Elektromanyetik Radyasyonun Madde ile Etkileşmesi Etkisi ve Radyasyon Dedektörleri Süleyman ÇALIŞKAN [email protected] Bilim Teknoloji Kulubü HaCalık Seminer ToplanFsı 5/12/14 Süleyman Çalışkan 1 Neler Öğreneceğiz ? • Işığın ikili doğası • Radyasyon • Fotoelektrik olay • Compton olayı • ÇiC oluşumu • Radyasyon Dedektörleri 5/12/14 Süleyman Çalışkan 2 Işığın İkili Doğası • Işık (ve bunun yanı sıra tüm diğer EM ışımalar) ikili doğaya sahipVr: Hem dalga hem de parçacık davranışı gösterir. • Fotoelektrik olay ve Compton olayı ışığın parçacık gibi davranışına birer kanıt niteliğindedir. Bir başka deyişle, ışık ve madde etkileşVğinde, ışık sanki parçacıklardan oluşuyormuş gibi davranır. • Aynı şekilde girişim ve kırınım olayları da ışığın dalga doğasında da olabildiğinin göstergesidir. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 3 5/12/14 Süleyman Çalışkan 4 Radyasyon • Hepimizin bildiği gibi maddenin yapı taşı atomdur. Atom ise proton ve nötronlardan oluşan bir çekirdek ve çekirdeğin etra\nda dönen elektronlardan oluşmaktadır. • Eğer herhangi bir maddenin atom çekirdeğindeki nötronların sayısı proton sayısından fazla ise çekirdekte kararsızlık oluşur ve fazla nötronlar parçalanır. • Bu parçalanma sırasında ortaya alfa, beta, gama adı verilen ve çıplak gözle görülmeyen ışınlar çıkar. Bu ışınlara “Radyasyon” denir. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 5 FOTOELEKTRİK OLAY • Fotoelektrik olayın keşfini HERTZ yapmışFr. Hertz bu olayı elektromanyeVk dalgaların varlığını deneysel olarak göstermeye çalışırken gözlemlemişVr. • Ancak EINSTEIN fotoelektrik olayı kuantum düşüncesiyle açıklamışFr. Daha öncesinde klasik fizik yasaları bu konuda yetersiz kalmışFr. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 6 Fotoelektrik Olay 5/12/14 Süleyman Çalışkan 7 Fotoelektrik Olay Fotoelektrik olay kısaca, ışığın metallerden elektron koparmasıdır. Işık metallerden niçin elektron koparır? • Bilindiği gibi metallerdeki bağlanma enerjisi ( Eb ) poziVf iyonlar ile elektronlar arasındaki Coulomb etkileşmesinin bir çeşidi olan çekici elektriksel etkileşmedir. • Genelde metaller 1 -‐ 5 eV arasında bağlanma enerjilerine sahipVrler. • Fotonlarda bu aralıkta ki enerjilere sahip olduklarından ışık metallerdeki serbest elektronlar ile kolayca etkileşir. • Bu nedenle görünür ışık metal yüzeye çok yakın bir bölgede yutulur ve tekrar yayınlanır. • Metal yüzeylerin parlak görünmesinin sebebi de budur. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 8 Fotoelektrik Olay 5/12/14 Süleyman Çalışkan 9 Fotoelektrik Olay • Işığın tanecik (parçacık) özelliğini yansıFr. • Metal yüzeyine gelen ışık elektron koparır. • Gelen ışığın frekansı arjkça kopan elektronların kineVk enerjisi artar; elektronların kineVk enerjisi ışığın şiddeVne bağlı değildir. • Gelen ışığın frekansı belirli bir eşik değerin (Vo ) alFnda ise elektron koparamaz, elektronların kopması ışığın şiddeVne bağlı değildir. • Gelen ışığın şiddeV arjkça kopan elektron sayısı artar, kineVk enerjisi değişmez. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 10 COMPTON OLAYI Amerikalı fizikçi Arthur H. COMPTON tara\ndan 1923 yılında gerçekleşVrilen; yüksek enerjili X ışınları fotonunun karbon atomunun serbest elektronlarından birisine esnek çarparak, elektronu bir doğrultuda \rlaFrken, kendisinin de herhangi bir doğrultuda saçılması olayına Compton Olayı denir. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 11 Compton Olayı 5/12/14 Süleyman Çalışkan 12 Compton Olayı 5/12/14 Süleyman Çalışkan 13 Compton Olayı • Compton fotonların, elektronla çarpışan diğer parçacıklar gibi olduğunu varsaydı. • Compton saçılması saçılma açısına bağlıdır ancak ışınımın dalga boyuna bağlı değildir. • h/mec = 0.00243 nm (görünür ışığa kıyasla çok küçüktür) compton dalgaboyu olarak adlandırılır. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 14 Çift Oluşumu • Fotonların soğurulmasında karşılaşılan ve öncekilerden tamamen farklı olan diğer bir etkileşme çiC oluşumu olayıdır. • Yüksek foton enerjilerinde meydana gelen bu etkileşmede soğurucu atomun çekirdeğinin yük alanının etkisiyle bir foton yok olarak arF ve eksi yüklü iki elektron ortaya çıkar ki; bu ışınlara anhilasyon (yok olma) radyasyonu adı verilir. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 15 Çift Oluşumu • Bu olay genellikle bir fotonun, atom çekirdeğinin yakınından geçerken meydana gelmekle birlikte, bazen de foton bir elektronun yakınından geçerken de meydana gelebilir. • ÇiC oluşumu olayında foton, enerjisinin tamamını aktararak yok olur • Elektronun durgun kütlesi 0,511 MeV olduğundan bu olayın gerçekleşmesi için gelen fotonun enerjisinin iki elektronun durgun kütle enerjilerinin toplamı olan 1,022 MeV 'den daha büyük olması gerekir. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 16 Radyasyon Dedektörleri • Gazlı dedektörler (sayaçlar) • SinVlasyon dedektörleri • Yarı iletken dedektörleri 5/12/14 Süleyman Çalışkan 17 Gazlı Dedektörler • Dedektöre gelen taneciğin sebep olduğu iyonlaşma sonucu oluşan,iyon veya elektronların sayımı için E alanı gereklidir. • Ortamda oluşan iyon ve elektronlar yüklerine bağlı olarak kutuplara giderler. E alanı, oluşan iyon ve elektronların tekrar bir araya gelmelerini önler. • Plakalar arasında gaz veya hava doludur. • Burada sinyalin genliği, oluşan iyonların sayısı ile oranFlıdır. E alanından bağımsızdır. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 18 Gazlı Dedektörlerde Kullanılan Bazı Gazlar ve Özelikleri I0:İyonizasiyon potansiyeli, Wi: e-‐ ve X+ çiCi oluşurken gerekli olan enerji, dE/dx enerji kaybı, np, nt: ikincil ve toplam X+ ve e-‐ sayısı 5/12/14 Süleyman Çalışkan 19 Gazlı Dedektörler Gazlı sayaçların çalışma bölgeleri. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 20 Gazlı Dedektörler - Geiger - Müller Sayacı • Geiger–Müller sayacı, aynı zamanda Geiger sayacı olarak da adlandırılır. • İyonlaşFrıcı radyasyonu ölçen bir çeşit parçacık dedektörüdür. • Cihaza adını veren Geiger–Müller tüpünün içindeki alçak-‐bansınçlı gaz tara\ndan üreVlen iyonizasyonun kullanılmasıyla, alfa parçacıklarından, beta parçacıklarından veya gama ışınımlarından kaynaklanan nükleer ışımayı tespit eder. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 21 Gazlı Dedektörler - Geiger - Müller Sayacı • Geiger sayaç cihazı, Geiger-‐Müller tüpü, ve işlemci ve ekran elektronik devreleri olmak üzere iki ana elamandan oluşur. • Radyasyonu algılayan elaman aFl gazla doldurulmuş bir Geiger-‐Müller tüpüdür (genellikle helyum, neon veya halojen katkılı argon içerir) ki, kısacası –parçacık veya foton radyasyonu iyonlaşarak gazı iletken yapFğında– elektrik yükünü ileVr. • Tüpün her bir iyonlaşma olayını yükseltme özelliği vardır, bunu Townsend çığ etkisi ile yapar ve kolayca ölçülebilen ve elektrik devre elemanlarından geçirilen bir akım atması üreVr. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 22 Geiger Sayacı 5/12/14 Süleyman Çalışkan 23 Gazlı Dedektörler-İyonlaşma Odası • İyonlaşma odası; bir ışınım demeVnin şiddeVni ölçmekte ya da yüklü parçacıkları saymakta kullanılan ışınım algılayıcısıdır. • İyonlaşma odası, içine gaz doldurulmuş silindir biçimli bir tüptür. Tüpün ortasına ekseni boyunca bir tel yerleşVrilmişVr; bu tele, tüp çeperine göre poziVf elektrik gerilimi uygulanarak tüpün içinde sürekli bir elektrik alanı oluşturulur. Tüpe giren bir foton ya da yüklü bir parçacık gaz molekül-‐lerinin bazılarını elektronlara ve arF yüklü iyonlara dönüştürür. • Elektrik alanının etki-‐siyle elektronlar ortadaki tele, arF yüklü iyonlar tüp çeperine göçerler ve bu iki elektrot arasında tüp dışında oluşturulan elektrik devresinden gözlenebilir bir akım darbesi geçmesine neden olurlar. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 24 Gazlı Dedektörler • 1-‐ Bölgede düşük voltajlarda birincil e-‐ ve X+ tekrar birleşebilirler. • 2-‐OranFlı bölgede puls genliği V ile oranFlıdır. • 3-‐Çıkış pulsları radyasyonla oranFlıdır. • 4-‐Geiger-‐Müller bölgesinde tüm radyasyonlar aynı çıkış pulslarını verirler. • Özellikle küçük enerjilerde bu Vp dedektörler kullanılır. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 25 Sintilasyon Dedektörleri • SinVlasyon dedektörleri nükleer fizikte kullanılır. • Gazlı sayaçlar nükleer fizik için pek uygun değildir. Bunun yerine kaF hal dedektörleri kullanılır. • Gama ışınlarının havadaki menzili 100 cm civarındadır. Bu nedenle de yoğunluğu yüksek olan kaFhal dedektörler daha uygundur. • 1950 li yıllarda sinVlasyon dedektörleri yapılmışFr. • 1960 dan sonra ise yarı iletken dedektörler kulanılmışFr. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 26 Sintilasyon Dedektörleri • SinVlasyonlarda iki aşamalı bir reaksiyon vardır. • Uyarılma: e + A= e + A* • Yayınlanma: A*= A + (E =1-‐10 eV, t=1ns -‐1microsn) • Anorganik SinVlasyon : NaI (TI), LiI(Eu) • Yayınlanan ışın FotoçoğalFcı tüp sayesinde varlığı görünür. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 27 Sintilasyon Dedektörleri Önemli özelikler: 1-‐ Işık çıkışı (gelen enerji ışık olarak görünecek) 2-‐Verim 3-‐Zamanlama ve enerji çözme gücü 5/12/14 Süleyman Çalışkan 28 Sintilasyon Dedektörleri 5/12/14 Süleyman Çalışkan 29 Sintilasyon Dedektörleri 5/12/14 Süleyman Çalışkan 30 Yarı İletken Dedektörler • Gama ölçümleri için uygundurlar. • Gelen foton absorbe olur. • Absorbe sonucunda elektron ve poziVf boşluk birlikte ortaya çıkarlar. • E alanı sayesinde de birbirlerinden ayrılırlar. Foto diot sayesinde de sayılırlar. Örneğin Si ve Ge kristalleri. Bunlarda ki ileVm bandı boştur. Bandlar arası enerji farkı1 eV’dan daha az. Oda sıcaklığında bile uyarılabilirler. Ayrılan e-‐ yerine başka bir komşu e-‐ düşer. Bu durum böylece devam eder. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 31 Yarı İletken Dedektörler • Gelen radyasyon e-‐ ve poziVf boşluk oluşturur. • Rekombinasyon olmadan E alanı yardımı ile çekilen kutuba gider. Burada yük taşıyıcıları olan e-‐ ’lerin sayısı, gelen ışının enerjisi ile oranFlıdır. • Eğer madde de yük taşıyıcısı e-‐ fazla ise n-‐Vpi, eğer poziVf boşluklar çoğunluktaysa p-‐Vpi yarı iletken denir. • n-‐Vpi ve p-‐Vpi birbirleriyle temas eVrilirlerse e-‐ ‘lar n den çıkıp p Vpine giderler ve poziVf boşluklarla birleşirler. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 32 Yarı İletken Dedektörler Prensip: • (p-‐n diyodu) Burada iyonizasyon sonucu oluşan elektron ve boşluklar ait oldukları kutuplara giderler. • Bu dedektörlerde yük taşıyıcıları (elektron ve boşluklar) çok miktarda ortaya çıkarlar. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 33 Örnek: Modern bir gama dedektörü 5/12/14 Süleyman Çalışkan 34 Neler Öğrendik ? • Işığın hem tanecikli hem de dalga yapısında olduğunu • Radyasyonun Oluşumunu • Fotoelektrik ve Compton Olaylarını • ÇiC oluşumunu • Radyasyon dedektörlerinin çeşitlerini öğrendik. 5/12/14 Süleyman Çalışkan 35 5/12/14 DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜRLER…. Süleyman Çalışkan 36
© Copyright 2024 Paperzz
