DEDEKTÖRLERİN KARAKTERİSTİK ÖZELLİKLERİ VE RADYASYON ÖLÇÜM BİRİMLERİ

... konulu sunumlar: "DEDEKTÖRLERİN KARAKTERİSTİK ÖZELLİKLERİ VE RADYASYON ÖLÇÜM BİRİMLERİ"— Sunum transkripti:

1 DEDEKTÖRLERİN KARAKTERİSTİK ÖZELLİKLERİ VE RADYASYON ÖLÇÜM BİRİMLERİ
Doç. Dr. A. Birkan SELÇUK TAEK-SANAEM

2 DEDEKTÖRLERİN GENEL KARAKTERİSTİKLERİ

3 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

4 Radyasyon Dedektör Etkileşmesi
GM dedektörünün çığlanması İyonların hareketleri

5 Çok telli dedektör GEM dedektörü

6 Pozisyon algılamalı (strip) dedektörler
Yarıiletken dedektör Pozisyon algılamalı (strip) dedektörler

7

8 Değişik Tipte GM Tüpleri
Pozisyon Algılamalı Si Tabanlı Strip Dedektör

9

10 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

11 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

12 Dedektör Sistemlerinin Genel Yapısı

13 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

14 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

15 Basitleştirilmiş Dedektör Modeli
radyasyon Basitleştirilmiş algılama tekniğinde, Dedektörde yüklü parçacıklarının oluşumu Elektrik alanında yüklerin toplanarak sinyalin oluşması. Yük toplanma zamanına eşit akımın akması

16 Dedektörlerin Çalışma Kipleri
Etkileşmenin tipine göre zaman ve akım genliği değişiklik gösterir. Dedektörlerin Çalışma Kipleri Akım kipi Atım kipi (Sayaç ve Dozimetrelerde) (Radyasyon Spektroskopisinde)

17 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

18 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

19 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.

20 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.

21

22 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.

23 Hassasiyeti Etkileyen Faktörler
Dedektör malzemesiyle yaptığı etkileşme kesiti Dedektörün kütlesi. Dedektörün gürültüsü. Dedektör çevresindeki koruma malzemesi

24 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

25 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.

26 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

27 Gürültü

28 S/N=1 S/N=20

29

30 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.

31 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.

32

33 FWHM – standard sapma ilişkisi
Gaussian fonksiyonu FWHM – standard sapma ilişkisi Çözünürlük

34 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

35 İstatiksel çözünürlük sınırı
Fano faktör İstatiksel çözünürlük sınırı İzafi çözünürlük

36 > Verimlilik Kısaca, tek bir radyasyonun algılanma ihmalidir
Verimlilik genellikle radyasyonun etkileşmesine ve dedektörün boyutlarının her ikisine de bağlıdır Yüklü parçacıkların verimliliği Yüksüz parçacıkların verimliliği >

37 Mutlak verimlilik Dahili verimlilik Dahili verimlilik Radyasyon enerjisine, Dedektör kalınlığına bağlıdır.

38

39 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

40 Ölü ve Toparlanma Zamanları
Çözümleme zaman aralığı Ölü zaman aralığı Toparlanma zaman aralığı

41 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

42

43 Paralize olmayan model
Ölü zaman Paralize olmayan model Paralize olan model

44 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

45 n : gerçek etkileşme hızı m: kaydedien sayım hızı
Paralize olmayan durum için Paralize olan durum için

46 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

47 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

48 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

49 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.

50 Eşdeğer Doz Soğurulan dozun ağırlık faktörüyle çarpımı eşdeğer doz H yi verir. Eşdeğer doz birimi rem veya Sievert (Sv) dir. 1 Sv = 100 rem

51 Etkin Doz Tüm vücudun hesaplanması, yani etkin dozun bulunması için her bir organın aldığı doz hesaplanarak toplanır.

52 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.

53

54

55

56 Thin Silikon: 160x96 kanal, 300m, 7x4cm, 3 adet Thick silikon:
Si detektörlerin PCB lere kontaklanması Thin Silikon: 160x96 kanal, 300m, 7x4cm, 3 adet Thick silikon: 64x64 kanal, 1.5mm, 4x4cm, 5 adet