Geri Dön

Design and optimization of radon field monitor based on silicon PIN photodiodes

Silikon PIN fotodiyot bazlı radon saha monitörü dizayn ve optimizasyonu

PDF İndir

  1. Tez No: 323733
  2. Yazar: AHMET BAYRAK
  3. Danışmanlar: PROF. DR. CENAP Ş. ÖZBEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Fizik ve Fizik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2012
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 72

Özet

Radon, U-238, U-235 ve Th-232 doğal radyoaktif bozunma serilerinin bir üyesidir.Dünyanın oluşum sürecinden dolayı Uranyum ve Toryum elementleri ve aynızamanda Radon yeryüzünün yapısında doğal olarak bulunmaktadırlar.Radon, fiziksel özelliklerindan dolayı özel bir radyoaktif elementtir.Çünkü doğada gaz formunda bulunur ve rengi, kokusu ve tadıbulunmamatadır. Bu yüzden varlığının tespit edilmesiözel ölÇüm cihazlarını zorunlu kılmaktadır.Radon' un gaz formunda olması farklı getiriler sağlamıştır.öyle ki yerin yapısında bulunan Uranyumun bozunumuyla oluştuğundanyeryüzünün derinliklerinde Radon oluşmaktadır. Oluşan Radon,yer kabuğundaki Çatlaklardan ve yer altı su kaynakları yardımıylayeryüzüne ulaşmakta ve yüzeyde bir konsantrasyon artışımeydana gelmektedir. Dolayısıyla bu durum iki sonuÇ doğurmaktadır: Birincisi,yer altındaki hareketlilikler Radon' un yer yüzüne Çıkışınıarttırıcı etkiler yapmaktadır. Radon seviyesinin sürekli takibi sismikhareketlilik hakkında bilgi sağlayabilir. İkincisi ise, yoğun Radonkonsantrasyonu bulunan bir alanda, solunum yollarına yerleşen Radon ve Radonürün Çekirdekleri vücudun bu bölümlerinde kanser oluşmariskini arttırmaktadır.Yirminci yüzyılın ikinci yarısından itibaren, Radon' un depremhabercisi olduğuna dair pek Çok Çalışma yapılmıştır.Bunlardan ilki Shiratoi tarafında 1927' de Japonya' da kaplıcalardayapılmıştır \cite{shiratoi}. Kaydedeğer bir sonuÇise ancak 1950' li yıllarda Hatuda tarafından yine Japonya' da elde edilmişve 8 şiddetinde bir deprem öncesinde ciddi Radon anomalileri gözlemlendiğibildirilmiştir. Bir başka önemli gözlem, TaşkentÖzbekistan' da gerÇekleştirilmiştir. Burada da yine yer altısu kaynaklarınde yapılan ölÇümlerde 5.3 şiddetinde bir depremdenönce Radon anomalileri gözlendiği rapor edilmiştir. Yakın tarihli birbaşgözlem bu defa Hindistan' da gerÇekleştirilmiştir. 1999' da Chamoli' demeydana gelen 6.5 şiddetindeki deprem öncesinde 393 km uzakta bulunanölÇüm istasyonlarında kaydedilen Radon anomalileri Virk ve Waliatarfaından Rapor edilmiştir \cite{virk}.Radon' un sağlık üzerine etkileri, özellikle akciğer kanseri,uzun süredir araştırılan bir konudur. İlk Çalışmalar,özellikle yüksek oranda Radon' a maruz kalan maden işÇileri üzerindeolmuştur. Ancak 1980li yıllardan beri Radon' un toplumun geneli üzerineetkileri araştırılmaktadır. Bunların en önemli sonucu Radon' unsadece maden işÇileri gibi yerin derinliklerinde Çalışanlar iÇindeğil toplumun geneli iÇin de akciğer kanseri sebebi olduğununbelirlenmesidir. Diğer bir önemli sonuÇ da Radon' un, toplumun genelinde,sigaradan sonra en büyük akciğer kanseri nedeni olduğunun belirlenmesidir.Bunun yanı sıra yüksek seviyede Radon bulunana ortamlarda yaşayankişilerin sigara iÇmeleri, kanser riskini daha da arttırmakta olduğu dabelirlenen başka biri