Design of a si-pin based gamma detector used for the assessment of environmental radioactivity
Çevresel radyasyon seviyesinin ölçümü için kullanılabilecek sı-pın bazlı bir gama dedektörünün tasarımı
- Tez No: 885034
- Danışmanlar: PROF. DR. CENAP ŞAHABETTİN ÖZBEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 85
Özet
Günlük hayatta sıkça karşılaştığımız radyasyon, temelde iyonlaştırıcı ve iyonlaştırıcı ˘ olmayan radyasyon olarak iki ana kategoriye ayrılmaktadır. İyonlaştırıcı olmayan radyasyon, radyo dalgaları (RF) gibi günlük hayatta maruz kaldığımız, hücre yapısına ˘ zarar vermeyen bir radyasyon türüdür. Öte yandan, iyonlaştırıcı radyasyon günlük hayatta karşılaşma ihtimalimizin daha az olduğu ama hücrelerimiz de yıkıma yol ˘ açabilecek bir radyasyon türüdür. İyonlaştırıcı radyasyona verilebilecek en yaygın örneklerden biri olarak X ısınlarıdır. Radyasyona içsel veya dışsal olarak iki şekilde maruz kalınabilir. Radyoaktif madde içeren bir toz veya dumanın solunması, radyoaktivite ile kontamine olmuş sıvıların ve yiyeceklerin tüketilmesi gibi örneklerin yanı sıra radon gazı ve tedavi ve teşhis amaçlı olarak kullanılan tıbbi kaynaklar ile insan vücudu iyonlaştırıcı zararlı radyasyona maruz kalabilir. Hastanelerde bulunan röntgen cihazlarında enerjileri 20 keV-300 keV aralığında değişen X ısınları kullanılmaktadır. Hasta X ışınlarına maruz kalırken teknisyen kendini radyasyondan koruyabileceği bir odaya geçer. Radyasyon çalışanları, radyasyonun zararları ˘ ve radyasyondan korunma yöntemleri konusunda eğitimli olduklarından dolayı, ˘ kendi kontrollerini kendileri yapabilmektedir. Radyasyon çalışanları çalıştıkları kurumlarda kişisel dozimetreler yardımıyla maruz kaldıkları dış radyasyon dozunu kontrol altında tutabilirler. Herkesin, radyasyon çalışanları gibi, kişisel dozimetre taşımasının mümkün olmayacağı gerçeği göz önüne alındığında, mekânsal ve çevresel ˘ radyasyonun düzeyinin sürekli olarak takip edilmesinin önemi açıktır. Nükleer santraller, araştırma reaktörleri, hızlandırıcılar, izotop üretim, ışınlama ve sterilizasyon tesislerinin içerisi ve çevresi, güvenlik açısından her zaman kontrol altında tutulması gereken yerlerdir. Tarihteki örnekler, bu tesislerde yaşanabilecek kazalar sonucunda radyasyon sızıntılarının olabildiğini ve yüksek miktarda radyoaktivitenin doğaya salınabileceğini göstermiştir. Bu gibi durumların oluşması durumunda en hızlı ˘ müdahalenin yapılabilmesi için belirli bölgelerde iyonlaştırıcı radyasyonun seviyesinin detektörler ile sürekli olarak takip edilmesi gerekmektedir. Bu çalışmada, hem mekânsal hem de çevresel radyasyonu monitöre edebilecek bir gama detektörünün tasarımı yapılmış ve bu sistemin prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Bu detektörün yapımı gerçekleştirilirken basit olması, düşük güç tüketimi, kolayca bulunabilen elemanlar ile yapılabilmesi, çevresel radyasyonun ölçümündeki gerekliliklerden biri olan mümkün olduğunca düşük enerjilere inebilmesi, güç ˘ bakımından kendine yeterli olarak kırsal alanda çalışabilmesi gibi özellikleri öne çıkarılmıştır. Cihaz temel olarak tüm ölçümleri sahada yaparak bu alınan ölçümleri merkeze ileten bir verici istasyon ve verilerin alınıp daha sonra incelenmesi için saklandığı bir alıcı ünitesinden oluşmaktadır. Verici istasyon 10 temel elemandan oluşmaktadır. Bunlar mikroişlemci (ATmega328P), güneş panelleri, voltaj yükseltici ve düşürücü regülatörler, güç filtreleme devresi, piller, gerçek zamanlı saat (RTC), atmosferik sensör, LoRa ve gama detektörüdür. Voltaj yükseltici ve düşürücü regülatörler güç yönetimi için kullanılmaktadır. Voltaj dönüştürücüler anahtarlama modunda çalışırken