DEDEKTÖRLERİN KARAKTERİSTİK ÖZELLİKLERİ VE RADYASYON ÖLÇÜM BİRİMLERİ Doç. Dr. A. Birkan SELÇUK TAEK-SANAEM
DEDEKTÖRLERİN GENEL KARAKTERİSTİKLERİ
Dedektörlerin Karakteristik Özellikleri Dedektör Tipleri Sintilasyon sayaçları Orantılı sayaçlar GM tüpleri Cherenkov sayaçları Sürüklenme odaları Kabarcık odaları GEM dedektörleri Yarıiletken dedektörler .... Sintilatörlü Gazlı Yarıiletken Dedektörler uygulama alanına ve radyasyon tipine göre belirlenir. TAEK -SANAEM
Radyasyon Dedektör Etkileşmesi GM dedektörünün çığlanması İyonların hareketleri
Çok telli dedektör GEM dedektörü
Pozisyon algılamalı (strip) dedektörler Yarıiletken dedektör Pozisyon algılamalı (strip) dedektörler
Değişik Tipte GM Tüpleri Pozisyon Algılamalı Si Tabanlı Strip Dedektör
Radyasyon, enerjisinin bir kısmını veya tamamını dedektör malzemesinin üzerine bırakarak etkileşir. Atomlarla doğrudan etkleşimle enerjilerini kaybederler. Yüklü Parçacıklar Dedektörde yüklü parçacıklar oluşturular. Bunlar atomları uyarır ve iyonize ederler. Yüksüz Parçacıklar
Yüklü Parçacıklar Yüksüz Parçacıklar Hızlı elektronlar ve pozitronlar (e-/e+ veya β parçacıkları) Ağır yüklü parçacıklar (A≥1, protonlar, α parçacıkları, fisyon parçacıkları) Elektromanyetik adyasyon (photons/ X rays, γ rays) Nötronlar (yavaş/hızlı) Nötrinolar
Dedektör Sistemlerinin Genel Yapısı
Yüklü Parçacıkların Algılanması Yüklü parçacıklar ortamdaki elektronlar ile Coulomb etkileşimi yaparlar. Sonuçta, iyonizasyon ve elektronik uyarma meydana gelir. Elektronik Uyarılma İyonizasyon: Elektrik alanında sürüklenebilen serbest yüklerin oluşumu Geri uyarılma ve iyonize atomlar: Foton yayılımı İyonizasyon tabanlı dedektörler Serbest yüklerin algılanması (Gazlı dedektörler, yarıiletken dedektörler) Sintilatörlü dedektörler Foton ışımalarının algılanması
Yüksüz Radyasyonların Algılanması İki aşamalı süreç: Etkileşme sonucu bazı enerjik yüklü parçacıkların kalması Bu yüklü parçacıkların algılanması Nötron: Elastik saçılma ile veya çekirdek etkileşmesi ile dedektör ortamında çekirdeklerle etkileşmesiyle yüklü parçacıkların serbest kalması Elektromanyetik radyasyonlar: Fotoelektrik olayı, Compton saçılması veya çift oluşumu yoluyla enerjik elektronların serbest kalması
Basitleştirilmiş Dedektör Modeli radyasyon Basitleştirilmiş algılama tekniğinde, Dedektörde yüklü parçacıklarının oluşumu Elektrik alanında yüklerin toplanarak sinyalin oluşması. Yük toplanma zamanına eşit akımın akması
Dedektörlerin Çalışma Kipleri Etkileşmenin tipine göre zaman ve akım genliği değişiklik gösterir. Dedektörlerin Çalışma Kipleri Akım kipi Atım kipi (Sayaç ve Dozimetrelerde) (Radyasyon Spektroskopisinde)
Akım Kipinde çalışma Ortalama akım Ölçüm cihazının sabit tepki zamanı T ise, Burada T nin dedektörden gelen her bir akım atımlarından çok büyüktür. Ortalama akım r: ortalama etkileşim hızı Q: herbir etkileşim için oluşan yük E: her etkileşme sonucu oluşan ortalama enerji W: bir yük çiftinin oluşması için gerekli ortalama enerji
Atım Kipinde Çalışma Tek bir etkileşme için sinyal atımının yapısı dedektöre bağlı ön yükselteç devresine bağlıdır. Devrenin zaman sabiti, R ölçüm devresinin giriş direnci, C dedektör + dedektör ile önyükselteç kablosu + ön yükselteç devresinin eşlenik kapasitansı
Akım Kipinde çalışma Küçük zaman sabitli devre (RC<<tc ) Sinyal atımları dedektörden gelen atımlara benzerlik gösterir. Alınan sinyallerin enerjiden ziyade zamanı önemli olduğu radyasyon ölçümlerinde tercih edilirler.
