Nükleer Spektroskopi
Arş. Gör. Muhammed Fatih KULUÖZTÜRK
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
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
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.
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+ ⋯
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.