ortaya çıkan gürültü sayımların hatalı olmasına yol açmaktadır. Bu gürültünün sebep olduğu sahte sayımların engellenmesi için bir filtre devresi kullanılmaktadır. Verici devresinde Bosch BME280 atmosferik sensörü kullanılmaktadır. Bu sensör, nemi ±%3 dogrulukla, barometrik basıncı ±1hPa mutlak doğrulukla ve sıcaklığı ±1,0°C doğrulukla ölçebilir. Toplanan veriler, ˘ gerçek zamanlı saat modülünden (RTC) alınan tarih ve saat bilgileriyle birleştirilerek LoRa modülü kullanılarak alıcı istasyona gönderilir. İki istasyonun haberleşmesi için rölatif olarak uzun menzilli (açık sahada 3-5 km) kablosuz iletişim kurmayı sağlayan LoRa modülleri kullanılmıştır. Verici devre, şarj edilebilir Lion pillerden gücünü almaktadır ve pillerin gündüz şarj edilebilmesi için her biri 5W'lık iki adet güneş paneli kullanılmaktadır. Verici devre virgülle ayrılmış olarak istasyon numarası, veri numarası, gün, ay, yıl, saat, dakika, saniye, sıcaklık, nem, basınç, pil voltajı ve detektörden gelen sayımları göndermektedir. Veri alma sıklığı, gama sayımları için istenen istatistiğe göre ayarlanabilir. Alıcı istasyonunun temel olarak dört bileşeni vardır: AT-MEGA 2560 mikroişlemci modülü, OLED ekran, SD kart yazıcısı ve LoRa modülü. Bu kısımda hafıza problemini ortadan kaldırmak için daha büyük hafızaya sahip olan bir mikroişlemci kullanılmaktadır. Veri gerçek zamanlı olarak OLED ekranda gösterilir ve daha sonra bu verileri analiz etmek için ASCII metin formatında bir SD kartta saklanmaktadır. Projenin en önemli bileşeni gama detektörüdür. Detektörde 7.5 mm2 hassas alana sahip olan bir adet BPW34 Si-PIN fotodiyot kullanılmıştır. Silikon PIN fotodiyotlar aslında görünür bölge fotonlarını elektrik akımına dönüştürmek için kullanılan özel yarı iletkenlerdir. Foto diyotlar, verimlerinin artırılması için genelde ters kutuplama (reverse bias) altında çalıştırılmaktadır. Bu çalışma modunda, fotodiyotun P tarafı N tarafına nazaran daha pozitif bir gerilimde tutularak yükten arındırılmış bölgenin (depletion-region) genişliği büyütülür ve bu sayede foto diyotun foton soğurma kabiliyeti artırılır. Fotodiyot içerisinde soğurulan foton yük oluşumuna neden olur. Ters kutuplama gerilimi ile bu yükler akıma katkı sağlar. Gama ışınlarının fotodiyot içerisinde oluşturdukları akım oldukça küçüktür. Bu akımın, termal gürültülerden ayrılarak kuvvetlendirilmesi, bilhassa gama detektörlerinde karşılaşılan en büyük zorluktur. Bu nedenle dü¸sük gürültülü yüke hassas bir yükselticinin (CSA) kullanılması gerekmektedir. Kullanılan CSA devresi literatürdeki bir çalışmadan alınmış olup, devre üzerinde bazı modifikasyonlar yapılmıştır. Devrenin simülasyonları için LTspice yazılımı kullanılmıştır. 0.8 nV/Hz eşdeğer gürültü giriş ˘ voltajına sahip olan BF862 N kanallı eklem alan etkili transistör (JFET) kullanılması gürültünün azalmasına önemli katkıda bulunmuş, geri besleme için parazitik kapasitans yönteminden yararlanılmış, sürücü transistörler düşük gürültülü BC560 transistörleri ile değiştirilmiştir. Ayrıca sürücü transistörlerin kendileri bir zırh halkası ˘ (guard-ring) ile çevrelenmiştir. CSA devresinin arkasına oluşan sinyali filtrelemek, büyütmek ve şekillendirmek için OPAMP temelli bir yükseltici katı eklenmiştir. Elde edilen analog sinyal bir komparatör üzerinden geçirilerek, genliği belli bir ˘ eşik değerinin üzerinde olan sinyaller dijitalize edilmiştir. Yapılan test ölçümleri,59 keV'lik 241Am gama çizgisinin başarıyla detekte edilebildiğini göstermektedir. Çalışma, prototip ile yapılan bir çok ölçüm ve deney sonucunu içermekte ve üretilen cihazın 40 keV üzerindeki enerjilerde rahatlıkla kullanılabilecegini göstermektedir.
