Nükleer Spektroskopi

Arş. Gör. Muhammed Fatih KULUÖZTÜRK

fatih.fizik@gmail.com

BİTLİS EREN ÜNİVERSİTESİ

FİZİK BÖLÜMÜ

BÖLÜM SEMİNERLERİ

26.03.2014

NÜKLEER SPEKTROSKOPİ

• Radyasyon ve Radyoaktivite

• Radyasyon Madde Etkileşmesi & Radyasyon Deteksiyonu

• Nükleer Elektronik

• Nükleer Spektroskopi

• Fotonükleer Reaksiyon ve spektroskopi

Radyasyon ve Radyoaktivite

Radyasyon, enerjinin bir noktadan başka bir noktaya parçacık ya da elektromanyetik dalga aracılığı ile taşınmasıdır.

Parçacık radyasyona örnek olarak alfa, beta, nötron v.s. sayılabilir. Elektromanyetik radyasyona ise gama ve x-ışını örnek olarak gösterilebilir.

Radyasyon yayılımı çekirdekten gerçekleşebileceği gibi atomik uyarılmalar ve yüklü parçacıkların hızlandırılması sonucunda da meydana gelebilir.

Radyasyonu tanımlarken üç temel niceliğini belirlemek gerekir;

1. Enerjisi (Düşük ya da yüksek enerjili)

2. Türü (Parçacık ya da elektromanyetik radyasyon)

3. Kaynağı (Doğal ya da yapay radyasyon)

Radyasyonun tanımlanması sayesinde hangi radyonüklitten yayıldığı belirlenebilir. Böylece radyasyonun yarıömrü ve bozunum sabiti belirlenebilir.

Ortamdaki radyasyonun karakteristik bilgileri belirlendikten sonra miktarını belirtmek amacıyla radyoaktivitesinin belirlenmesi gerekir.

Aktivitenin birimi yeni birim sisteminde Becquerel (Bq)(bozunum/saniye)’dir. Eski birim sisteminde ise buna Curie (Ci) karşılık gelir. (1 Ci=3,7x1010 Bq)

Radyoaktif Bozunum Kanunu

𝑁 𝑡 = 𝑁0𝑒−𝜆𝑡 N(t) : t süre sonunda bozunmadan kalan miktar N0 : Başlangıçtaki miktar : Bozunum sabiti t : Süre

Yarılanma Süresi N(t)=N0/2 , t = t1/2;

t1/2=ln2/

Aktivite

𝑨 𝒕 =𝝏𝑵(𝒕)

𝝏𝒕

A(t) N(t) = Ae-t

TERİM BİRİMİ

DÖNÜŞÜM

ESKİ YENİ

AKTİVİTE Curie (Ci) ; 3,7x1010

bozunum/saniye Becquerel (Bq); 1 bozunum/saniye

1 Ci= 3,7x1010 Bq 1 Ci=37 GBq

IŞINLAMA DOZU

Röntgen (R); normal hava şartlarında (0oC ve 760 mmHg basıncı) havanın 1 kg'ında 2.58x10–4 Coulomb'luk elektrik yükü değerinde (+) ve (-) iyonlar oluşturan X veya radyasyonu miktarıdır.

Coulomb/kilogram (C/kg); normal hava şartlarında havanın 1kg'ında 1 coulomb'luk elektrik yükü değerinde (+) ve (-) iyonlar oluşturan X veya radyasyonu miktarıdır.

1 C/kg=3876 R 1 R= 2,58x10-4

C/kg

SOĞURULMUŞ DOZ

radiation absorbed dose (rad); ışınlanan maddenin 1 kg'ında 10–2 Joule'luk enerji soğurulması meydana getiren herhangi bir radyasyon miktarıdır.

Gray (Gy); ışınlanan maddenin 1 kg'ında 1 Joule'luk enerji soğurulması meydana getiren herhangi bir radyasyon miktarıdır.

1 Gy=100 rad 1rad=0,01 Gy

DOZ EŞDEĞERİ

röntgen equivalent man (rem); 1 Röntgenlik X veya ışını ile aynı biyolojik etkiyi oluşturan herhangi bir radyasyon miktarıdır. rem=(rad)x(WR)*

Sievert (Sv); 1 Gy lik X ve ışını ile aynı biyolojik etkiyi meydana getiren herhangi bir radyasyon miktarıdır. Sv=(Gy)x(WR)*

1 Sv=100 rem 1 rem=0,01 Sv

NÜKLEER SPEKTROSKOPİ

• Radyasyon ve Radyoaktivite

• Radyasyon Madde Etkileşmesi & Radyasyon Deteksiyonu

• Nükleer Elektronik

• Nükleer Spektroskopi

• Fotonükleer Reaksiyon ve spektroskopi

Radyasyon madde ile etkileştiğinde madde içerisinde;

• hasar oluşumlarına,

• atomik uyarılmalara,

• elektron-pozitif iyon çifti oluşumuna,

• elektron-deşik çifti oluşumuna

neden olur. Bu etkileşmeler sonucunda oluşan hasar, uyarılma veya iyon çiftlerinin miktarı, radyasyonun enerjisi ve tipine bağlı olduğu kadar radyasyonla etkileşen maddenin yapısına da bağlıdır.

