Optimization of geometry of the driving electric field for better detection efficiency of radon decay products
Radon bozunum ürünlerinin daha iyi bir verim ile detekte edilebilmesi için radon deteksiyon sistemin elektrik alan geometrisinin optimizasyonu
- Tez No: 349629
- Danışmanlar: PROF. DR. CENAP Ş. ÖZBEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2012
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 75
Özet
Rn-222, uranyum bozunum serisi içerisinde yer alan radyoaktif bir izotoptur. Alfa, beta ve gama bozunumları ile kendisi gibi radyoaktif olan izotoplar olan Po-218 ve Po-214 ü u oluşturur. Radon gazı aktif ve pasif dediğimiz iki çeşit ölçüm tekniğiyle de ölçülebilir. Pasif ölçümlerde radon veya ürünleri farklı detektörler yardımıyla toplandıktan sonra laboratuvarlara götürülüp, analizlerinin buralarda gerçekleştirilmesi tekniğini içerir. Aktif ölçüm yöntemlerinde ise radon veya ürünlerinin konsantrasyonlarının ölçümden hemen sonra veya eş zamanlı olarak kullanıcıya aktarması metodu kullanılmaktadır.Radon konsantrasyonu ölçümü genelde bozunum ürünleri olan alfa parçacıklarının detekte edilmesi ile gerçekleştirilir. Bu çalışmanın ana konusu İstanbul Teknik Üniversitesi Nükleer Fizik Laboratuvarında, TÜBİTAK desteği ile üretilen radon dedektörünün elektrik alan optimizasyonunu içermektedir. Ayrıca dedektörün asıl ölçüm yapan kısmı olan silikon foto diyotunun sistem içerisindeki lokasyonu da incelenmiştir. Öte yandan ölçümleri etkileyecek sistematik etkiler olan nem, basınç, sıcaklık, toz parçacıklarının ölçümlerde yaptıkları değişiklikler de simülasyonlar yardımıyla incelenmiştir. Ayrıca radon ve radyum kaynaklarıyla alınan ölçümlerden elde edilen spektrumlar ile simülasyon sonuçları karşılaştırılmıştır. Bütün bu simülasyonlara geçmeden önce ise alfa parçacığının havada veya vakumda ne kadar yol aldığını, havada nasıl çarpışmalar yaşadığını, radon ve ürünlerinin bozunma sonucu oluşturduğu alfa parçacıklarının enerjileri için incelenmiştir.Çalışma boyunca kullanılan yazılımlardan ilki SRIM olmakla birlikte bu program ile alfanın herhangi bir materyal içerisinde aldığı yol hakkında bilgi edinilmiştir. COMSOL ise sonlu elemanlar yöntemi kullanarak sınır-değer problemi çözebilen bir simülasyon paketidir. Bu çalışmada ise 3 boyutta tanımlanan geometriler için istenilen koordinatlarda elektrik alan vektörlerini bulmak için kullanılmıştır. Geant4 ise parçacıkların madde içerisindeki etkileşimlerini inceleyen ve bunları simüle edebilen c++ kaynaklı bir yazılım paketidir. Son olarak Poisson yazılımı 2 boyutta elektrik ve manyetik alan hesaplamaları yapabilen bir pakt yazılımdır.Çalışmanın başlangıcında iyi bir toplama etkisi yapacağını tahmin edilen üç farklı geometri mevcut idi. Bunlar hemen hemen doğrusal bir elektrik alan yaratacak olan diskli sistem, yarım silindirik sistem ve yarımküre sistemiydi. Bu geometrilerden diskli ve yarım küreli geometriler öncelikle azimuthal olarak simetrik olduklarından tercih edilmişlerdir (Bu tarz bir simetrinin merkeze doğru olan bir elektrik alanın şiddetini ve yönünü etkileyeceği aşikardır). İletken olarak tanımlanan bu materyaller COMSOL programı ile yaratılıp yüzeylerine yüksek +3500 V gerilim verildi. Bu gerilim, yapılan hesaplamalar sonucu gerekli elektrik alanı elde edebilmek için yeterli görünmüştür. Fotodiyot ise topraklandığı için bu materyallerin yüzeyinde fotodiyota doğru yönelen bir elektrik alan meydan getirildi.COMSOL ile yapılan üç farklı simülasyon sonucu elde edilen farklı koordinatlardaki elektrik alan vektörleri, radon, polonyum ve alfa parçacıklarının madde içerisinde davranışını simüle