3. Sintilasyon Nedir?
Sintilasyon kelime anlamı olarak ışıldama
anlamına gelmektedir.
Sintilasyon detektörleri ise radyasyona maruz
kalan belli malzemelerden yayınlanan foto
lüminesans ve fosforesans vasıtası ile parçacık
deteksiyonu yapan cihazlardır.
19.06.20133 Harun ÇETİN - 10280161
4. Neden Sintilasyon?
Gazlı detektörler nükleer fizik için uygun değildir.
Bunun yerine sintilasyon detektörleri kullanılır.
1 MeV‟lik gamaların havadaki menzili 100 cm
civarındadır. Bu nedenle yoğunluğu yüksek olan
sintilasyon detektörleri kullanılır.
19.06.20134 Harun ÇETİN - 10280161
5. Sintilasyon Sayaçlarının Gaz-dolu
Sayaçlara Üstünlükleri
19.06.2013Harun ÇETİN - 102801615
X ışınları ve gama ışınları dedeksiyonundaki
verim Geiger sayaçlarına kıyasla oldukça
yüksektir.
Sayacın çözme zamanı 10-4 – 10-9 s „dir. Bu kısa
çözme zamanı, yüksek-hızlı sayımları kayıpsız
olarak mümkün kılar.
Sintilasyon sayıcının çıkış pulsunun büyüklüğü
gelen gama ışınlarının enerjisi ile doğru orantılı
yapılabilir.
Radyasyon kaynağı, katı sintilatörün çok
yakınında, bazen içinde bile, olabileceğinden ince
pencerelerin kullanılmasına gerek yoktur.
6. Sintilasyon Nasıl Çalışır?
Sintilasyon detektörlerinin çalışma prensibi
ışıldama yapan bir madde (sintilatör) içerisinden
geçen radyasyonun enerjisini uyarma vasıtası ile
kaybetmesi (dE/dx) ve uyarılmış atom tarafından
yayınlanan ışığın bir fotodetektör vasıtası ile
algılanmasına dayanır.
19.06.20136 Harun ÇETİN - 10280161
7. Sintilasyon Nasıl Çalışır?
19.06.2013Harun ÇETİN - 102801617
Radyoaktif ışınlar bir maddenin atom ve
molekülleriyle etkileşime girdiği enerjiye göre,
madde içinde iyonizasyon ya da eksitasyon
meydana getirir.
Şayet radyasyon enerjisi her iki olayı da meydana
getiremeyecek kadar düşük ise, etkileştiği
ortamdaki moleküller arasında sadece bir titreşim
meydana getirir ve yok olur.
8. Sintilasyon Nasıl Çalışır?
19.06.2013Harun ÇETİN - 102801618
Sintilatörden yayılan görülebilir ışıklara sintilasyon
denir.
Radyasyon enerjisini önce ışık fotonlarına ve
daha sonra foto çoğaltıcı tüp yardımıyla elektrik
pulslarına dönüştüren dedektörlere de sintilasyon
dedektörleri (sayaçları) adı verilir.
Sintilasyon dedektörleri, sintilatör olarak kullanılan
bir madde ve bunun hemen arkasına bağlanmış
bir foto çoğaltıcı tüpten oluşur.
9. Sintilasyon Nasıl Çalışır?
19.06.2013Harun ÇETİN - 102801619
Bir sintilatör içine giren radyasyon, ortamdaki
atomları uyarmak suretiyle enerjisini kaybeder.
Uyarılan atomlar hızla, görünür bölgede (veya
görünür bölgeye yakın) ışık yayınlarlar.
Işık foto duyarlı yüzeye çarparak foton başına en
çok bir elektron salınmasına neden olur.
10. Sintilasyon Nasıl Çalışır?
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016110
Bu elektronlar da foto çoğaltıcı tüp içinde bulunan
ve dinod adı verilen elektron çoğaltıcı elemanlar
yardımıyla çoğaltılarak anotta toplanır ve genliği
radyasyon enerjisiyle orantılı çıkış pulsları şekline
dönüşür.
11. Sintilasyon Nasıl Çalışır?
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016111
Meydana gelen darbenin genişliği radyasyonun
enerjisi ile orantılıdır.
Bu dedektörler sayım ve aynı zamanda enerji
ayırımı için kullanılır.
Beta parçacıkları gibi yüklü parçacıklar, geçtikleri
ortamın atomlarıyla etkileşerek enerjilerini ısı,
iyonlaşma ve uyarılmayla kaybederler.
Başka bir deyişle, beta enerjisi geçtikleri ortamın
atomlarına aktarılır (soğurma).
12. Sintilasyon Nasıl Çalışır?
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016112
Cisimlerin enerji soğurduktan sonra görünür ışık
bölgesinde veya ona yakın bölgede foton adı
verilen ışık partikülleri çıkarmasına „‟lüminesans‟‟
denir.
Bu olayın esası kısaca şöyle açıklanabilir: Katı
veya sıvı ortamdan geçen yüklü parçacıklar
ortamın atomlarını uyarır.
Uyarılan atomlar tekrar taban seviyelerine
dönerken ışık fotonları verirler.
13. Sintilasyon Nasıl Çalışır?
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016113
Uyarılmış atom sayısı ortam içinde yüklü parçacığın
kaybettiği enerjiyle orantılı olup foton sayısı da bu
enerjiyle orantılıdır.