durumdur.Radon' un belirtilen fayda (deprem tahmini) ve zararları (akciğer kanseri),düzenli olarak ölÇülmesini gelişmiş ülkelerde bir zorunlulukhaline getirmiştir. buna yönelik geliştirilen Çeşitli RadonölÇüm yöntemleri ve bu yöntemlere göre ÇalışanÇeşitli araç-gereçler dünya genelinde mevcuttur. Bu araç-gereçlertemlde aktif ve pasif olarak sınıflandırılabilecek iki tür yöntemegöre işlevlerini yerine getirmektedirler. Aktif yöntemin en modern RadonölÇüm yöntemi olduğu söylenebilir. Bu yöntemle RadonölÇümü elektronik ve mekanik altyapıya sahip bir cihaz kullanılmasıylagerÇekleştirilir. Bu tür cihazlar genellikle ölÇüm ortamındakihavanın örneklenip iÇindeki alha ışımalarının sayılmasıprensibiyle Çalışır. Ancak bazı firmalara ait, enerji ölÇümüyapan cihazlarda da bulunmaktdır. Bunun yanı sıra, dedektör kısmındayarı-iletken dedektörlerin yanı sıra iyonizasyon odacığı bulunanGeiger-Müller dedektörleri kullanan cihazlar da yine mevcuttur. Bu yönteminen önemli özelliği, ölÇüm süresi boyunca ölÇümsonuÇlarının sürekli takip edilebilmesidir. Böylece ölÇümün başlangıÇve bitiş süreci arasındaki dönem hakkında da bilgi sahibi olunabilmektedir.Ancak olumsu bir yönü, bu tür cihazların son derece yüksek fiyatlarla(bin dolarlar mertebesinde) satışa Çıkmalarıdır. Diğer yandan,pasif yöntemde ise özel olarak hazırlanmaış bir kimyasal malzeme kullanılır.Herhangi bir elektrik beslemesine ihtiyaÇ yoktur. ölÇüm yapılacak alanayaklaşık 20 \$ gibi fiyatlara satılan hazır bir aparat yerleştirilerek birhaftandan bir yıla kadar değişen sürelerde Radon' a maruz kalması beklenir.Farklı süreler kullanılan aparatın türüne göre değişmektedir.Belirlenen süre sonucunda, aparat bulunduğu yerden alınarak, genellikle aparatıtemin eden firmaya geri gönderilerek ölÇüm sonucunu firma tarfından bildirilmesibeklenir. Bu süreÇte firma aparatı bir takım kimyasal süreÇlerden geÇirerekanaliz eder ve ölÇümü sonuçlandırarak ilgiliye ölçüm sonuçlarınıbildirir. Görece basit olan bu yöntemin de olumlu ve olumsuz yönleri bulunmaktadır.yöntemin olumsuz tarafı ölçüm süreci içinde Radon seviyesihakkında bilgi edinilemez. Sadece tüm ölçüm dönemi hakkındagenel bir sonuç elde edilir ve ölçüm sonuçlarına ulaşmak bellibir zaman almaktadır. Bunun yanında, son derece ucuz maliyeti ile gelişmiş ülkelerde,evlerde Radon seviyesinin belirlenmesi için, yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir.“Silikon PIN fotodiyot bazlı Radon saha monitörü”aktif yöntemle çalışanve Türkiye' de sıfırdan üretilen ilk ve tarih itibariyle tek Radon ölçümcihazıdır. Radon saha monitörü, aktif eleman olarak silikon PIN fotodiyotunkullanıldığı bir alfa dedektörü çevresinde şekillenmektedir.Detektör küresel simetrik güçlü bir elektrik alanın merkezindebulunmaktadır. Bu amaçla bir yüksek gerilim kaynağı üretilmiş ve3500V DC gerilim uygulanmıştır. Yarım küresel elektrik alan geometrisinin içine(ölçüm odası) bir hava motoru ile gönderilen hava içeride oluşan basınçdolayısıyla simetrik olarak bulunan başka bir açıklıktan da ölçümodasını terk etmektedir. Bu süreç içerisinde oluşan pozitif yüklüRadon ürün çekirdekleri fotodiyot yüzeyine taşınmakta ve burada alfaışıması yapmaları sağlanmaktadır. Bu süreç içerisinde cihazdabulunan elektronik destek kartları ile cihaza