edecek olan Geant4 koduna enjekte edilmiştir. COMSOL sonuçlarından yapılan analizlere göre farklı noktalardaki elektrik alan bilgileri karşılaştırılmış, sonuçlar fotodiyotun üstende veya hacmin yan kısımlarında en iyi sonucu yarım küre geometrinin verdiğini göstermiştir. Diğer iki geometriler bazı koordinatlarda yarım kürenin elektrik alanına yaklaşmış olsalar da, sonuçta her noktada yarım küre diğerlerinden daha iyi bir sonuç vermiştir. Diskli ve yarım silindirik geometrilerin ise birbirleriyle karşılaştıracak olunursa diyot yakınlarında diskli sistemin yarım silindire göre daha iyi sonuçlar verdiği sonucuna ulaşılmıştır.Geant4 içerisine bu üç farklı elektrik alan bilgisi, radon parçacıklarının yaydığı alfa parçacıklarını detekte edecek olan fotodiyot geometrisi ve ortamdaki hava bilgisi tanımlandı. Havayı oluşturan elementler olarak oksijen, argon, hidrojen ve azot elementlerinin oranları oda sıcaklığında ve 1 atmosfer basınçta tanımlandı. Her bir parçacığın hangi fiziksel olaylardan geçeceği, hangi bozunumları yapacağı, hangi ortamların nelere karşı duyarlı olduğu tanımlanmıştır. Ayrıca ortama bırakılacak parçacığın sayısı, enerjisi, çeşidi gibi bilgilerde Geant4 kodu içerisinde tanımlanmıştır. Bu kodlar her bir çalışmada farklı amaca hizmet ettiklerinden, her seferinde ortamın yeni koşulları koda tanımlanmıştır. Kısacası yapılan simülasyonlar farklı radon konsantrasyonları ve elektrik alan değerleri için gerçekleştirilmiş, sonuçta detektörün alfa parçacığı toplama verimi en fazla olan durum olarak yarım küre metodu bulunmuştur. Bu sonuçlar daha önce her bir elektrik alan geometrisi için ayrı ayrı koşulmuş olan COMSOL simülasyon sonuçlarıyla da tutarlıdır.Radon detektörüyle yapılan ölçümler ile simülasyon sonuçlarını karşılaştırmak ve birbirleri ile tutarlı olup olmadığını görmek amacıyla radon ve radyum kaynaklarıyla ölçümler alınmıştır. Bu ölçümler laboratuvarda, oda sıcaklığında, kaynağın geometri içerisine koyulmasıyla alınmıştır. Farklı geometrilerdeki bu kaynakların fiziksel yapıları Geant4 koduna eklenip ölçümlerin yapıldığı aynı koşullar altında simülasyonlar yapılmıştır. Detektör ile alınan radon ve radyum spektrumları ile Geant4 simülasyon sonuçlarının analiz edilmesiyle elde edilen spektrumların birbirleriyle tutarlı olduğu görülmüştür. Literatürdeki makaleler ile yapılan radon spektrum karşılaştırması da sonuçları doğrulamaktadır.x-y düzleminde tabanı olan yarım kürenin azimuthal simetriye sahip olmasından dolayı tam merkezin üzerinde x ve y yönünden gelen elektrik alan bileşenleri birbirini götürür. İşte bu yüzden yarım küre sisteminde $\phi$ simetrisi olduğu göz önüne alarak fotodiyotun sistem içerisindeki yeri için Poisson ile 2 boyutta simülasyonlar yapılmıştır. Bu simülasyonlar sonucu fotodiyotun sistemdeki optimum lokasyonu belirlenmiştir. Poisson sonuçlarından farklı noktalardaki elektrik alanları karşılaştırılmış ve sonuç olarak silikon fotodiyotun tabandan 1-2 cm içeride gömülü olmasının elektrik alanı arttırıcı bir faktör olduğu çıkarılmıştır. Öte yandan yarım küre elektrik alan sisteminde yarım kürenin tabanına eklenecek +3500 V'luk bir iletkenin, sadece fotodiyot üzerindeki parçacıkları değil, fotodiyota uzak olan kenardaki parçacıkları da sürükleyecek bir elektrik alan yaratacağı düşünülerek, böyle bir iletkenin olması durumunda nasıl bir fark yaratacağı Poisson ile simüle edilmiştir. Sonuçta elde edilen elektrik alan şiddeti önceki halinden bazı noktalarda 1000 V/cm e kadar varan değerlerde daha fazla bulunmuştur. Aynı sonuçları yapılan COMSOL simülasyonları ile de elde edilmiştir.Deteksiyonu etkileyen bazı sistematik