Taban durumuna geçerken meydana gelen bu
lüminesans olayı floresans, fosforesans ve geç
floresans şeklinde olmaktadır.
Uyarılma esnasında 10-8 saniye içerisinde ışık
salınması oluyorsa bu olaya „‟floresans‟‟,
Işık salınması uyarılma kesildikten sonra oluyorsa bu
olaya da „‟fosforesans‟‟ denir.
Fosforesans süresi mikro saniye ile saat arasında
lüminesan maddenin cinsine göre değişir.
14. Sintilasyon Nasıl Çalışır?
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016114
Basit uyarılmış durumdan taban durumuna
geçişte salınan ışık floresans şeklindedir.
Daha karmaşık uyarılma şekli olan triplet
uyarılmada ise fosforesans meydana gelir.
Ancak, Kuantum Mekaniğine göre bu durumdan
taban durumuna doğrudan geçiş zor olduğundan
fosforesans olayına seyrek rastlanır.
Triplet durumunda uyarılmış atomun bu seviyede
kalma süresi uzun olup uyarılmış atom önce basit
uyarılmış duruma geçmekte ve sonra taban
seviyesine inmektedir.
Bu çeşit taban duruma geçişlerde geç floresans
görülür.
15. İdeal Sintilatör
Yüklü parçacıkların kinetik enerjisini yüksek
sintilasyon verimiyle detekte edilebilir ışığa
çevirmelidir.
Bu çevrimin doğrusal olması gerekir. Işık verimi
biriktirilen enerjiye mümkün olduğu kadar orantılı
olmalıdır.
İyi ışık biriktirme için ortam kendi emisyonunun
dalga boyunu geçiren olmalıdır.
Uyarılmış ışıldamanın bozunma zamanı kısa
olmalı ki hızlı sinyal darbeleri üretilebilsin.
19.06.201315 Harun ÇETİN - 10280161
18. İnorganik Sintilatörler
İnorganik malzemelerdeki sintilasyon mekanizması
malzemenin kristal örgüsü tarafından belirlenen enerji
durumlarına bağlıdır.
Yalıtkan veya yarıiletken olarak sınıflandırılan
malzemelerdeki elektron geçişleri yalnızca belli enerji
durumlarında izinlidirler.
19.06.201318 Harun ÇETİN - 10280161
19. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016119
Valans bandı olarak adlandırılan düşük bant, bu
elektronların kafes sitelerine bağlandığını
gösterirken,
İletkenlik bandı elektronların kristalden ayrılmak
için yeterli enerjiye sahip olduklarını gösterir.
20. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016120
Burada elektronların saf bir kristalde asla
bulunamayan yasak bant olarak adlandırılan bir ara
enerji bandı vardır.
Enerji absorpsiyonu, bir elektronun valans bandındaki
normal pozisyonundan, aralık (gap) boyunca normal
dolmuş valans bandında bir boşluk bırakarak iletim
bandına yükselmesiyle sonuçlanır.
21. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016121
Saf kristalde elektronun bir foton yayınlayarak
valans bandına dönüşü verimsiz bir süreçtir.
Uyarılmadan önceki hale dönüş süreci esnasında
görünür foton yayınımı olasılığını artırmak için
inorganik sintilatörlere genellikle küçük
miktarlarda bir safsızlık eklenir.
22. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016122
Böyle kasıtlı eklenen safsızlıklar, aktivatörler
olarak adlandırılır ve kafes içinde normal enerji
bant yapısının saf kristalinkiyle değiştirildiği
yerlerde özel siteler oluşturur.
Sonuç olarak elektronun valans bandına
uyarılmamış hale geri dönebilmesiyle yasak aralık
içinde oluşturulmuş enerji durumları olacaktır.
23. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016123
Enerji tam yasak aralığınkinden daha az
olduğundan bu geçiş artık görünür bir fotona
neden olabilir ve bundan dolayı sintilasyon
sürecinin temeli olarak görev yapar.
Bu uyarılmamış siteler lüminesans merkezleri
veya rekombinasyon merkezleri olarak
adlandırılır.
Bunların host kristal kafesi içindeki enerji yapıları
sintilatörün yayınım spektrumunu belirler.
24. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016124
Dedeksiyon ortamı boyunca geçen yüklü bir
parçacık, elektronların valans bandından iletim
bandına yükseltilmesiyle oluşan büyük miktarda
elektron-hol çifti oluşturacaktır.
Safsızlığın iyonizasyon enerjisi tipik kafes
sitesininkinden daha az olacağından pozitif hol
hemen bir aktivatör sitesinin bulunduğu konuma
sürüklenecek ve onu iyonize edecektir.
Bu arada elektron kristalden ayrılmak için
serbesttir ve böyle bir iyonize aktivatörle
karşılaşıncaya kadar serbest kalacaktır.
25. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016125
Bu noktada elektron kendi uyarılmış enerji
durumları kümesine sahip nötral bir konfigürasyon
yaratarak aktivatör sitesine düşebilir.
Bu durumlar aşağıdaki şekilde yasak bant
içindeki yatay çizgiler olarak gösterilmiştir.
26. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016126
Eğer oluşan aktivatör durumu taban duruma
geçişe izinli uyarılmış bir konfigürasyonsa
uyarılmamış duruma dönüşü çok hızlı ve uygun
bir fotonun yayınımı için yüksek olasılıklı
meydana gelecektir.
