Gama Spektroskopi

• Araştırma Alanları

TARLA Gama Spektroskopisi ve Radyasyon Fiziği deney istasyonu, resimde gösterildiği gibi C003 odasında bulunmaktadır. İstasyonun temel amacı, nükleer fiziğin temellerinde gama spektroskopisi çalışmalarını gerçekleştirmektir. Bunun yanı sıra, hedef istasyonu, çeşitli numunelerin gama fotonlarıyla ışınlanması için radyasyon etkilerinin araştırılmasına da uygundur.

1. Gama Spektroskopisi

Gama spektroskopisi, bozunan çekirdeklerin yaydığı gama ışınlarının enerji ve yoğunluğunu incelemek için kullanılan bir tekniktir. Gama ışını spektrumlarının analizi sayesinde, farklı çekirdeklerin tanımlanması ve miktarının belirlenmesi mümkündür. Bu yöntem, temel nükleer fizik araştırmalarında ve diğer uygulamalarda güçlü bir araçtır. Süreç, gama ışınlarının bir dedektör (sintilasyon veya yarı iletken) ile algılanmasını ve ardından sinyallerin işlenmesini ve analiz edilmesini içerir. Çok dedektörlü diziler kullanıldığında, analiz enerji ve yoğunluğun ötesinde zamanlama, momentum, parite gibi daha fazla bilgi sağlayabilir. Gama spektroskopisi, elementlerin benzersiz gama ışını enerji imzalarına dayanarak tanımlanmasında özellikle faydalıdır.

1a. Nükleer Rezonans Floresansı (NRF) 

Nükleer Rezonans Floresansı, gelen foton enerjisinin çekirdeklerin parçacık ayrılma enerjisinin altında olduğu bir foto-nükleer reaksiyon türüdür. Temelde bu bir (γ,γ’) saçılmasıdır. NRF, çekirdek yapısını araştırmak için kullanılabilir. Çekirdek durumlarını rezonanslı şekilde uyararak NRF, çekirdeklerle ilgili birçok özelliği belirlemek için kullanılabilecek özel bilgiler sağlar. Şu anda NRF deneyleri, TARLA’da yapılabilen tek uygulanabilir temel nükleer fizik deneyleridir.

1b. Foto-Nükleer Reaksiyonlar (Proton ve Nötron) 

Foto-nükleer reaksiyonlar, fotonların bir çekirdekten proton veya nötron salınımına neden olduğu etkileşimlerdir. Bu reaksiyonların gerçekleşmesi için foton enerjisinin, bir parçacık ayrılmasını tetiklemek için yeterince yüksek olması gerekir. Genellikle bu enerji seviyesi 10 MeV civarındadır. Bu reaksiyonlar astrofizik, nükleer yapı araştırmaları, reaktör fiziği, nükleer dinamikler ve reaksiyonlar ile foton aktivasyon analizi gibi birçok alanda önemlidir. Şu anda TARLA’da foto-nükleer çalışmalar yapmak mümkün değildir, ancak bu tür çalışmaların gelecekte yapılabilmesi için planlar geliştirilmektedir.

1c. Foto-Fisyon 

Foto-fisyon, yüksek enerjili bir fotonun bir çekirdek tarafından emilmesiyle, çekirdeğin iki veya daha fazla parçaya ayrıldığı bir süreçtir. Özellikle ağır çekirdekler için, bu enerji genellikle tek parçacık enerjisi ayrılmasından daha düşüktür. Bu süreç ayrıca enerji salınımı yapar ve fisyon ürünlerini, çekirdek kararlılığını ve potansiyel uygulamaları incelemek için nükleer fizikte kullanılır.

2. Bremsstrahlung

“Frenleme radyasyonu” olarak da bilinen Bremsstrahlung, bir yüklü parçacığın (çoğunlukla bir elektronun), bir çekirdeğin elektrik alanı tarafından yavaşlatılması sırasında foton yaymasıyla oluşur. Bu emisyon, gelen parçacığın enerjisine bağlı olarak sürekli bir X-ışını veya gama ışını spektrumu oluşturur. Bremsstrahlung, radyasyon fiziği, tıbbi fizik ve görüntüleme ile araştırma için yüksek enerjili foton kaynaklarının oluşturulmasında kullanılır.

