bir zaman-voltaj grafiğinde gürültü seviyesi ile en fazla çıkış voltajı arasında kalan bölüm dinamik menzil olarak adlandırılır [12]. Şekil 10. Dinamik menzil [12].

Deneysel Çalışma Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği 90Sr 133Ba 137Cs 207Bi Sabit Kesir Ayırıcı Zaman Ölçüm Tekniği

Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği Şekil 11. Yükselen kenar zaman ölçüm tekniği devresi.

Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği Sonuçları Sayım FWHM=0,705 ns 1 Kanal=195 ps Kanal No Şekil 12. 90Sr zaman spektrumu.

Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği Sonuçları Sayım FWHM=1,074 ns 1 Kanal=195 ps Kanal No Şekil 13. 133Ba zaman spektrumu.

Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği Sonuçları Sayım FWHM=1,770 ns 1 Kanal=195 ps Kanal No Şekil 14. 137Cs zaman spektrumu.

Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniği Sonuçları Sayım FWHM=1,296 ns 1 Kanal=195 ps Kanal No Şekil 15. 207Bi zaman spektrumu.

Yükselen Kenar Zaman Ölçüm Tekniğinde Çıkış Sinyal Şekilleri (b) (c) Şekil 16. (a) PA (b) DLA (c) TAC çıkış sinyal şekli.

Sabit Kesir Ayırıcı Zaman Ölçüm Tekniği Şekil 17. Sabit kesir ayırıcı zaman ölçüm tekniği devresi

Sabit Kesir Ayırıcı Zaman Ölçüm Tekniği Sonuçları Sayım FWHM=0,342 ns 1 Kanal=195 ps Kanal No Şekil 18. 90Sr zaman spektrumu.

Sabit Kesir Ayırıcı Zaman Ölçüm Tekniği Sonuçları Sayım FWHM=0,976 ns 1 Kanal=195 ps Kanal No Şekil 19. 133Ba zaman spektrumu.

Sabit Kesir Ayırıcı Zaman Ölçüm Tekniği Sonuçları Sayım FWHM=0,342 ns 1 Kanal=195 ps Kanal No Şekil 20. 137Cs zaman spektrumu.

Sabit Kesir Ayırıcı Zaman Ölçüm Tekniği Sonuçları Sayım FWHM=0,324 ns 1 Kanal=195 ps Kanal No Şekil 21. 207Bi zaman spektrumu.

Sabit Kesir Ayırıcı Zaman Ölçüm Tekniğinde Çıkış Sinyal Şekilleri Şekil 22. (a) TFA (b) CFD (c) TAC çıkış sinyal şekli.

Sabit Kesir ve Etkin Sabit Kesir Hesaplama Sonuçları   Kaynak Yükselme Zamanı (ns) Düşme Zamanı (ns) Yükseltici Çıkışı (mV) Sabit Kesir (f) Etkin Sabit Kesir (fetkin) 90Sr 120,80 237,70 109 0,917 0,182 133Ba 100,00 252,60 102 0,980 137Cs 71,00 250,60 288 0,347 0,014 207Bi 69,04 255,00 388 0,257 0,010 Çizelge 2. Sabit kesir ayırıcı zamanlama tekniğinde elde edilen sonuçlar [td= 2 ns, 13].

Elde Edilen tr (1-f) Değerleri Kaynak tr(1-f) 90Sr 10,026 133Ba 2,000 137Cs 46,000 207Bi 51,296 Çizelge 3. tr(1-f) hesaplama sonuçları.

Şekillenme ve Pik Zamanları Kaynak Şekillenme Zamanı (ns) Pik Zamanı (ns) 90Sr 80 440 133Ba 400 137Cs 207Bi Çizelge 4. Şekillenme ve pik zamanları.

Adım Etkisi, Zaman Jitteri ve Gürültü Voltajı Kaynak   Zaman Jitteri (ps) (σT) Gürültü Voltajı (mV) (σV) 90Sr 120 ≈12 133Ba ≈14 137Cs 207Bi ≈16 Çizelge 5. Zaman jitteri ve gürültü voltajı. Sabit kesir ayırıcı zamanlama tekniğinde adım etkisinin 150 ps’den küçük olduğu belirtilmiştir [13].