besleme gerilimi sağlanmakta, ortamınatmosferik parametreleri ölçülmekte ve Radon sayımı ile birliktetüm ölçümler bir SD karta kaydedilmektedirAlfa detektörünün elektronik kısmı üç ana bölümden oluşmaktadır.Bunlardan ilki, fotodiyotta meydana gelen sinyalin yükseltildiği, yüksek kazançlıtransempedans yükseltici, ikincisi sinyal şekillendiriciler ve son olarak da komparatördür.Fotodiyotun anot ve katodu arasında oluşan akım, uygun bir yükseltici olmadangözlenemeyecek kadar küçüktür. Bu çok küçük akım ancaktransempedans yükseltici ismi verilen özel bir yükseltici yardımıyla gerilimedönüştürülebilmektedir. Ancak yükseltilmiş bu sinyal yine de ölçümyapılabilecek düzeyde değildir. Bu yüzden bir şekil kuvvetlendirici dizisikullanılarak sinyal genliği arttırılmaktadır. Elde edilen analog sinyalin genliğibelli bir eşik değerini aştığında, şekil kuvvetlendiriciden gelen analogsinyal, bir komparatör yardımıyla dijital pulslara dönüştürülmekte veradyasyonun sayılması mümkün olmaktadır. Detektör, çok yüksek kazançlıbir yükseltme işlemi yaptığından dolayı, elektriksel olarak topraklanmışbir metal kutu içerisine yerleştirilerek elektronik gürültülerden yalıtılmıştırölçüm verimine en önemli katkıyı sağlayan parçanın yüksek gerilimkaynağı olduğu söylenebilir. Yüksek gerilim kaynağı elektroniği birosilatör devre, bir yükseltici devre, bir transformatör, bir Villard voltaj katlayıcı,bir yük direnci ve RC filtre grubundan oluşmaktadır. Bir saat sinyal üreteciyle elde eilensinyal bir ön yükseltmenin ardında transformatörün düşük saımlıucuna verilerek ikinci bir yükseltme gerçekleştirilmektedri .ARdından bu sinyal Villardavoltaj katlayıcı devresinde doğrulma ve yükseltme işlemlerine birlikte tabi tutulurkenen son çıkışa bağlanan bir RC filtre drubu ile de çıkışın stabil halegelmesi sağlanmıştır. Sonuç olark 3500V DC gerilim elde edilmiştir. Ayrıca devretopraklanmış bir metal kutuya uyerleştirilerek, üretilen saat sinyalinin diğer devrelerietkilemesi engellenmiştir.Radon saha monitörünün bu iki ana elemanı dışında, atmosferik ölçümlerigerçekleştiren, cihaza htiyaç duyduğu gücü sağlayan, dijital pulsları sayan vetüm ölçümleri kaydeden delektronik kartlar da mevcuttur. Atmosferik ölçümler,üzerinde birere adet sıcaklık, nem ve basınç sensörleri bulunan bir sensör kartıile gerçekleştirilir. Cihaz hem 220V AC elektrikle çalışabilmekte hem de elektrik kesintileriya da şebeke elektriğinin bulunmadığı yerlerde cihazın çalışabilmesi amacıylaiçerisinde bulunan akü yardımıyla da çalışabilmektedir. Akü şebeke elektriğininolmadığı durumlarda cihaza entegre edilebilen bir güneş paneliyle de şarj edilebilmektedir.Bun dışında cihazda bulunan sayıcı devre üzerinde 8 bitlik bir sayıcı entegre devreelemanı bulundurmaktadır ve gelen her dijital pulsu çıkışlarıa doğrudan iletmektedir.Dijital bilgi daha sonra bir dijital analog çevirici ile analog sinyale dönüştürülmekteve veri kaydedici karta iletilmektedir. Veri kaydedici kart dört adet analog girişe sahip ve birmikroişlemci ile kontrol edilen elektronik karttır. Dört girişine gelen her bir analog sinyalibelirlenen periyotlarla, tarih ve saat bilgisi ile birlikte bir SD karta kaydetmektedir. ölçümlerveri kaydedeici de belirlenen süreyle sürekli olarak tekrar etmektedir.