Eğer aktivatör düzgün seçilmişse bu geçiş
görünür enerji aralığında olabilir.
Böyle uyarılmış durumlar için tipik yarılanma
süreleri 50-500 ns mertebelerindedir.
27. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016127
Aslında elektron için göçme zamanı daha kısa
olduğundan tüm uyarılmış safsızlık
konfigürasyonları bir defada oluşturulur ve
ardından uyarılmış durumun yarılanma süresi
karakteristiğiyle uyarılmamış duruma döner.
Bazı organik sintilatörler, çoğunlukla daha
karmaşık zaman davranışı gözlenmesine rağmen
tek bir bozunma zamanı veya bir üstel ile tam
olarak karakterize edilebilirler.
28. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016128
Safsızlık sitesi üzerine gelen elektron taban
düzeye geçişin yasak olduğu uyarılmış bir
konfigürasyon oluşturabilir.
Böyle durumlar onları uyarılmamış taban
durumuna geçişin mümkün olduğu yüksek bir
duruma çıkarmak için ilave bir enerji artımına
gerek duyar.
Bu enerjinin bir kaynağı termal uyarımdır ve
fosforesans olarak adlandırılan ışığın yavaş
bileşeninden oluşur.
Bu, çoğunlukla zemin ışığının önemli bir kaynağı
ya da sintilatörler içindeki «fosfor ışıllık
(afterglow)» olabilmektedir.
29. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016129
Üçüncü bir olasılık bir elektron bir aktivatör sitede
yakalandığında oluşur.
Elektron yakalama ve taban durumu tarafından
oluşturulan bazı uyarılmış durumlar arasında belli
ışımasız geçişler olasıdır. Bu durumda görünür
foton yoktur.
Böyle süreçler söndürme (quenching) olarak
adlandırılır ve parçacık enerjisinin sintilasyon
ışığına çevrimindeki kayıp mekanizmalarını
gösterir.
30. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016130
Elektron ve holün yukarda belirtilen bağımsız
göçüne alternatif olarak çiftler, eksiton olarak
bilinen zayıf birlikteliğe sahip bir konfigürasyonda
birlikte göç ederler.
Bu durumda elektron ve hol birbirlerine bağlı
kalırlar fakat bir aktivatör atomunun sitesine
ulaşana kadar kristal boyunca sürüklenmekte
serbesttirler.
Benzer uyarılmış aktivatör konfigürasyonları
yeniden şekillenebilir ve uyarılmamış oldukları
taban konfigürasyonlarında sintilasyon ışığına yol
açarlar.
31. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016131
Sintilasyon süreci verimlilik ölçümü basit bir enerji
hesaplamasından izlenir.
Geniş bir malzeme kategorisi için bir elektron hol
çifti oluşturmak, bant aralığı enerjisinin ortalama
üç katı civarındadır.
Sodyum iyotta bu, bir elektron-hol çifti oluşturmak
için yüklü parçacığın, enerjisinin 20 eV‟unu
kaybetmesi anlamına gelir.
Böylece sintilatörde depolanan parçacık
enerjisinin 1 MeV‟i için 5x104 civarında elektron-
hol çifti oluşturulur.
32. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016132
Çeşitli deneysel tespitler talyum-aktif sodyum
iyotun mutlak sintilasyon veriminin %12 civarında
olduğunu göstermiştir.
Bundan dolayı enerjinin 1 MeV‟luk
absorpsiyonunun, toplam ışık enerjisi içinde
yaklaşık 1.2x105 eV veya 3 eV‟luk ortalama bir
enerjiyle, 4x104 foton vermesi gerekir.
Böylece ürün, orijinal olarak oluşan elektron-hol
çifti başına 1 fotona çok yakın olur ve aktivatör
sitelerine enerji transferi oldukça verimli olur.
33. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016133
Aktivatör siteleri boyunca lüminesansın önemli bir
sonucu kristalin sintilasyon ışığına geçirgen
olabilmesidir.
Saf kristalde bir elektron-hol çiftini, bu çiftler
rekombine olduğunda serbest kalırken uyarmak
için kabaca aynı enerji gerekecektir.
Sonuç olarak yayınım tayfı daha uzun dalga
boylarına kaydırılır ve kristal bulk‟unun optik
absorpsiyon bandından etkilenmez.
35. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016135
Sintilasyon ışığının tam kullanımını sağlamak için
spektrumun, ışığı algılamakta kullanılan cihaza ait
azami duyarlılık dalga boyu bölgesine yakın
düşmesi gerekir.
Bazı inorganik sintilatörlerin oda sıcaklığındaki
sintilasyon özellikleri sonraki tabloda verilmiştir.
37. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016137
Dördüncü kolonda gösterilen bozunma zamanları
çoğu durumda yalnızca baskın bozunma bileşenlerini
gösterdiklerinden sadece yaklaşık değerlerdir.
Yüzdelerin listelendiği yer, gösterilen bileşenlerin
göreceli ürünlerini belirtir.
Beşinci kolon hızlı elektronlarla 1 MeV‟lik enerji
birikiminden itibaren tüm yayınım spektrumu
üzerindeki toplam sintilasyon fotonlarının tahmini
miktarlarıdır.