RADYASYON – MADDE ETKİLEŞİMİ

Alfa Radyasyonunun polimer zincirle etkileşimi

Katı hal iz detektöründe oluşan radyasyon izleri

Ağır yüklü parçacık radyasyonlar madde içerisinde kısa mesafelerde bütün enerjilerini bırakarak soğurulurlar. Bu nedenle madde içerisinde hasar oluşumuna sebep olurlar.

Gama Radyasyonunun madde içerisinde sebep olduğu uyarılma

Sintilasyon detektöründe radyasyon deteksiyonu

Radyasyonun maddesel ortamda meydana getirdiği iyonlaşma

Gaz doldurulmuş tüp detektörlerde deteksiyon

Radyasyonun yarıiletken malzeme içerisindeki etkileşimi ve deteksiyonu

NÜKLEER SPEKTROSKOPİ

• Radyasyon ve Radyoaktivite

• Radyasyon Madde Etkileşmesi & Radyasyon Deteksiyonu

• Nükleer Elektronik

• Nükleer Spektroskopi

• Fotonükleer Reaksiyon ve spektroskopi

Aktif sayım sistemleri, amaca uygun seçilmiş detektörler ile bunların en verimli çalıştırılabileceği bir elektronik sistemle birleştirilmesiyle elde edilir. Aktif sayım sistemleri anlık ya da toplam spektrum elde etmek ya da basit sayımlar yapmak için kullanılmaktadırlar.

Detektöre farklı enerjilerde gelen radyasyonlar içerisinde detektörün, hangi enerjili radyasyon ile ne kadar etkileştiği ya da istenilen enerjiye sahip radyasyona ne kadar maruz kaldığı belirlenebilir. Bu belirleme işlemi çok kanallı analizör (Multi Channel Analyser-MCA) ve tek kanallı analizörler (Single Channel Analyser-SCA) ile gerçekleştirilir.

Nükleer Elektronik

Nükleer elektronik sistemler genel olarak; detektör, ön yükselteç, puls şekillendirici, ana yükselteç ve çıkış-gösterge katlarından oluşmaktadırlar. Detektörler, nükleer ışınımların elektriksel pulslara dönüştürülmesini sağlarlar. Yükselteçler, detektörlerden gelen pulsların çıkış ve gösterge aygıtlarınca güvenlikle ve rahatlıkla değerlendirilebilmesini sağlamak amacıyla, arada yükseltme ve şekillendirme işlemini yaparlar. Çıkış ve gösterge katları ise nükleer enerjinin elektriksel pulslara dönüştürülenlerinin sayılmasını, sıralanmasını ve diğer tür işlemleri yaparak kullanmaya sunan, değerlendiren ve bilgi veren bölümleridir.

TÜRDEP

Puls Yükseltme ve Şekillendirme

Voltaj Duyarlı Ön-Yükselteç Yük Duyarlı Ön-Yükselteç

Sıfır kutup düzeltmesi (pole-zero cancellation)

Yığılım önleyici (pile-up rejector)

Temel seviye düzeltici (baseline restorer)

Tek Kanallı Analizör

Belirli bir enerji aralığındaki radyasyonu algılamak amacıyla kullanılırlar. Kabaca iki karşılaştırma devresinden (fark yükselteci) oluşurlar. Bu fark yükselteçlerinden biri alçak (alt) seviye ayırıcısını (E)(Lower Level Discriminator-LLD) oluşturur ve diğeri ise yüksek seviye ayırıcısını (E + ∆E)(Upper Level Discriminator-ULD) oluşturur.

Bu iki enerji aralığında kalan sinyaller sayım değeri kazanır ve dijital sinyallere dönüştürülerek kayıtçı birimine gönderilir.

Çok Kanallı Analizör

Belirli bir enerji aralığını, sahip olduğu kanal sayısına bölerek ΔE enerji aralıklarında gelen radyasyonların algılanmasını gerçekleştiren sistemlerdir. Kabaca birden fazla SCA nın ardışık olarak birleştirilmiş halidir. Aynı anda farklı enerjilere sahip radyasyonlar algılanmak istendiğinde bu sistemler kullanılır. Kanal sayısı arttıkça sistemin enerji çözünürlüğü (resolution) artar.

