Radyasyon Dedektörleri

Radyasyon dedektörleri radyasyon ölçmek için kullanılan aletlerdir. Bu aletler tıbbi teşhisler, radyoaktif ölçümler, taban sayımı ölçümleri ve yüksek enerjili çekirdek reaksiyonlarında meydana gelmiş parçacıkların; kütle, enerji ve momentum ölçümleri gibi çeşitli amaçlar için kullanılır. Bu dedektörler iyon odası dedektörü, geiger sayacı, yarı iletken diyot dedektörü, sintilasyon sayacı, iz dedektörleri, fotografik emülsiyon dedektörü, sis odası dedektörü, kabarcık odası dedektörü, kıvılcım odası dedektörü,nötron dedektörleridir.

Bir iyon odacığında, elektron-iyon çiftleri bir gaz içinden geçen radyasyon olarak üretilirler ve bir elektrik sinyali oluştururlar. Odacıkta, iki plaka bir voltaj kaynağına bağlanır ve farklı elektrik potansiyelleri devam ettirilerek pozitif tabaka, elektronları ve negatif tabaka, pozitif iyonları çeker. Bu durum bir radyoaktif parçacık odacığa girdiği zaman oluşan elektron-iyon çiftlerinin sayısı ile doğru orantılı bir akım meydana getirir. Bir iyon odacığı hem bir radyoaktif parçacığın varlığını saptamak hem de onun eneıjisini olçmek için kullanıldığı zaman ise bir orantılı sayaç olarak adlandırılır.

Geiger sayacı, radyasyonu belirlemek için kullanılan en yaygın cihazdır. Radyasyonu belirlemenin temel işlemi, ortamın iyonlaşmasını sağlamaktır. Geiger sayacı bu işin prototipi olarak düşünülebilir. Sayaç, düşük basınçtaki bir gaz ile doldurulmuş silindirik bir metal tüp ve tüp ekseni boyunca uzun bir tel elektrot içerir. Tel, tüpe göre yüksek bir pozitif potansiyelde (yaklaşık 1000 V) tutulur. Yüksek enerjili bir parçacık, bir uçtaki ince bir pencereden tüpün içine girdiğinde, gaz halindeki atomların bazılarını iyonlaştırır. Atomlardan kopan elektronlar, pozitif tele doğru çekilir ve bu işlemde elektronlar yörüngelerindeki diğer atomları da iyonize ederler. Bu da, tüpün çıkışında bir akım pulsu üreten elektronlar kümesinin ortaya çıkmasıyla sonuçlanır. Pulsu yükselttikten sonra ya bir elektronik sayıcıyı tetiklemek için kullanılır ya da her parçacık yakalanmasında çıkan ses, bir hoparlöre dağıtılabilir. Bir geiger sayacı, radyoaktif bir parçacığın varlığını kolayca saptamasma rağmen, sayaçtaki parçacığın enerji kaybı oluşturulan akım pulsu ile doğru orantılı değildir. Bu nedenle, bir geiger sayacı radyoaktif parçacığın enerjisini ölçmek için kullanılamaz.

Bir yarı iletken diyot dedektörü, aslında geri beslemeli bir p-n eklemidir. p-n eklemli bir diyodun, ileri beslemeli olduğunda hemen akım geçirdiğini, geri besleme şartları altında ise akım çıkışını engellediği prensibiyle çalışmaktadır. Hızlı bir parçacık, eklem içinden geçtikçe elektronlar iletken bant içinde uyarılırlar ve böylece valans bandında boşluklar oluşur. İçerdeki elektrik alan elektronları, eklemin pozitif (n), boşlukları da negatif (p) tarafina doğru sürükler. Bu da elektronik bir sayıcı ile sayılabilen bir puls meydana getirir. Tipik bir cihazdaki pulsun süresi 100 nanosaniyedir ve yarı iletken diyot geiger sayacından daha hassas bir dedektördür.

