Document

X-Işınları
4. Ders: X-ışını sayaçları
Numan Akdoğan
[email protected]
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü
Fizik Bölümü
Nanomanyetizma ve Spintronik Araştırma Merkezi (NASAM)
X-ışını sayaç çeşitleri
N. Akdoğan
1.
Fotoğraf filmi
2.
Gaz iyonlaştırma sayaçları
3.
Orantılı sayaçlar
4.
Geiger Sayaçları
5.
Parıltı (scintillation) sayaçları
6.
Yarıiletken sayaçlar
7.
CCD sayaçlar
4. Ders: X-ışını sayaçları
1. Fotoğraf filmi
X-ışınları için kullanılan ilk sayaçlardan ve hala çok yaygın.
Tıbbi görüntüleme için ve bilimsel çalışmalarda sayaç olarak kullanılıyor.
X-ışının değdiği yerler karanlık, değmediği yerler daha aydınlık.
Kalibrasyonunun zor olması, sıcaklık ve nemden etkilenmesi ve yeniden
kullanılamaması nedeniyle artık bilimsel çalışmalarda sayaç olarak tercih
edilmiyor.
N. Akdoğan
4. Ders: X-ışını sayaçları
2. Gaz iyonlaştırma sayaçları
 Bu tür bir sayaç giriş ve çıkış pencereleri olan dikdörtgen bir gaz odasından
oluşmaktadır. Gaz olarak genellikle soy gazlar (He, Ne, Ar, ...) kullanılır.
 Sayaç içerisinde, elektrik alan uygulanmış birbirlerine paralel iki plaka vardır.
 X-ışınları bu gaz odasına girdikleri zaman gaz atomlarıyla etkileşerek, foto
elektronlar, Auger elektronları ve/veya floresans ışınları (fotonlar) üretirler.
 Yani gaz atomları iyonlaştırılmış olur.
 Üretilen elektronlar gaz atomlarıyla esnek olmayan çarpışmalar yaparak
yeniden elektron-iyon çiftleri oluşturabilirler.
 Üretilen floresans ışınları (fotonlar) sistemi tamamen terkedebilir veya yeni foto
elektronlar oluşturabilirler.
 Elektronlar ve iyonlar sayacın plakalarında (~200 V) birikirler ve oluşan akım
düşük gürültülü akım yükseltici (amplifier) tarafından ölçülür.
Eğer sayaç boyutları ve gaz tipi doğru seçilirse, bu sayaçların verimi 100%’e
yaklaşır.
N. Akdoğan
4. Ders: X-ışını sayaçları
2. Gaz iyonlaştırma sayaçları
http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/i/ionizationchamber.htm
N. Akdoğan
4. Ders: X-ışını sayaçları
3. Orantılı sayaçlar
 Bu sayaçlar da bir tür gaz iyonlaştırma sayacıdır.
 Fakat anot çubuk ve katot arasına uygulanan elektrik alan, gaz iyonlaştırma
sayaçlarına göre çok daha büyüktür (~600V-900 V).
 Üretilen fotoelektronlar çok yüksek voltaj farkı altında anoda doğru
hızlandırıldıkları için fazladan enerji kazanırlar ve başka gaz atomlarını da
iyonlaştırabilirler.
 Böylece çoklu iyonizasyon (multiple ionization) meydana gelir ve daha kolay
ölçülebilen akım oluşturulur. Buna gaz yülseltmesi (gas amplification) de denir.
 İlk iyonizasyonla oluşturulan sonraki iyonlaştırmaların sayısı, X-ışınlarının
enerjisiyle orantılıdır.
N. Akdoğan
4. Ders: X-ışını sayaçları
3. Orantılı sayaçlar
http://www.answers.com/topic/x-ray-fluorescence
N. Akdoğan
4. Ders: X-ışını sayaçları
4. Geiger sayaçları
 Çalışma prensibi orantılı sayaçlarla aynıdır.
 Anot çubuk ve katot arasına biraz daha yüksek voltaj uygulanır.
http://www4.nau.edu/microanalysis/microprobe/WDS-DetectorTheory.html
N. Akdoğan
4. Ders: X-ışını sayaçları
5. Parıltı (scintillation) sayaçları
 Parıltı (scintillation) sayaçları, X-ışınına maruz kaldığında floresans ışınları
yayınlayan bir kristalden oluşur.
 Kristal malzeme olarak genellikle thallium-activated sodium iodide [NaI(Tl)],
sodium-activated cesium iodide [CsI(Na)] veya bismuth germanate [BGO]
kullanılır.
 Kristalden çıkan floresans ışınları, bir ışık çoğaltıcı (photomultiplier) tüp (PMT)
tarafından ölçülür.
 Enerji çözünürlüğü, orantılı sayaçlara göre 2-3 kat daha iyi.
http://www.ap.smu.ca/crc/index.php?option=com_content&view=article&id=64:detector-design-&catid=40:detectors&Itemid=61
N. Akdoğan
4. Ders: X-ışını sayaçları
6. Yarıiletken sayaçlar
 Genellikle Si veya Ge oluşan diyotlar kullanılır.
 X-ışını “depletion” bölgesiyle etkileştiği zaman, değerlik (valence) bandındaki
bir elektronu iletkenlik (conduction) bandına çıkarır.
 Böylece bir elektron-deşik çifti oluşturulur (Gaz sayaçlarındaki elektron-iyon
çifti gibi).
Diyodun uçlarına elektrik alan uygulanırsa elektron-deşik çifti ayrılır ve hızla
ters yönlere doğru giderler ve akım oluşur.
 Oluşan elektron-deşik çiftlerinin yoğunluğu (dolayısıyla akım), yarıiletken
üzerine gelen X-ışınlarının miktarına bağlıdır.
 Fotodiyot sayaçlar PMT’ler kadar hassas değildir. Fakat küçük ve
dayanıklıdırlar.
http://sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series.php
N. Akdoğan
4. Ders: X-ışını sayaçları
7. CCD sayaçlar
 CCD (Charge Coupled Device ) sayaç, µm boyutlarındaki kare şeklinde birçok
(mesela 4096 × 4096) görüntü noktasından (pixel, picture element) oluşur.
 CCD önüne yerleştirilen ince bir fosfor ekrana gelen X-ışınları, önce CCD’nin
sayabileceği görünür bölge ışınlarına dönüştürülür.
 Optik araçlarla CCD üzerine yönlendilen ışık bir görüntü noktasına geldiği
zaman, fotoelektronlar aracılığıyla elektrik yükü oluşturulur.
 Görüntü noktasına ne kadar foton gelirse yükün büyüklüğü de o kadar artar.
 Dolayısıyla daha parlak ışıma daha büyük yük oluşturur.
 Bütün görüntü noktalarından gelen bilgi birleştirilerek, görüntü oluşturulur.
N. Akdoğan
4. Ders: X-ışını sayaçları
7. CCD sayaçlar
http://www.proteincrystallography.org/detectors/
N. Akdoğan
4. Ders: X-ışını sayaçları