Özet (Çeviri)
Radiation, that individuals frequently experience in daily life, is classified into two types: ionizing and non-ionizing radiation. Non-ionizing radiation is a type of radiation that we are exposed to in daily life, such as radio waves (RF). This type of radiation that does not harm the cell structure. On the contrary, ionizing radiation is a type of radiation that we are less likely to encounter in daily life, and it can cause destruction to our cells. One of the most common examples of these types of radiation is X-rays. Radiation can be exposed in two ways, internally or externally. The human body can be exposed to harmful ionizing radiation, such as inhaling dust or smoke containing radioactive materials, consuming liquids and food contaminated with radioactivity, as well as radon gas and medical sources used for treatment and diagnostic purposes. X-rays with energies ranging from 20keV to 300 keV are used in X-ray devices in hospitals. While the patient is exposed to X-rays, the technician moves to a room where he can protect himself from the radiation exposure. Since radiation workers are trained for possible dangers of the radiation exposure and the radiation protection methods. Radiation workers can keep the external radiation dose they are exposed under control with the help of their personal dosimeters in the institutions they work for. Given the fact that not everyone, like radiation workers, will be able to carry a personal dosimeter, the importance of constantly monitoring the level of spatial and environmental radiation is obvious. Nuclear power plants, research reactors, accelerators, isotope production, irradiation and sterilization facilities are places that must always be kept under control for safety. Examples in history have shown that radiation leaks can occur as a result of errors in these plants, releasing unacceptable amounts of radioactivity into the environment. In the face of such a situation, it is necessary to constantly monitor the level of ionizing radiation in certain areas in order to make the fastest intervention. In this study, a gamma detector that can monitor both spatial and environmental radiation was designed and prototype production of this system was carried out. During the construction of this detector, its simplicity, low power consumption, ability to be built with readily available materials, ability to detect radiation with as low energies as possible, which is one of the requirements in the measurement of environmental radiation, and ability to operate in rural areas as self-sufficient in terms of power were highlighted. The device basically consists of a transmitting station where all the measurements are performed in the field and transmitted to the base-station and a receiver unit where the data is received and stored by the receiving station. The sender unit consists of ten main elements. These are microprocessor (ATmega328P), solar panels, step up and down converters, power filtering circuitry, batteries, real time clock (RTC), atmospheric sensor, LoRa and a gamma detector. The step-up and step down converters are used for the power management. Since both step up and step down converters run in switching mode, the ripple noise is eliminated by the power filtering circuit to prevent the fake counts in the detector. The atmospheric sensor in the sender circuit is Bosch BME280. This sensor is capable of measuring humidity with an accuracy of ±3%, barometric pressure with an absolute accuracy of ±1 hPa, and temperature with an accuracy of ±1.0°C. The collected data is combined with the date and time information received from a real-time clock module (RTC) and sent to the receiver station using a LoRa module. LoRa modules provide relatively long-range (3-5 km in open field) wireless communication, and they are used for the transferring and receiving the data between the two stations. The sender circuit is energized from rechargeable Lion batteries, and two solar panels of 5W each are used for charging the batteries in daytime. The data format of the sender circuit contains comma separated station number, data number, day, month, year, hour, minutes, seconds, temperature, humidity, pressure, battery voltage and gamma counts. The