etkiler olan basınç, sıcaklık ve nem gibi etkenlerin parçacıkların ilerlediği havanın yoğunluğunu ve içindeki elementlerin oranını değiştirdiği göz önüne alınarak yapılan simülasyonlarda bu etkenlerin sayımla lineer bir ilişki içerisinde olmadığı sonucuna varılmıştır. Yapılan simülasyonlar sonucu hava yoğunluğunun etkisi tam olarak gözlenememekle birlikte asıl önemli olanın havadaki su moleküllerinin polonyumları tutması sonucu deteksiyonun değişip değişmediğini araştırmak olduğu sonucuna varılmıştır. Öte yandan radon monitör sistemi içerisinde yer alan devrelerin içerisindeki elemanların farklı sıcaklıklarda farklı tepkiler verdiği göz önüne alınırsa, sayımda değişeceğinden, kalibrasyon yaparken detektörün sıcaklık, basınç ve nem ile korelasyonuna bakılması gerekmektedir. Tabi bu çalışmada elektronik elemanların verdiği tepki simüle edilmemiştir. Genel olarak tam bir simülasyon değil de araştırılmak istenilen konulara yönelik geometriler yaratılıp, buna göre parçacıklar oluşturulmuş, hızlı ve kısmi simülasyonlar yapılarak sadece istenilen bilgilere ulaşılmıştır. Şayet sistemdeki bütün hacimler tanımlanıp, çevredeki bütün fiziksel olayları simülasyona yansıtmak istenilirse, çok az olay için bile yapılsa günler sürecek simülasyonlar yapılmak zorunda kalınırdı. Yapılan kısmi simülasyonlar ile istenilen analizler yapılmış ve bu analizler karşılaştırma yapmaya olanak sağlamıştır.Literatürdeki radon ölçme tekniklerinin incelendiği bir çok makalede, elektrik alan içerisinde sürüklenen parçacıklarının yüklü parçacıklar olan Po ve alfa parçacıkları olduğu gösterilmiştir. Radon alfa bozunumu yaparken \% 80 olasılıkla +2 yüklü bir polonyum atomu, \% 20 olasılıkla ise nötr bir polonyum atomu oluşturmaktadır. Ortamın tozlu olduğunu da göz önüne alırsak burada bulunan toz parçacıklarına yapışan yüklü polonyum atomları elektrik alan yardımıyla detektör yakınlarına taşınıp alfa bozunumu yaptıklarında, bu alfa parçacıkları detektör etrafında daha da güçlü olan elektrik alan yardımıyla silikon fotodiyot içine sürüklenip detekte edilirler. Dolayısıyla iyon oranı yüksek olan bir ortamda alınan ölçümler ile verim oranı yükselmiş oluyor. Öte yandan tozun fotodiyot üzerinde toplanması da radon deteksiyonu sırasında istenilen bir olay değildir.Geant4 ile yüklü parçacık tanımlayıp bunun hareketini incelemek mümkün olsa da, toz üzerinde taşınan polonyum atomunun simüle edilmesi henüz mümkün olmamıştır. Bu konu hakkında deney düzenekleri oluşturularak ortamdaki yük oranının deteksiyon verimini yükseltmesi hakkında çalışmalar yapılmış olsa da toz parçacıklarının içeriği bilinmediğinden kesin sonuçlar verecek bir simülasyon yapılması şimdilik mümkün gözükmemektedir. Fakat farklı yük oranına sahip atomlar ile yapılan denemelerde her ne kadar polonyumun bu yüklü atomlara yapışması sağlanamasa da yük oranının deteksiyona olan pozitif etkisi gözlemlenebilmiştir.Son olarak, simülasyon sonuçlarına göre yapılan radon detektörünün test denemeleri başarılı olup, elektrik alan ile yapılan ölçümlerde beklenildiği gibi yüksek verim artışı gözlenmiştir. Elektrik alan yokluğunda farklı ortam koşullarında saatlerce birkaç sayım alınabiliyorken, aynı ortam koşulları altında elektrik alan varlığıyla yapılan ölçümlerde fark edilebilecek miktarda artışı gözlenmiştir.Detektörler test aşamasında iken alınan ölçümler analiz edildikten sonra, simülasyon sonuçlarıyla detektörle alınan spektrumların daha doğru bir karşılaştırması yapılması planlanmaktadır. Böylece detektörün bulunduğu ortamı birebir olmasa da gerekli parametreleri programlarda tanımlayarak olayları simüle etme olanağı sağlanmış olacaktır.