Akım Kipinde çalışma Büyük zaman sabitli devre (RC>>tc ) Sinyal atımının genliği dedektörde oluşan yük ile oranlıdır. Atım genliğinin dağılımı gelen radyasyonun enerjisini ifade eder. Ölçüm hızı hakkında bilgi verir.
Hassasiyet Belirli bir tipiteki ve enerjideki radyasyon için kullanılabilir sinyal üretme yeteneğidir. Radyasyon dedektörleri belirli radyasyon tipleri ve enerji aralığına göre tasarlanırlar. Tasarlandıkları sınırların dışında verimlilikleri önemli ölçüde azalır ve kullanılabilir sinyaller üretemezler.
Hassasiyeti Etkileyen Faktörler Dedektör malzemesiyle yaptığı etkileşme kesiti Dedektörün kütlesi. Dedektörün gürültüsü. Dedektör çevresindeki koruma malzemesi
İhtiyaç duyulan dedektör kütlesi Katı Kesit ve Dedektör Kütlesi Gelen radyasyonun enerjisinin bir kısmının veya tamamının sinyale dönüştürme ihtimaline bağlıdır. Yüklü parçacılar Nötr parçacıklar İhtiyaç duyulan dedektör kütlesi çok iyonize daha az iyonize Radyasyon tipi Enerji aralığı dedektör içinde bir kaç iyonizasyon çok daha küçük etkileşme katı kesiti Daha fazla kütle yoğunluğuna ve hacime gereksinim var
Tepki, radyasyonun tipine ve enerjisine bağlıdır. Dedektör Tepkisi Radyasyon enerjisi ile toplam yük veya atım yüksekliği arasındaki ilişkidir. Atımların zamana göre integrali radyasyon-dedektör etkileşmesiyle meydana gelen iyonlaşma miktarına karşılık gelir. Sinyal şekli iyonizasyon miktarına bağlı değilse, sinyalin genliği dedektörde soğurulan enerjiyle oranlıdır. Bu ilişkiye eğer dedektör lineer olarak karşılık veriyorsa, deketörün lineer olduğu söylenir. ! Tepki, radyasyonun tipine ve enerjisine bağlıdır.
saçılma ve Bremsstrahlung Ör: Gama Radyasyonu için Fotoelektrik etki atım yüksekliği spektrumunda keskin pik Compton saçılması Compton elektronlarının sürekli enerji dağılımından dolayı spektrum pikinde genişleme Çift oluşumu sürekli enerji dağılımı (spektrumda genişleme) nedeni saçılma ve Bremsstrahlung Tepki fonksiyonunun düzeltilmesi Dedektörün geometrisinin ve tasarımının değiştirilmesi Küçük Z atom numaralı malzeme kullanılması
Gürültü
S/N=1 S/N=20
Birbirine çok yakın enerjileri ayırt edebilme yeteneğidir Enerji Çözünürlüğü Birbirine çok yakın enerjileri ayırt edebilme yeteneğidir Radyasyonun enerjisini belirlemede en önemli etken. Çözünürlük, tek enerjili radyasyona verdiği tepki ile ölçülür. İdeal durumda keskin delta-fonkisyon pikidir. Gerçekte, iyonizasyondaki dalgalanmalar yüzünden Gaussian şeklindedir.
Dalgalanmaların Nedenleri Dedektör karakteristiklerinin kayması Dedektördeki rasgele gürültülerin olması İstatiksel gürültü aynı enerji soğurulmasına rağmen bir miktar farklı yük taşıyıcıları oluşturduğundan kaynaklanır. Dedektördeki dalgalanmalardan kaçınmak imkansızdır.
FWHM – standard sapma ilişkisi Gaussian fonksiyonu FWHM – standard sapma ilişkisi Çözünürlük
Poission çözünürlük sınırı Lineer bir dedektörde taşıyıcı sayısı ile enerji arasında orantı mevcuttur. O halde, ortalama enerji Orantı sabiti ve standart sapama arasındaki ilişki Poission çözünürlük sınırı
İstatiksel çözünürlük sınırı Fano faktör İstatiksel çözünürlük sınırı İzafi çözünürlük
> Verimlilik Kısaca, tek bir radyasyonun algılanma ihmalidir Verimlilik genellikle radyasyonun etkileşmesine ve dedektörün boyutlarının her ikisine de bağlıdır Yüklü parçacıkların verimliliği Yüksüz parçacıkların verimliliği >
Mutlak verimlilik Dahili verimlilik Dahili verimlilik Radyasyon enerjisine, Dedektör kalınlığına bağlıdır.