Bu değerler genellikle ışığı ölçmek için kullanılan foto
çoklayıcı tüpün veya foto diyotun kuantum
verimliliğinin, dalga boyunun bir fonksiyonu olarak
bilindiği ölçümlerden elde edilirler.
38. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016138
Büyük ihtimalle örneğin safsızlık düzeyleri veya
optik kalitesindeki değişimlerden dolayı verilen bir
materyal için yayınlanan değerlerde dikkate değer
değişkenlik var.
Altıncı kolon sintilatör hızlı elektronlar (veya gama
ışınları) tarafından uyarıldığında ve bir bialkali
foto katoda sahip bir cam uç pencereli foto
çoklayıcı tüpe (UV duyarsız) çiftlendiğinde
göreceli darbe genliğini kıyaslar.
Foto katot spektral yanıtının değişkenliği bu
değerlerdeki ilave değişimleri de ortaya koyar.
39. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016139
Genel inorganik sintilatörler için ışık verimi
organik sintilatörlerde tipik olarak gözlenen
değere göre depolanan ışıma enerjisine daha
orantılıdır.
Hala mevcut olan söndürme süreçleri doğrusal
olmayan bazı durumlara yol açar ancak bu
organiklerdekinden daha da düşük boyutadır.
40. İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016140
Eşit enerji parçacıklarının farklı türleri için ışık
veriminde de çeşitlilik gözlenir.
Organik sintilatörlerdeki gibi ağır yüklü parçacıklar
birim enerji başına daha az ışık üretirler.
Alfa-beta oranı birliğe tipik organiklerdekinden
daha yakındır (örneğin NaI(Tl) ve CsI(Tl)
sintilatörlerin her ikisi için bu oran 0.66-0.67
aralığındadır) ancak BGO ve GSO gibi oksit
tabanlı malzemeler 0.20 kadar düşük olabilir.
42. Aktive Edilmemiş Hızlı İnorganik
Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016142
Baryum Florür - BaF2
Hızlı bileşen yalnızca bozunma zamanı < 1
ns‟den küçük yüksek Z‟li sintilatörlerde, λ ~ 220
nm‟de τ = 0.6 ns bozunma zamanına ve 15%‟lik
ışık verimine sahiptir.
Yavaş Bileşen λ ~ 220 nm‟de τ = 630 ns bozunma
zamanına ve 85%‟lik ışık verimine sahiptir.
43. Aktive Edilmemiş Hızlı İnorganik
Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016143
Sezyum İyodür - CsI
Hızlı bileşende τ ~ 10 ns
Yavaş bileşende safsızlıklara bağlı olarak τ birkaç
μs‟ye kadar olabilir.
NaI(Tl)‟un veriminin %5 ve %8 aralığında çıkışa
sahiptir.
44. Aktive Edilmemiş Hızlı İnorganik
Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016144
Seryum Florür - CeF3
NaI(Tl)‟ün %5‟i civarında, zayıf bir sintilasyon
ışığına sahiptir.
τ ~ 27 ns‟lik bozunma zamanına sahiptir.
Gözlemler morötesi aralığa genişletildiğinde τ ~ 5
ns‟lik bozunma zamanına sahip ikinci bir bileşen
de gözlenebilir.
Küçük hacimdeki kristallerden gelen toplam ışık
veriminin MeV başına 2100 foton olduğu
bildirilmiştir.
45. Aktive Edilmemiş Yavaş İnorganik
Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016145
Bizmut Germanat (BGO) - Bi4Ge3O16
Çok yüksek Z‟ye sahiptir.
7.13 g/cm3‟lük yüksek yoğunluğa sahiptir.
Işık verimi NaI(Tl)‟den %10-20 kadar daha
yavaştır.
Işık çıkışı artan sıcaklıkla azalır.
46. Aktive Edilmemiş Yavaş İnorganik
Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016146
Kadmiyum Tungstat - CdWO4
Işık verimi λ ~ 470 nm‟de görünür dalga boyunda
pik veren yayınım spektrumuyla NaI(Tl)‟ün %40‟ı
kadardır.
Yüksek bir yoğunluğa ve etkin atom sayısına
sahiptir.
Gama ışın ölçümleri için kullanılır.
En büyük dezavantajı gama ışın uyarımı için hızlı
ve yavaş bileşenlerin 1.1 μs (%40) ve 14.5 μs
(%60)‟lık göreceli uzun bozunma zamanlarıdır.
47. Aktive Edilmemiş Yavaş İnorganik
Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016147
Kurşun Tungstat - PbWO4
Çok yüksek Z‟ye sahiptir.
Çok zayıf ışık çıkışı vardır.
48. Tl-Aktif İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016148
NaI(Tl)
En geniş çapta kullanımı olan sintilatördür.
38000 foton/MeV ile yüksek ışık çıkışına sahiptir.
τ = 230 ns‟lik bozunma zamanı bazı hızlı
zamanlama veya yüksek sayma oranlı
uygulamalar için oldukça uzundur.
Tüm ışık verimine %9 civarında katkı sağlayan
0.15 s karakteristik bozunma zamanına sahip bir
fosforesans ölçülebilir.
49. Tl-Aktif İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016149
CsI(Tl)
65000 foton/MeV‟lik ışık çıkışına sahiptir.
τ = 0.68 (%64) ve τ = 3.34 (%36) μs‟lik bozunma
zamanına ve göreceli yoğunluğa sahip iki bileşen
vardır.