TARLA’da, 5-40 MeV enerjiye sahip elektronların bir dizi metalik folyo (Al, Cu, Nb ve Au) üzerine çarptırılmasıyla bremsstrahlung fotonları üretilecektir. Gama spektroskopi deney istasyonu, yalnızca fotonlar için tasarlanmıştır ve dedektörlere nötron hasarı önlenmelidir. Uygulamalarda, enerji için sınırlayıcı faktör Al’nin yaklaşık 13 MeV’deki nötron ayrılma enerjisidir.

Hedef istasyonunda beklenen foton akısı, 2 cm çapında bir nokta boyutuyla yaklaşık 10¹¹ foton/(cm² s) olacaktır. Bu akı, ELBE ve S-DALINAC gibi diğer bremsstrahlung tesisleriyle benzerdir ancak HIɣS gibi Compton geri saçılım tesislerinden önemli ölçüde daha güçlüdür.

3. Foto-Aktivasyon Analizi

Foto-aktivasyon analizi, bir numunenin yüksek enerjili fotonlarla ışınlanarak foto-nükleer reaksiyonların tetiklendiği bir yöntemdir. Oluşan aktif izotoplar daha sonra ölçülerek, elementel ve izotopik analiz yapılabilir. Bu teknik, malzeme bilimi, çevre çalışmaları ve nükleer adli tıp alanlarında kullanılır. Aktivasyon ürünlerinin tanımlanmasıyla, kimyasal ayrıştırmaya gerek kalmadan numunelerin bileşimi analiz edilebilir.

4. Radyasyon Fiziği

Radyasyon fiziği, maddenin iyonlaştırıcı radyasyon ile etkileşimini inceler. Genellikle elektromanyetik tipte olan bu radyasyonun enerjisi parçacık ayrılma enerjisinin altındadır ve radyoaktivite indükleme şansı yoktur. Bu alan, tıbbi tedaviler, tarım, malzeme çalışmaları ve diğer birçok uygulamada kullanılmaktadır.

4a. Steril Böcek Tekniği 

Steril Böcek Tekniği, erkek böceklerin radyasyonla sterilize edilip doğaya salınması yoluyla zararlı popülasyonlarının kontrol altına alınmasını sağlayan bir yöntemdir. Bu teknik, steril erkeklerin çiftleştiği dişilerin yavru üretememesiyle zararlıların sayısını zamanla azaltır, pestisit kullanımını en aza indirir ve sürdürülebilir tarımı destekler.

4b. Radyasyonla İndüklenmiş Mutasyon (Hızlandırılmış Islah) 

Radyasyonla indüklenmiş mutasyon, bitki veya hayvanların kontrollü radyasyona maruz bırakılarak genetik mutasyonların tetiklendiği bir yöntemdir. Bu teknik, hastalığa direnç veya artan verim gibi istenen özelliklerin geliştirilmesini hızlandırarak gıda güvenliği ve tarımsal yeniliklere katkıda bulunur.

4c. Gıda ve Gıda Maddeleri Işınlaması 

Gıda ışınlaması, gıda ürünlerini sterilize etmek veya korumak için iyonlaştırıcı radyasyon kullanır. Bu yöntem, bakterileri, parazitleri ve zararlıları öldürerek raf ömrünü uzatır. Baharatlar, meyveler ve et ürünleri için yaygın olarak kullanılan bu yöntem, birçok uluslararası sağlık kurumu tarafından onaylanmış güvenli bir koruma yöntemidir.

4d. Radyasyon Direnci Testi 

Radyasyon direnci testi, bir malzemenin iyonlaştırıcı radyasyona maruz kaldığında dayanıklılığını değerlendirir. Bu test, nükleer reaktörlerde, uzay bileşenlerinde ve tıbbi cihazlarda kullanılan malzemelerin sert radyasyon ortamlarında bozulmadan çalışabilmesini sağlamak için önemlidir.

• Araştırma Alt yapısı

1. Yüksek Saflıkta Germanyum (HPGe) Dedektörleri

HPGe dedektörleri, Germanyum’dan yapılmış yarı iletken dedektörlerdir. Gama ışını spektroskopisi için üstün enerji çözünürlükleri nedeniyle yaygın olarak kullanılmaktadır. HPGe dedektörleri, düşük bant aralığı nedeniyle kriyojenik sıcaklıklarda çalışır ve bu nedenle LN₂ (sıvı azot) ile soğutulmalıdır. Ancak bu dedektörler, sintilasyon dedektörlerine göre nispeten yavaştır ve nötron hasarına karşı oldukça hassastır.