NÜKLEER SPEKTROSKOPİ

• Radyasyon ve Radyoaktivite

• Radyasyon Madde Etkileşmesi & Radyasyon Deteksiyonu

• Nükleer Elektronik

• Nükleer Spektroskopi

• Fotonükleer Reaksiyon ve spektroskopi

Spektrum oluşumu

Enerji Çözünürlüğü

Detektörlerin kalitesini belirlemek için çoğunlukla kullanılan önemli parametrelerden birisi çözünürlüktür. Alfa parçacıkları ve çoğu fotonlar mono-enerjiktir. Bu nedenle spektrumlarının keskin bir pik olması gerekir. Ancak radyoaktivitenin istatistiksel doğasına ve kullanılan sistemin karakteristiklerine bağlı olarak bu pik genişler. Detektörün çözünürlüğü pik genişliğinin bir ölçüsüdür. Maksimum yüksekliğin yarısındaki pik tam genişliği (FWHM – Full Width at Half Maximum) olarak tanımlanır.

Gama Spektroskopisinde Spektrum Bileşenleri

Kalibrasyon: Bir ölçü aleti veya ölçme sisteminin gösterdiği veya bir ölçeğin ifade ettiği değerler ile, ölçülenin bilinen değerleri arasındaki ilişkiyi belli koşullar altında oluşturan işlemler dizisi olarak tanımlanır. Nükleer spektroskopide analizi yapılacak bir numunede ilgilenilen radyoaktif çekirdeğin yaydığı radyasyon enerjisi ve birim kütledeki aktivitesinin doğru bir şekilde saptanabilmesi için yapılan ön işlemler dizisi olarak adlandırılabilir.

• Enerji Kalibrasyonu (Kanal numaralarının fonksiyonu)

• Verim Kalibrasyonu (Ln(eff)= Ln(E) nin fonksiyonu)

• Çözünürlük (resolution) (FWHM2=enerjinin fonksiyonu)

kalibrasyonu

Enerji Kalibrasyonu

E enerji, m elde edilen grafiğin eğimi, K kanal numarası, c düzeltme sabiti (sıfıra olabildiğince yakın)

E = m.K + c

Verim Kalibrasyonu

𝜺 =𝑵

𝑨. 𝒕. 𝑷𝜸

verim, N net sayım alanı, A kaynak aktivitesi, t net sayım süresi, P gamanın kaynaktan yayınlanma olasılığı.

𝒍𝒏𝜺 = 𝒂𝟎 + 𝒂𝟏(𝒍𝒏𝑬𝜸)𝟏+𝒂𝟐(𝒍𝒏𝑬𝜸)𝟐+𝒂𝟑(𝒍𝒏𝑬𝜸)𝟑+ ⋯

Çözünürlük Kalibrasyonu

𝐹𝑊𝐻𝑀 = 𝛼 + 𝛽. 𝐸

Region Of Interest

Aktivite ve Hata Hesaplama

𝑨 =𝑵𝑬𝜸

𝜺𝜸. 𝒕. 𝑷𝑬𝜸

A : Aktivite (Bq/kg) NE : E enerjisine ait net sayım alanı : E enerjisine ait verim t : Net sayım süresi PE : E enerjili gamanın yayınlanma olasılığı

𝑁𝑒𝑡 𝑎𝑙𝑎𝑛 ℎ𝑎𝑡𝑎𝑠𝚤 = (𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑎𝑙𝑎𝑛 ℎ𝑎𝑡𝑎𝑠𝚤)2+(𝑏𝑎𝑐𝑘𝑔𝑟𝑜𝑢𝑛𝑑 ℎ𝑎𝑡𝑎𝑠𝚤)2

Toplam alan hatası= 𝑡𝑜𝑝𝑙𝑎𝑚 𝑎𝑙𝑎𝑛

NÜKLEER SPEKTROSKOPİ

• Radyasyon ve Radyoaktivite

• Radyasyon Madde Etkileşmesi & Radyasyon Deteksiyonu

• Nükleer Elektronik

• Nükleer Spektroskopi

• Fotonükleer Reaksiyon ve spektroskopi

Nb93(,n)Nb92

fotonükleer reaksiyonu

kullanılarak Nb92’nin

foton enerjilerinin ve

bozunum sabitinin

bulunması.

Nb92 gama spektrumu

𝐴 𝑡 = 𝐴0. 𝑒−𝜆𝑁𝑏.𝑡

𝐴 2𝑡 = 𝐴𝑡 . 𝑒−𝜆𝑁𝑏.𝑡

𝐴 3𝑡 = 𝐴2𝑡 . 𝑒−𝜆𝑁𝑏.𝑡 . . .

𝜆𝑁𝑏 =ln

𝐴0𝐴(𝑡)

𝑡

TEŞEKKÜRLER