Sonuçlar Radyoaktif Kaynak  Yükselen Kenar Zamanlama Tekniği ile Bulunan Zaman Çözünürlük Değerleri (ns)  Sabit Kesir Ayırıcı Zamanlama Tekniği ile Bulunan Zaman Çözünürlük Değerleri (ns) 90Sr 0,705 0,342 133Ba 1,074 0,976 137Cs 1,770 207Bi 1,296 0,324 Çizelge 6. Çalışmada kullanılan tekniklerden elde edilen zaman çözünürlük değerlerinin karşılaştırması.

Sonuçlar Çalışmada kullanılan tüm kaynaklar için pik zamanı şekillenme zamanının yaklaşık olarak beş katı bulunmuştur. DLA’nın çıkış sinyal şekli kullanılarak, pik zamanı hesaplanmıştır ve 440 ns olarak bulunmuştur. Bulunan bu değerin, DLA’nın pik zamanı (400 ns) ile uyumlu olduğu görülmektedir.

Sonuçlar Literatürde belirtildiği gibi [8] etkin sabit kesrin sabit kesir değerinden daha küçük olduğu (133Ba hariç) yapılan hesaplamalarla ispatlanmıştır (Çizelge 2). 133Ba için bu kural geçerli değildir. Bu farkın yükselme zamanı belirlenmesindeki hatadan ileri geldiği düşünülmüştür.

Sonuçlar Tablodan da görüldüğü gibi, sabit kesir ayırıcı zamanlama tekniği kullanılarak elde edilen zaman spektrumlarının çözünürlüğü, yükselen kenar zamanlama tekniği kullanılarak elde edilen zaman spektrumlarının çözünürlük değerlerinden daha küçük bulunmuştur. Bu durum çeşitli kaynaklarda da vurgulanmıştır [1,5,8]. Yükselen kenar zamanlama tekniğinde, genlik değişimleri sebebiyle adım etkisinin daha belirgin olmasından dolayı, sabit kesir ayırıcı zamanlama tekniğinden daha kötü çözünürlük sonuçları elde edilmiştir [5].

Sonuçlar Bu çalışmada, iki zamanlama yöntemi plastik sintilasyon dedektörüne uygulanmıştır. Laboratuvarda bu cihazın, başka çalışmalarda yararlanmak amacıyla zaman karakteristikleri çıkartılmıştır. Bulunan sonuçların literatürdeki değerleriyle uyumlu olması alınan ölçümlerin güvenirliğini ortaya koymaktadır.

Kaynaklar [1] Leo, R.W., 1987, Techniques for Nuclear and Particle Physics Experiments, Springer–Verlag Berlin Heidelberg, Germany. [2] Periodic Tables of Elements and Nuclides, 2012, http://www.matpack.de/Info/Nuclear/Nuclids/nuclids9.html (Erişim Tarihi: 27 Nisan 2012). [3] Premium Plastic Scintillators, 2012, http://www.detectors.saint- gobain.com/uploadedFiles/SGdetectors/Documents/Product_Data_Sheets/BC400-404-408-412-416-Data- Sheet.pdf (Erişim Tarihi: 27 Nisan 2012). [4] Tsoulfanidis, N., 1995, Measurements and Detection Radiation, Taylor&Francais, USA. [5] Moszynski, M. and Bengston, B., 1979, Status of Timing with Plastic Scintillation Detectors, Nuclear Instruments and Methods 158, 1-31. [6] ORTEC AN42 Application Note, Principles and Applications of Tming Spectroscopy. [7] Gedcke, D.A. and Williams, C.W., 1968, High Resolution Time Spectroscopy 1. Scintillation Detectors, Information About ORTEC Products and Services of Timely Interest. [8] Paulus, T.J., 1985, Timing Electronics and Fast Timing Methods with Scintillation Detectors, IEEE Transactions on Nuclear Science 32, 1249-1249. [9] Jackson, R.G. and Blalock, T.V., 1997, Integrated Constant Fraction Discrimination Shaping Techniques for The PHENIX Lead-Scintillator Calorimeter, IEEE Transactions on Nuclear Science 44, 303- 307. [10] Knoll, G.F., 2000, Radiation Detection and Measurements, John& Sons. Inc., New York. [11] Martoiu S. and Rivetti A., 2011, Electronics for Radiation Detection, CRC Press, U.S. [12] Bönisch, S.P., 2011, Electronics for Radiation Detection, CRC Press, U.S. [13] ORTEC 463 Constant Fraction Discrimination Catalogue.