Özet (Çeviri)
Rn-222 is a radioactive isotope which is formed in uranium decay series. It also decays to other radioactive isotopes as polonium with alpha and beta decay. Radon is a noble gas and it has no color or odor. That's the only way to detect it to use a radon detector.Although it is possible to measure radon itself with detectors, radon concentration is usually measured by detecting the alpha particles which are the products of radon's alpha decay. It can be measured with active or passive methods. The main purpose of this research is optimizing the electric field of the radon detector we built in Nuclear Physics Laboratory of Istanbul Technical University which is supported by TÜBİTAK. Optimizing processes included the simulations of the geometries of the electric field and the location of photodiode in the radon monitoring system. There were three prototypes of the geometry which were considered to be proper: linear, half-cylindrical and hemispherical type of geometries. These geometries were simulated in order to compare the electric field generated. As a result, the hemispherical electric field was found to be the most efficient method to collect alpha particles in silicon photodiode of the detector.It is especially more effective at collecting the particles not just above the photodiode but also the ones which are on the edge of hemisphere's base plate. The main part of the simulations were accomplished with the software package Geant4 which includes several tools to be able to simulate the particles through matter. Electric field information which was obtained from COMSOL simulations were imported into Geant4 code. These behavior of radon atom and its decay products were investigated in a volume with these electric field geometries applied. The optimized location of photodiode was simulated with the help of POISSON software which is a package that calculates the electromagnetic field in matter. The base layer of the hemisphere material was included after the simulations indicated that it was necessary in order to collect the particles far away from the photodiode. Measurements taken with radon detector using radon and radium sources were compared with the Geant4 simulations and they were consistent with each other. They weren't full simulations that describes the whole events and geometries in radon monitor system, but each simulations had a specific task to understand the behavior of particles and to crosscheck the measurements that were taken with radon detector. The effects of humidity and dust particles were investigated whether they change the count of alpha particles detected in the detector or not. As a result it showed that humidity and counts did not have a linear relationship with each other. However the effect of dust particles in the volume with electric field is known to change the number of counts, since positively charged polonium particles attach themselves on the dust particles and be drifted toward the photodiode with the help of electric field. So the effect of charge number to the counts was investigated briefly in Geant4 simulations without knowing the exact behavior of dust particles which is actually hard to know.
Benzer Tezler
- Çözeltiden üfleme tekniği ile yeni tip filtre ve membranların geliştirilmesi
Development of novel filters and membranes by solution blowing technique
YUSUF POLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞAFAK YILMAZ
YRD. DOÇ. DR. ALİ KILIÇ
- Analysis of recharging station location optimization for e-scooters through micro-simulation
Elektrikli skuterler için dolum istasyon yeri eniyilemesinin ince-benzetim ile çözümlenmesi
HAZAL AKOVA
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Ulaşımİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HİLMİ BERK ÇELİKOĞLU
- Elektrikli araçlar için asenkron makinelerde rotor oluk geometrilerinin uzay harmonik ve işletme başarımı üzerine etkilerinin tespitine katkılar
Contributions to determine the effects of different rotor slot geometries on space harmonics and performance in induction machines for electric vehicles
ABDULSAMED LORDOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DERYA AHMET KOCABAŞ
- Elektrikli bisikletler için gömülü mıknatıslı senkron motorun tasarımı ve dinamik simülasyonu
Design and dynamic simulation of interior permanent magnet synchronous motor for electric bicycles
SELMAN GARİP
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiBursa Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET FENERCİOĞLU
- M3 sınıfı elektrikli bir araç için elektro hidrolik destekli direksiyon sistemi geliştirilmesi
Development of electro hydraulic power assisted steeringsystem for an M3 class electric vehicle
HALİL MERT CENGİZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Otomotiv MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiOtomotiv Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HAKAN KÖYLÜ