Tepki Zamanı Radyasyonun dedektöre varması ile çıkış sinyalinin oluşması arasındaki geçen zaman aralığına dedektörün tepki zamanı denir. Kısa tepki zamanı Sinyal zamanı hakkındaki bilgiler hassaslaşır Zamana göre etiketleme ölçümleri
Ölü ve Toparlanma Zamanları Çözümleme zaman aralığı Ölü zaman aralığı Toparlanma zaman aralığı
Ölü Zaman Toparlanma Zamanı Dedektörün bir sinyal atımı aldıktan sonra ikinci radyasyon geçişine duyarsız olduğu zaman aralığıdır Toparlanma Zamanı Ölü zamanın ardından dedektörün hassasiyetinin arttığı ve hassasiyetin maksimum değere ulaştığı zaman aralığıdır
Paralize olmayan model Ölü zaman Paralize olmayan model Paralize olan model
Sistem üzerine etkisiz Paralize olmayan modelde her bir etkileşimin ardından sabit bir ölü zaman izler. Paralize olmayan model Paralize olan modelde her bir etkileşmenin ardından sabit bir ölü zaman izler. Fakat, bu ölü zaman süresince dedektörde etkileşmeler devam eder. Ancak kaydedilmezler. Bununla birlikte ölü zaman süresi uzar. Paralize olan model Sistem üzerine etkisiz Sistem üzerine etkili
n : gerçek etkileşme hızı m: kaydedien sayım hızı Paralize olmayan durum için Paralize olan durum için
başlangıçtaki çekirdek sayısının yarıya düştüğü zamandır (T1/2 ) RADYASYON BİRİMLERİ τ : radyoizotopun ömrü N0 : başlangıçtaki çekirdek sayısı başlangıçtaki çekirdek sayısının yarıya düştüğü zamandır (T1/2 ) Yarıömür
1 Bq = 1 saniyedeki 1 bozunma Bozunma sabiti Bir kaynağın aktivitesi birim zamandaki bozunumların sayısıdır. Aktivitenin birimi Becquerel (Bq) ve Curie (Ci) dir. 1 Bq = 1 saniyedeki 1 bozunma 1 Bq = 27 pCi
Soğurulan Doz Soğurulan doz için rad veya Gray (Gy) birimleri kullanılır. 1 rad = 100 erg/g 1 Gy = 1 J/kg 1 Gy = 100 rad Fiziksel soğurma
Bağıl Biyolojik Etkinlik (RBE) α, β, γ ve nötron saçılımı aynı enerji soğurmasında farklı biyolojik etki gösterirler. Bu yüzden bağıl biyolojik etkinlik (RBE) tanımlanmıştır. Referans olarak γ ve X-ışını kullanılmıştır. RBE faktörü radyasyon alanına, radyasyon enerjisine ve doz hızına karmaşık bir şekilde bağlıdır. Bu yüzden, kolaylık olması için radyasyon ağırlık faktörü (wr) kullanılır.
Eşdeğer Doz Soğurulan dozun ağırlık faktörüyle çarpımı eşdeğer doz H yi verir. Eşdeğer doz birimi rem veya Sievert (Sv) dir. 1 Sv = 100 rem
Etkin Doz Tüm vücudun hesaplanması, yani etkin dozun bulunması için her bir organın aldığı doz hesaplanarak toplanır.
Dozlama Birimi X veya gama (foton) dozlamaları için kullanılan birim Röntgendir (R) ve havada ürettikleri belirli bir iyonizasyon miktarı üzerine kuruludur. 1 R, 1 kg havada iyonizasyon yaparak 2.58x10-4 C luk pozitif ve negatif yük oluşturan dozdur.
Thin Silikon: 160x96 kanal, 300m, 7x4cm, 3 adet Thick silikon: Si detektörlerin PCB lere kontaklanması Thin Silikon: 160x96 kanal, 300m, 7x4cm, 3 adet Thick silikon: 64x64 kanal, 1.5mm, 4x4cm, 5 adet