Sintilasyon sayacında, gelen ışımayla atomları kolaylıkla uyaran katı veya sıvı bir malzeme kullanılır. Bu uyarılmış atomlar, temel durumlarına geri döndüğünde görünür ışık yayınlarlar. Sintilatör olarak kullanılan yaygın malzemeler, sodyum iyodür kristalleri ve belli plastiklerdir. Böyle bir malzeme foto çoğaltıcı tüp denilen bir cihazın ucuna bağlandığında, similatör tarafından yayınlanan fotonlar elektrik sinyaline dönüştürülür. Foto çoğaltıcı tüpü, tüpün uzunluğu boyunca potansiyelin artırıldığı dynode denen çeşitli elektrotlar içerir. Tüpün üst kısmı ile sintile malzeme arasında fotokatot olarak adlandırılan bir plaka vardır. Fotonlar sintile malzemeden çıkarken bu plakaya vururlar, fotoelektrik etkisi ile elektronlar yayınlanır. Bu yayınlanan elektronlardan birisi ilk dynoda çarptığında birkaç elektron fırlatmak için yeterli kinetik enerjiye sahip olur. Bu elektronlar ikinci dynoda hızlandırıldığında çok daha fazla elektron fırlatılır ve kümelenme olayı meydana gelir. Sonunda dynoda 1 milyon veya daha fazla elektron çarpar. Bu nedenle, sintilatöre çarpan bir parçacık foto çoğaltıcı tüpün çıkışında oldukça büyük elektrik pulsu üretir ve her bir puls elektronik sayaca gönderilir. Belirleyici ortamın daha yüksek yoğunluğundan dolayı similatör sayacı gibi yarı iletken diyot dedektör de, geiger sayacından çok daha hassastır. Eğer parçacıklar dedektör içerisinde durursa, her ikisi de parçacıkların enerjisini ölçmede kullanılabilirler.

İz dedektörleri yüklü parçacıkların izlerini doğrudan görmek için kullanılan cihazlardır. Parçacık hızlandırıcılarında üretilmiş yüksek enerji parçacıkları enerjileri 1 milyar elektronvolt kadar olabilir. Bu nedenle, parçacıklar durdurulamazlar ve yukarıda belirtilen dedektörlerle enerjileri ölçülemez. Bunun yerine, bu enerjili parçacıkların enerji ve momentumlarının büyüklüğü ve yönü bilinen bir manyetik alan içerisindeki yollarının eğrilerinden bulunurlar.

Fotografik emülsiyon, iz dedektörlerinin en basit bir örneğidir. Yüklü bir parçacık emülsiyon tabakasındaki atomları iyonlaştırır. Parçacığın yörüngesi emülsiyonda meydana gelmiş kimyasal değişikliklerin olduğu noktalar topluluğuna karşılık gelir. Emülsiyon geliştirildiğinde parçacığın izi görünür olur.

Sis odası, bilinen yoğunlaşma noktasının altına kadar soğutulmuş bir gaz içerir. Sis odasının içinden geçen parçacık, yörüngesi boyunca gazı ıyonlaşurn'. Bu iyonlar aşın soğutulmuş gaz içinde yoğunlaşma merkezleri oluşunun izleri çıplak gözle görülebilir ve fotoğrafı çekilebilir. Radyoaktif parçacıkların yüklerini ayrıca momentum ve enerjilerini belirlemek için manyetik alan uygulanabilir.

1952'de Glaser tarafından geliştirilen elektron hareketlerini gösteren cihaz (kabarcık odası), kaynama noktası civarında tutulan bir sıvıyı kullanır. Gelen yüklü parçacıklar tarafından üretilen iyonlar kabarcık odasından ayrılırlar. Bu da görüntülenebilir. Bir kabarcık odasının belirleyici ortamının yoğunluğu, bir sis odasındaki gazın yoğunluğundan çok daha yüksek olduğundan, kabarcık odası, oldukça büyük bir duyarlılığa sahiptir.

Kıvılcım odası iletken paralel plakalar dizisini içeren ve üç boyutlu iz kaydı yapabilen bir sayma aracıdır. Çift numaralı plakalar topraklanıp, tek numaralar ise yüksek potansiyelde (10 kV) tutulur. Plakalar arasındaki boşluklar, atmosfer basıncında soygaz içerir. Yüklü bir parçacık odanın içinden geçerken gazda iyonlaşma meydana getirir. Bunun sonucunda büyük bir akım dalgası ve görünür bir elektrik kıvılcımı oluşur. Bu kıvılcımlar fotoğraflandırılabilir veya elektronik olarak belirlenip, parçacığın kütle, momentum ve enerjisinin belirlenmesi ve yolunun yeniden saptanması için bilgisayara gönderilir.

Nötron dedektörleri yapmak yüklü parçacık dedektörlerinden çok daha zordur. Çünkü nötronlar madde içinden geçerken atomlar ile elektriksel olarak etkileşmezler. Ancak, hızlı nötronlar hidrojen gazı ile doldurulmuş bir iyon odası ve nötron-proton çarpışmalarından üretilmiş yüksek hızlı geri tepen protonların iyonlaşması sonucu belirlenmesi ile saptanabilirler. Yavaş nötronlar 1 MeV'den (megaelektronvolttan) az olan enerjileri yoluyla saptamak için bunları protonlara transfer edemezler; ancak bir Bor bileşik gaz ile doldurulmuş bir iyon odası tarafından saptanabilirler. Bu durumda, kullanılan gazdaki Bor çekirdeği nötron yakalanması esnasında parçalanır, yüklerinden dolayı alfa parçacıkları yayınlanması ile iyon odasında kolayca belirlenirler.