Yayınım spektrumu NaI(Tl)‟den daha uzun bir
dalga boyunda pik verir.
S-11‟li ya da bialkali foto katotlu foto çoklayıcı
tüplerin yanıtına daha kötü eşlenir.
50. Ce-Aktif İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016150
Godolinyum Silikat (GSO) - Gd2SiO5
Atom 64 olan numarası Godolinyum, gama ışını
spektroskopisinde çekici özellikler sunar.
Azami ışık verimi 0.5 mol seryum katkılı
konsantrasyonda gözlenmiştir.
Bozunma zamanı seryum katkı düzeyine bağlıdır
ancak bu 56 ns‟lik hızlı bileşen tarafından
bastırılır.
51. Ce-Aktif İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016151
Godolinyum Silikat (GSO) - Gd2SiO5
400 ns‟lik daha uzun bir bozunma zamanı buna
ek olarak %10 yoğunluk sunmaktadır.
Toplam ışık verimi NaI(Tl)‟un %20‟si civarındadır.
662 keV‟lik gama ışınları için %9 civarında bir
enerji çözünürlüğü bulunmaktadır.
107 Gy‟ye kadar gama ışını pozları için hissedilir
radyasyon hasarı olmamakla birlikte, mükemmel
radyasyon stabilitesi gösterdiği de görünmektedir.
52. Ce-Aktif İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016152
Yitriyum Alüminyum Perovskit (YAP) - YAlO3
Nd ile katkılandığında zaman zaman bir lazer
malzemesi olarak rol oynadığı bilinmektedir.
Toplam ışık verimi NaI(Tl)‟ün %40-50‟sidir.
τ = 27 ns‟dir
Kolayca üretimini ve işlenmesini sağlayan sertlik,
güç ve inertlik gibi üstün fiziksel özellikler gösterir.
Küçük boyutlu kristaller mükemmel enerji
çözünürlüğü gösterirken, örneğin 662 keV‟de
%5.7, aynı zamanda 160 ps kadar düşük
mükemmel zamanlama çözünürlüğü sunarlar.
53. Ce-Aktif İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016153
Yitriyum Alüminyum Garnet (YAG) - Y3Al5O12
Bu malzeme de Nd ile katkılandığında lazer
malzemesi olarak kullanılır.
Yayınım spektrumundaki pik 550 nm‟de
oluşmaktadır ve birçok foto çoklayıcı tüpün
spektral yanıtına iyi bir şekilde eşlenir.
τ = 88 ns ve τ = 300 ns‟lik bozunma zamanlarına
sahip bileşenler gösterir.
Gama ışını uyarımı için bu iki bileşenin göreceli
yoğunlukları sırasıyla %72 ve %28‟dir.
54. Ce-Aktif İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016154
Lütesyum Oksiortosilikat (LSO) – Lu2(SiO4)
Işık çıkışı NaI(Tl)‟ün yaklaşık %75‟i kadardır.
τ = 47 ns‟lik hızlı bir bozunma zamanına ve 420
nm‟de pik veren yayınım spekturumuna sahiptir.
Gama ışın spektroskopisinde kullanılır.
176Lu, LSO‟nun cm3‟ü başına 300 sayım/s‟lik
doğal arkaplan radyasyonu ilave eder.
55. Ce-Aktif İnorganik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016155
Lütesyum Ortoalüminat (LuAP) – LuAlO3
İtriyumun düşük (Z=39) atom numarasından
dolayı YAP gama ışık spektroskopisi için çok
uygun değil.
Bunun yerine Z= 71 olan lütesyum verilerek gama
ışın spektroskopisi mümkün hale getirilir.
τ = 17 ns‟lik düşük bozunma zamanına sahiptir.
Işık çıkışı NaI(Tl)‟ün %50‟sinden fazla
olabilmektedir.
56. Cam Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016156
Ce ile aktive edilmiş B veya Li içerirler.
Nötron dedeksiyonu için kullanıldığında camın içeriği
~95%‟lik 6Li ile zenginleştirilir.
Yayınım, spektrumun mavi bölgesinde pik verir ve
cam içinde Ce3+ siteleri ile birleştirilir.
Modern sintilasyon camları SiO2, LiO2, Al2O3, MgO
ve Ce2O3 çeşitli karışımlarından üretilir, bazen cam
yoğunluğunu artırmak için BaO ilave edilir.
3500 foton/MeV‟lik Işık çıkışı oldukça düşük olmasına
rağmen, ortam koşullarının geleneksel sintilatörlerin
kullanımını kısıtladığı zamanlarda beta veya gama
sayımı için zaman zaman kullanılır.
58. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016158
Organik sintilatörlerin
büyük bir bölümü π
elektron yapısına
sahip organik
moleküllere dayanır.
Böyle bir molekülün
π elektronik enerji
seviyeleri yandaki
şekilde verilmiştir.
59. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016159
Singlet durumları
(spin 0) serisi
şekilde S0, S1, S2,
…olarak
etiketlenmiş,
Triplet (spin 1)
elektronik düzeyleri
ise T1, T2, T3, …
olarak
etiketlenmiştir.
60. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016160
Organik sintilatörler olarak ilgilenilen moleküller
için S0 ve S1 arasındaki enerji boşluğu 3 veya 4
eV‟tur.