TARLA’da ~100% göreceli verimlilik ve 1.33 MeV’de <2.5 keV, 122 keV’de <1.4 keV enerji çözünürlüğüne sahip iki tek kristal HPGe kullanılacaktır. Ayrıca, ~130% göreceli verimlilik ve 1.33 MeV’de <2.3 keV, 122 keV’de <1.05 keV çözünürlüğe sahip (add-back modu) iki CLOVER HPGe mevcuttur. Tüm HPGe dedektörleri, BGO dedektörleri ile birlikte Aktif Compton Bastırma (ACS) oluşturmak üzere birleştirilmiştir. Dedektörler, demet ile -45° ve 90° açıyla yerleştirilecektir.

2. Bizmut-Germanyum-Oksit (BGO) Dedektörleri

BGO dedektörleri, yüksek yoğunlukları sayesinde özellikle yüksek enerjili gama ışınlarının algılanmasında yüksek verimlilik ve durdurma gücü sunan sintilasyon dedektörleridir. Enerji çözünürlükleri HPGe dedektörlerine göre daha düşük olmasına rağmen, kompakt yapıları ile gama ışını algılamada etkilidirler. TARLA, her HPGe dedektörü için ACS olarak kullanılacak 4 BGO dedektörüne sahiptir.

2a. Aktif Compton Bastırma (ACS) 

Aktif Compton Bastırma, gama spektroskopisinde arka plan gürültüsünü azaltarak saçılan gama ışınlarını algılayıp dışlar. Bir birincil dedektörü çevreleyen ikincil bir dedektör dizisi kullanılarak bu teknik, karmaşık deneylerde sinyal-gürültü oranını artırır ve ölçümlerin doğruluğunu iyileştirir.

3. LaBr₃(Ce) Dedektörleri

Serium katkılı Lantanyum Bromür (LaBr₃(Ce)) sintilatör tipi dedektörlerdir ve hızlı yanıt süreleri ile makul enerji çözünürlükleriyle tanınırlar. Bu dedektörler, yoğun ve zaman duyarlı gama ışını spektroskopisi ölçümleri için idealdir. TARLA gama spektroskopisi kurulumunda, demete dik ve birbirine 90° açıyla yerleştirilmiş 4 adet LaBr₃(Ce) dedektörü bulunacaktır.

4. Yüksek Gerilim Kaynağı (CAEN SY5527)

Tüm dedektörler için yüksek gerilim, CAEN SY5527 tarafından sağlanır. Bu cihaz, yüksek çözünürlüklü dedektörlerin kararlı bir şekilde çalışması için gerekli olan hassas voltaj kontrolünü sunar. Güvenilir bir yüksek gerilim kaynağı, gama spektroskopisi ve nükleer fizik deneylerinde tutarlı performans sağlamak için kritik öneme sahiptir.

5. VME Elektroniği

VME (Versa Module Eurocard) elektroniği, deneysel fizik alanında veri toplama ve kontrol için standart bir sistem mimarisidir. Modüler yapıya sahip olan VME sistemleri, sayısallaştırıcılar, çok kanallı analizörler (MCA) ve diğer cihazların entegrasyonuna olanak tanır. Bu esneklik, yüksek enerji fiziği, nükleer araştırmalar ve gerçek zamanlı veri uygulamaları için VME elektroniklerini uygun hale getirir.

5a. Sayısallaştırıcı (CAEN V1730) 

CAEN V1730, dedektörlerden gelen analog sinyalleri analiz için dijital verilere dönüştürmek amacıyla kullanılan 16 kanallı bir sayısallaştırıcıdır. Cihaz, 14-bit çözünürlüğe ve 500 MS/s örnekleme hızına sahip Flash ADC’ler ile sinyalleri işler. Bu özellikler, sıvı veya inorganik sintilatörlere bağlanmış PMT’lerden (PhotoMultiplier Tube – fotoçoklayıcı tüp) gelen orta hızlı sinyaller veya HPGe dedektörleri gibi hassas cihazlardan gelen sinyaller için uygundur.

5b. MCA (CAEN V1782) 

CAEN V1782, sinyal olaylarını analiz eden ve enerji spektrumlarının histogramını sağlayan bir Çok Kanallı Analizör (MCA) cihazıdır. V1782, 32k kanallı bir dijital MCA’dır ve segmentli HPGe, CLOVER ve silikon dedektörler gibi yüksek enerji çözünürlüklü dedektörlerle çalışmak için tasarlanmıştır.