frequency of the data taking can be adjusted based on the desired statistics for the gamma counts. The receiver station has mainly four components: AT-MEGA 2560 microprocessor module, OLED screen, SD card writer and LoRa module. The microprocessor is used in this part has larger memory compared to the one in the sender circuit for overcoming the memory problem and driving the OLED display. The OLED display provides real time data display for the user, and the data is stored to an SD card continuously in ASCII text format for later analysis. The most important component of the project is the gamma detector. A BPW34 Si-PIN photodiode with a sensitive area of 7.5 mm2 is used in the detector. Silicon PIN photodiodes are actually specialized semiconductors used for converting the visible photons into the electric current. Photodiodes are generally operated under reverse bias to increase their efficiency. In this operating mode, the width of the depletion-region is increased by keeping the P side of the photodiode at slightly more positive voltage than the one in N side. This procedure increases the photon absorption probability of the photodiode. The photon absorbed in the photodiode causes charge formation in the depletion region. With the reverse polarization voltage, these charges contribute to the net current. The current created by the gamma rays in the photodiode is quite small. Amplifying this current by separating it from the thermal noise is a challenge encountered especially in gamma detectors. Therefore, it is necessary to use a low-noise charge-sensitive amplifiers (CSA) in the first stage of the amplification. The CSA circuit used was taken from a work in a paper and some modifications were performed on the circuit. LT spice software was used for simulating the circuit. To receive a better noise performance from the circuit we use, BF862 N-channel field-effect transistor (JFET) with an equivalent noise input voltage of 0.8 nV/Hz. This contributed significantly to the reduction of noise. At the same time, the parasitic capacitance method was used for the feedback and the driver transistors were replaced with the low-noise BC560 transistors. In addition, the driver transistors are surrounded by two individual guard-rings. An OPAMP-based amplifying circuit is added to the output of the CSA circuit to filter, amplify and shape the resulting signal. The obtained analog signal is passed through a comparator and the signals with an amplitude above a certain threshold value are digitized to be properly counted by the microprocessor. Test measurements show that the 241Am gamma line of 59 keV can be successfully detected. There are some measurements and experiments were performed with the prototype device to test its limits and reproducibility of the measurements.
Benzer Tezler
- Modeling and design of a buried explosive detector based on neutron scattering
Nötron saçılması temelli bir gömülü patlayıcı dedektörünün modellenmesi ve tasarımı
METE YÜCEL
Doktora
İngilizce
2018
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENAP ŞAHABETTİN ÖZBEN
- Gamma-ray detector array
Gama ışını algılayıcısı serisi
EKREM OĞUZHAN ANGÜNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2008
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Bölümü
DOÇ. DR. CENAP Ş. ÖZBEN
- Gemiler için kinematik bir stirling motorunun hareket mekanizmalarının incelenmesi
An investigation on driving mechanisms of the kinematic stirling engine for ships
SERDAR METE
Doktora
Türkçe
2023
Gemi Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGemi İnşaatı ve Gemi Makineleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SELMA ERGİN
- High efficient PİN photodiode fabrication and evaluation for medical applications
Yüksek verimli PIN foto diyot üretilmesi ve tıbbi uygulamalar için değerlendirilmesi
EMRE DOĞANCI
Doktora
İngilizce
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiBolu Abant İzzet Baysal ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERCAN YILMAZ
- Design and production of benchtop x-ray imaging system
Masaüstü x-ışını görüntüleme sisteminin dizaynı ve üretimi
MEHMET ERHAN EMİRHAN
Doktora
İngilizce
2016
Fizik ve Fizik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENAP ŞAHABETTİN ÖZBEN