Bununla birlikte daha üst seviyedeki durumlar
arasındaki boşluk biraz daha küçüktür.
Bu elektronik konfigürasyonların her biri
molekülün çeşitli titreşim durumlarına uygun olan
daha hassas boşluklara sahip alt seviyelere
bölünür.
61. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016161
Bu seviyelerin tipik boşluğu 0.15 eV
mertebesindedir.
İkinci bir alt indis bu titreşim durumlarını ayırmak
için kullanılır ve S00 sembolü temel elektrik
durumunun en düşük titreşim durumunu gösterir.
Oda sıcaklığında hemen hemen tüm moleküller
S00 durumundadır.
Şekilde enerjinin absorpsiyonu yukarı doğru
oklarla gösterilmiştir.
Bir sintilatör durumunda ise bu süreçler yakından
geçen yüklü bir parçacıktan kaynaklanan kinetik
enerjinin absorpsiyonunu gösterir.
62. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016162
Uyarılmış olan daha yüksek singlet elektronik
durumları hemen (pikosaniye mertebesinde)
radyasyonsuz iç çevrimle S1 elektron durumuna
geri döner.
Ayrıca aşırı titreşim enerjisine (S11 veya S12 gibi)
sahip herhangi bir durum komşularıyla termal
dengede değildir ve hemen bu titreşim enerjisini
kaybeder.
Bu nedenle basit bir organik kristaldeki uyarım
sürecinin net etkisi, göz ardı edilebilecek kadar
kısa bir süre sonra, S10 durumundaki uyarılmış
molekülleri çoğaltmaktır.
63. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016163
Asıl sintilasyon ışığı
(veya öncü floresans)
bu S10 durumu ve
taban elektronik
durumunun titreşim
durumlarından biri
arasındaki geçişlerde
yayınlanır.
Bu geçişler şekilde
aşağı doğru ok işareti
ile gösterilmiştir.
64. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016164
Eğer τ S10 seviyesi için floresans bozunma
zamanını gösterirse uyarılmayı izleyen bir t
zamanındaki öncü floresans yoğunluğunun şöyle
olması gerekir:
Çoğu organik sintilatörde τ birkaç nano saniyedir
ve bundan dolayı öncü sintilasyon bileşeni
göreceli olarak daha hızlıdır.
İlk triplet durumu T1 için yaşam ömrü, S1singlet
durumunun yaşam ömründen karakteristik olarak
daha uzundur.
65. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016165
Sistemler arası geçiş (Intersystem Crossing)
olarak adlandırılan bir geçişle uyarılmış bazı
singlet durumları triplet durumlara çevrilebilir.
T1‟in yaşam ömrü 10-3 s kadar olabilir bundan
dolayı T1‟den S0‟a geri dönüşte yayınlanan
radyasyon, fosforesans olarak karakterize edilen
gecikmeli bir ışık yayınımı olur.
T1, S1‟in altında olduğundan bu fosforesans
spektrumun dalga boyu floresans
spektrumunkinden daha uzun olacaktır.
Bazı moleküller T1 durumundayken S1 durumuna
termal olarak geri uyarılabilir ve daha sonra
normal floresans yoluyla bozunur. Bu gecikmeli
floresansın temelidir.
66. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016166
Herhangi bir sintilatörün sintilasyon verimi
görünür ışığa çevrilmiş olan tüm gelen parçacık
enerjilerinin kesri olarak tanımlanır.
Bu verimin olabildiği kadar büyük olması tercih
edilir ancak maalesef ışığın yayınımına yol
açmayan uyarılmış moleküller için geçerli geri
uyarım kipleri vardır.
Tüm bu radyasyonsuz geri uyarım kipleri
söndürme (quenching) terimi altında gruplanır.
67. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016167
Organik sintilatörlerin üretimi ve kullanımında
uyarım enerjisi için değişimli söndürme
mekanizması sağlayarak ışık çıkışını zayıflatan
safsızlıkları (sıvı sintilatörlerde eriyen oksijen gibi)
elimine etmek önemlidir.
Hemen hemen tüm organik malzemelerde, geri
uyarım meydana gelmeden önce, uyarım enerjisi
molekülden moleküle transfere maruz kalır.
Bu enerji transferi birden fazla molekül türü içeren
bazı organik sintilatörler için önemlidir.
68. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016168
Verimli bir sintilatörün küçük bir derişimi yığın
(bulk) çözücüye eklenirse, öncelikli olarak solvent
tarafından absorplanan enerji sonuçta verimli
sintilasyon moleküllerinden birine yol bulur ve bu
noktada ışık yayınımına neden olur.
Bu “ikili” organik sintilatörler, çeşitli çözeltiler ve
eriyik organik sintlantları birleştiren sıvı ve plastik
çözeltiler olarak geniş çapta kullanılır.
69. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016169
Bu karışımlara zaman zaman eklenen üçüncü bir
bileşen ise bir “dalga kaydırıcı” olarak görev
yapar.
Dalga kaydırıcının işlevi, birincil sintilant yoluyla
üretilmiş ışığı absorplamak ve daha uzun bir
dalga boyunda yeniden yayınlamaktır.
Yayınım spektrumu içindeki bu kayma, sintilatörü
foto çoklayıcı tüpün spektral hassasiyetine
eşlemek ya da büyük sıvı veya plastik
sintilatörlerdeki bulkun kendi absorpsiyonunu
minimize etmek için kullanılabilir.
70. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016170
Organik Kristal Sintilatörler
Yalnızca iki materyal yaygın olarak mevcuttur.
Antrasen, sintilasyon amacıyla kullanılan en eski
materyallerden biridir ve organik sintilatörler
içinde en yüksek sintilasyon yeterliliğine sahiptir.
1.25 x 103 kg/m3 yoğunluğuna sahip antrasenin
bozunma süresi (yaklaşık 30 ns), inorganik
kristallerinkinden daha kısa sürer.
Antrasen farklı şekillerde ve boylarda elde
edilebilir.
71. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016171
Organik Kristal Sintilatörler
Stilben ise en düşük sintilasyon yeterliliğine
sahiptir fakat yüklü tanecik ve elektronlar
tarafından üretilen sintilasyonlar arasındaki puls
şekillendirme diskriminasyonunu ayırt etme
durumlarında tercih edilir.
Işık dönüşüm verimi antrasenin yarısı kadardır.
Stilben kristaller termal ve mekanik şoklara
hassastırlar.
72. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016172
Organik Sıvı Sintilatörler
Bir ya da daha fazla çözüneni ihtiva eden bir
çözücü karışımından oluşur.
İyi çözücülüğe sahip bileşenler ksilen, toluen ve
hekzametilbenzen içerir.
Sıvı sintilatörler, sintilatör çözeltisinin parçası
olarak çözünebilen radyoaktif materyali ölçerken
verimi arttırmak için büyük hacimli dedektöre
ihtiyaç duyulan ölçümlerde oldukça
kullanışlıdırlar.
73. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016173
Organik Sıvı Sintilatörler
Bu teknik 14C ve 3H‟nin yayınladığı düşük seviyeli
beta aktivitelerini sayım, kozmik ışınların tespiti ve
NE213 sintilatörü kullanarak MeV mertebesindeki
nötronların enerji spektrumlarının ölçümünde
yaygın olarak kullanılır.
Katı sintilatörler ile dedekte edilemeyecek kadar
düşük enerjilere sahip olan bu ışınların enerjileri
14C için 156 keV ve 3H için 18 keV‟dir.
74. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016174
Plastik sintilatörler
Sıvı organik sintilatörlerin katı çözeltisi olarak
düşünülebilir.
Sıvı organik sintilatörlerinkine benzer özellikler
taşırlar fakat sıvılarla karşılaştırıldığında
sağladıkları avantaj kaba ihtiyaç duymamalarıdır.
Üretim ve şekillendirilme kolaylığından dolayı,
plastikler organik sintilatörler içinde en kullanışlı
olanlarıdır.
İnce fiberlerden ince levhalara kadar hemen
hemen istenen her tür şekil ve boyda
üretilebilirler.
75. Organik Sintilatörler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016175
Plastik sintilatörler
Su, hava ve birçok kimyasal ile tepkimeye
girmezler; bu nedenle radyoaktif numune ile
doğrudan temas halinde kullanılabilirler.
Plastik sintilatörler, nötron dedeksiyonlarında,
yüklü parçacık dedeksiyonlarında ve Fast Timing
uygulamalarında kullanılırlar.
Bu uygulamalarda kullanılabilmeleri için çok
büyük boyutlarda olmaları veya doğal sert plastik
özelliklerini sağlamaları gerekmektedir.
77. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016177
Işığın Toplanması
Her sintilatörden, iyonize partikülün izinden
izotropik olarak yayınlanan ışığın mümkün olan
en büyük kesrini toplaması beklenir.
Işığın mükemmel şekilde toplanmasından daha
azına neden olan iki etki meydana gelir: sintilatör
içinde kendini absorplama ve sintilatör
yüzeyindeki kayıplar.
Çok geniş sintilatörler veya nadir kullanılan
sintilasyon malzemeleri hariç kendi absorpsiyon
çok önemli bir kayıp mekanizması değildir.
78. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016178
Işığın Toplanması
Ancak ışığın düzgün toplanması öncelikli olarak
sintilatör ve monte edildiği kap arasındaki
arayüzeyde var olan koşullara bağlıdır.
Işık toplama koşulları enerji çözünürlüğünü iki ayrı
şekilde etkiler.
İlki yanıt fonksiyonunun istatistiksel genişlemesi,
İkincisi ise sinyal puls genliğindeki değişimi
belirleyecek olan ışık toplama düzgünlüğüdür.
79. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016179
Işığın Toplanması
Sintilasyon ışığı tüm yönlere yayınlandığından
foto çoklayıcı tüpün yüzeyine ya da sensöre
yalnızca sınırlı bir kesri doğrudan ulaşır.
Eğer geriye kalan ışık da toplanacaksa sintilatör
yüzeyinden bir veya daha fazla kez yansıtılması
gerekir.
80. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016180
Işığın Toplanması
Işık fotonu yüzeye geldiğinde iki durum ortaya
çıkabilir. θ geliş açısı, θc kritik açı olmak üzere;
θ < θc ise kısmi yansıma (fresnel yansıması) olur ve
yüzeyden kısmi aktarım gerçekleşir.
θ > θc ise toplam iç yansıma meydana gelir.
Geliş açısı sıfıra yakınsa yansıyan ışığın kesri birkaç
yüzdeye düşer.
81. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016181
Işığın Toplanması
Kritik açı θc, sintilasyon ortamı n0 ve onu saran
ortam (genelde hava) n1 için kırılma indisi ile
belirlenir.
82. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016182
Işığın Toplanması
Yüzeyden kaçan ışığı tekrar yakalamak için foto
çoklayıcı tüp hariç tüm sintilatör yüzeyi bir
reflektör ile sarılmalıdır.
Reflektörler yansıtıcı (specular) veya dağıtıcı
(diffuse) olabilir.
Parlatılmış metal yüzey geliş açısının yansıma
açısına eşit olduğu bir yansıtıcı reflektör olarak
davranacaktır.
Yansıtıcı reflektörler için en iyi sonuçlar genellikle
magnezyum oksit veya alüminyum oksit gibi
malzemelerle elde edilir.
83. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016183
Işığın Toplanması
Burada yansıma açısı geliş açısından neredeyse
bağımsızdır ve Lambert kanunuyla verilen
dağılımı izler:
Burada ψ yüzeyin normaline göre yansıma
açısıdır.
84. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016184
Işığın Toplanması
Toplam iç yansıma, yansıtan yüzeylerde arzu
edilir olmasına rağmen sintilatörün izlendiği yerde
ışığın içsel tuzaklanmasını engellemek için
minimize edilmesi gerekir.
İdeal olarak sintilatörün, foto çoklayıcı tüpün foto
katotuna sintilatörle aynı kırıcılık indisine sahip
ışık geçiren bir ortam yoluyla optik olarak
eşlenmesi istenir.
85. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016185
Fotoçoklayıcı Tüpler
Sintilatör ortamından uyarılma sonucu yayınlanan
fotonların dedeksiyonunda fotoçoğaltıcı tüpler
kullanılır.
86. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016186
Fotoçoklayıcı Tüpler
Temel olarak bir fotokatot, kademeli olarak voltaj
uygulanan 8-10 adet dinod denilen elektrottan ve
bir toplama elektrodundan (anot) meydana
gelmiştir
87. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016187
Fotoçoklayıcı Tüpler
Fotokatot, üzerine düşen ışığı (fotonları)
fotoelektrik etkisi elektronlara çevirmeye yarar.
Genellikle sezyum-antimon bileşiminden
yapılmıştır.
88. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016188
Fotoçoklayıcı Tüpler
Fotokatotlarda fotoelektrik etkisi sonucu oluşan
elektronların oluşturduğu akım çok zayıf
olduğundan ölçülebilmesi için çoğaltılması
gerekir.
89. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016189
Fotoçoklayıcı Tüpler
Çoğaltma işi dinodlar aracılığıyla yapılır.
Dinodlar bir seri direnç zinciri ile kademeli olarak
artan gerilimlerde tutulur.
90. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016190
Fotoçoklayıcı Tüpler
Böylece fotokatottan veya önceki bir dinoddan
yayınlanan elektronlar, daha çok elektron
sökebilecek kadar enerji kazanacak biçimde,
sonraki dinoda doğru hızlandırılırlar.
91. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016191
Fotoçoklayıcı Tüpler
Dinodların yüzeyi, ikincil elektron yayınlanmasının
yüksek olasılıklı olduğu maddelerden yapılmış
olup çarpan her elektron için birden fazla elektron
yayınlanır ve bunlar dinoddan dinoda ilerlerken
elektron sayısı elektronik devreleri sürebilecek
kadar uygun biçimde artar (elektron çoğalması).
92. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016192
Her bir dinodun elektron çoğaltma miktarı 5
çarpanı kadar olacaktır.
Örneğin 10 dinodlu bir tüple sağlanacak kazanç
510 (107 civarında)‟dur.
Enerji spektrometreleri için iki önemli özellik
lineerlik ve kararlılıktır.
Lineerlik, son çıkış puls genliğinin, sintilasyon
olaylarının sayısı ile dolayısıyla radyasyon
tarafından dedektörde depo edilen enerji ile doğru
orantılı olması demektir.
93. Işığın Toplanması ve Fotoçoklayıcı
Tüpler
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016193
Çoğaltma katsayısı, dinodlar arasına uygulanan
voltaj değişimine karşı çok hassastır.
Yüksek voltajdaki herhangi bir değişme çıkış
pulslarındaki değişimlere neden olacaktır; bu
yüzden yüksek voltaj kaynağının kararlı olması
gereklidir.
Bu nedenle dinodlar bir seri direnç zinciri ile
kademeli olarak artan gerilimlerde tutulur.
Bir elektron koparılması için 2-3 eV yeterli olabilir.
Bu şekilde çoğaltılmış elektronlar, anotta
toplanarak RL yük direnci üzerinde bir puls
oluşturur
94. Kaynaklar
19.06.2013Harun ÇETİN - 1028016194
KNOLL, F., Glenn, Radiation Detection and
Measurement Third Edition, Wiley & Sons
GÖREN, Elif, Adana İçme Sularında Trityum
Aktivitesinin Belirlenmesi, Çukurova Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Ana Bilim Dalı
Yüksek Lisans Tezi, Adana, 2011
İyon Dedektörleri,
http://www.bayar.edu.tr/besergil/2_iyon_dedektorl
eri.pdf
Basic Detection Techniques 2009-2010,
http://www.astro.rug.nl/~peletier/Bas%20Det%20T
ech%202009%20scintillators.pdf