Özet (Çeviri)

Radon is a member of natural radioactive decay series, U-238, U-235 and Th-232. Due to the formation of earth Uranium and Thorium are naturally present in the earth crust and therefore Radon.Radon has several basic differences compared to most of the known radioactive atoms. It is in gas form, it does not have color and odour. Therefore when radon is produced under soil, it migrates to the earth surface through cracks by underground water sources. As a result of this, accumulation of radon in mines, tunnels and dwellings due to porous structure of building materials. Radon measurement can provide two results: First, long term continuous Radon measurement provide a relation between Radon level on the earth surface and seismic movements under soil. Second, we are exposed to Radon based alpha radiation during our daily life.Unusual specifications of Radon make the detection process somehow difficult. Although there are several commercial devices for carrying out this task, due to their high prices investigations on this subject stay limited. In this work these devices are mentioned rarely. During this thesis we aimed to develop a low cost, electrostatic collection type Radon Field Monitor which includes all electronic parts, an alpha detector, a high voltage supply, a counter circuit and a data logging circuit, in a 30x30x40 cm metal cage. Besides, the device has the ability of operating with the energy supplied from both the mains power and a battery.Alpha detector which uses a silicon PIN photodiode as the active surface, is the most important part of the Radon Field Monitor since it makes the detecion of Radon based alpha radiation. The alpha detector consist of three main sections: Transempedence amplifier, shaping amplifier stages and a comparator. Transempedence amplifier is a special way of amplifying very small signals as the output of the silicon PIN photodiode. However, the output of transempedence amplifier is not as big as to supply an information. Thus, by using a series of shaping amplifier stages the signal amplitude was increased. The obtained bigger signal is applied to a comparator IC and when it go beyond an adjusted threshold level it is converted to digital pulses. Then, it is possible to count the radiation signals. At the end all the elctronics of the detector located in a grounded metal cage to keep the very high amplification proceses against external electromagnetic noise.The high voltage source which makes the biggest contribution to the measurement efficiency is the second important part of the device. The electronics of the high voltage source consists of an oscillator circuit, an amplifier circuit, a transformer, a Villard voltage multiplier, a load resistor and an RC filter group. A clock signal, generated in the oscillator circuit, is applied to the lower wounded input of the tarnsformer after a pre-amplification process. Then, the amplified signal was both rectified and amplified in the Villard Voltage Multiplier stage. The load resistor and the RC filter circuit made the output stable. In the end the high voltage source supplied 3500V DC output. Besides by locating the circuit in a gorunded metal cage it was aimed to keep other circuits against the possible interference of clock signal.Radon field monitor has four other electronic units supporting the operation. The sensor card is one of them making the atmopheric measurements by using a temperature sensor, a relative humidity sensor and an absolute pressure sensor. Device can operate by using the electricity from mains line and a battery located inside it against electricity break down. When the battery gets lower it can be recharged from the mains line or an integrated solar panel. All these operations are managed by another electronic unit. The counter unit is another electronic card in the device. Its only duty is to count the digital pulses coming from detector digital output. Then the counts are sent to a data loggin electronic unit and saved on an SD card in“.txt”format with date and time stamp. The datalogger unit is managed by a microprocessor which shows all operations on an LCD screen and let the measurement period to be determined manually.Finally, after successfully testing the prototype device, 10 of the same unit have been produced and field measurements have been carried out in the basement of 4 Faculties in Ayazaga Campus of Istanbul Technical University.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    802692

    From media-based modulation to reconfigurable intelligent surfaces: Novel index modulation solutions

    Ortam-tabanlı modülasyon'dan uyarlanabilir akıllı yüzeylere: Özgün indis modülasyon çözümleri

    ZEHRA YİĞİT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ERTUĞRUL BAŞAR

    PROF. DR. İBRAHİM ALTUNBAŞ

  2. Tez No

    493901

    Çok geniş bantlı doğrudan beslenmiş radomlu çift konik anten analiz ve tasarımı

    Analysis and design of ultra wideband direct fed biconical antenna with radome

    İSMAİL ÇOR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BİRSEN SAKA TANATAR

  3. Tez No

    651760

    Aerodynamic topology optimization of a radome using the genetic algorithm

    Bir radomun genetik algoritma ile aerodinamik topoloji optimizasyonu

    İLHANBERK DAYLAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MAHMUT ADİL YÜKSELEN

  4. Tez No

    650287

    Tümleşik anten kulesi için geniş bantlı soğurucu özellikli çok katmanlı frekans seçici radom tasarımı

    Design of multilayer frequency selective radome with wideband absorbing properties for integrated antenna tower

    MUSTAFA ÖZDİN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiKarabük Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SALİM ORAK

  5. Tez No

    807052

    Analysis of bird strike on metallic panels

    Metalik panellere kuş çarpması analizi

    KENAN ÇAYHAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Uçak Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Uçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ DEMET BALKAN

Geri Dön