-
Giriş
Yüksek çözünürlüklü gama ışın spektroskopisi, nükleer yapı çalışmalarında güçlü bir araçtır. Şimdiye kadar gözlenmiş olan çekirdeklerin yapılarının incelenmesi ile, nükleer yapı ve nükleer kuvvetin özellikleri hakkında pek çok bilgiye sahip olunmuş ve modeller kurulmuştur. Son yıllarda, beta kararlılık kuşağından uzaklaştıkça, mevcut modellerle açıklanamayan pek çok ilgi çekici olgunun ortaya çıktığı görülmüştür. Nükleer haritanın bilinmeyen bölgesindeki acayip çekirdeklerin yapılarının incelenmesi ile, var olan bilgilerin sınırlarının genişletilmesi ve yeni bilgilere ulaşılması mümkün olacaktır. Bu çalışmalar, radyoaktif iyon demetlerinin (RIB) ve güçlü gama ışın dedektörlerinin kullanılmasıyla gerçekleştirilebilecektir. RIB kullanımı ile ulaşılan zayıf reaksiyon kanallarının incelenmesi için, çok hassas, gama ışını iz sürme tekniğine dayalı dedektörlere ihtiyaç vardır. Bu tür dedektörler, Avrupa’da AGATA (Advanced Gamma Tracking Array) ve Amerika’da GRETA (Gamma-ray Tracking Array) projeleri kapsamında geliştirilmiştir.
- AGATA Projesi
AGATA projesi, Türkiye’nin de aktif olarak dahil olduğu ortak bir Avrupa projesidir. Projenin amacı, yeni bir teknoloji geliştirerek, daha hassas gama ışın ölçüm sistemleri meydana getirmektir. Bu da, gama ışınlarının izlerini sürebilen bir dedektör küresi oluşturmakla mümkündür. AGATA dedektör küresinin yaklaşık %20’si olan 11 dedektör modülü (32 dedektör kristali) şu an Fransa’nın GANIL laboratuvarlarında kullanımdadır (Şekil 2.1). Bu dedektörler 2008 yılından sonra ilk önce İtalya’nın INFN-LNL laboratuvarlarında kullanılmış, ardından bir süre Almanya’nın GSI laboratuvarlarında kullanılmıştır. Her dedektör modülü 3 dedektör grubunu içermekte olup, bu modüllerden birinin finansmanı, Türkiye tarafından sağlanmıştır. Toplamdaki 60 modülden şu anda var olanlarından 1’ine sahip olmakla, üstelik ilk modül sağlayan 5 ülkeden biri olmakla, projenin en güçlü ortaklarından biri, Türkiye’dir.
Şekil 2.1 AGATA dedektörlerinin şu an GANIL’de kullanımda olan kısmı (CEA 2015)
- AGATA’ nın Bilimsel Programı
Doğada bulunan kararlı, nükleer haritanın kararlılık vadisinde yerleşmişlerdir. Bu vadinin civarındaki bölge, bilinen çekirdeklerin bölgesi olup, bu bölgedeki çekirdeklere günümüzdeki deneysel koşullarında ulaşmak mümkün olmuştur. Kararlılık vadisinden uzaklaşıldıkça bilinmeyen bölgeye gelinir. Nükleer yapıda bugüne kadar elde edilmiş bilgiler ve geliştirilmiş modeller, bilinen bölgedeki çekirdeklerin özelliklerinin incelenmesiyle elde edilmişlerdir. Gelişen teknolojiyle beraber, nükleer yapıda mevcut bilgilere dayalı kurulan teori ve modellerde, bazı sıra dışılıklar gözlenmiştir. Bilinmeyen bölgede yer alan çekirdeklerin gözlenmesi ve bu çekirdeklerin özelliklerinin incelenmesi ile, bahsedilen sıra dışılıkların nedenleri araştırılmaya başlanmıştır (Wong 2006). Bu araştırmalardan bazıları,
- kabuk modelindeki sihirli sayıların yeniden belirlenmesi,
- halo çekirdeklerin incelenmesi,
- N=Z çizgisi üzerinde, izospini sıfır (T=0) olan çekirdeklerde proton ile nötron çiftleniminin gözlenmesi,
- yüksek deformasyonda bağlı kalabilen çekirdeklerin incelenmesi,
- yüksek sıcaklıktaki çekirdeklerin düzensiz (kaotik) yapılarının incelenmesi,
- Z=126 bölgesi civarındaki kararlı küresel süper ağır çekirdek bölgesinin gözlenmesi,
- nükleer haritanın sınır çizgileri civarındaki çekirdeklerin incelenmesi ve nötron sınır (damlama) çizgisinin yerinin belirlenmesi
gibi konulardadırlar (Balabanski ve Bucurescu 2008).
Bu araştırmaların yapılabilmesi için, güçlü dedektörlere ve bazen de buna ek olarak radyoaktif iyon demetlerine ihtiyaç vardır. Bilinmeyen bölgedeki acayip çekirdeklerin üretimi, kararlı demetler yerine radyoaktif iyon demetlerinin kullanılmasıyla gerçekleştirilecek olan nükleer reaksiyonlarla sağlanabilir. Ulaşılabilmesi zor bu çekirdeklerdeki zayıf gama geçişlerini ölçmede kullanılacak gama ışın dedektörleri ise yeterince güçlü olmalıdır. Bunun için de bu alet, aşağıda maddeler halinde verilen şartları sağlamalıdır.
- Hem düşük hem de yüksek katlılıklı (burada katlılık, çekirdekten birbirini takiben yayınlanan gama ışınlarının sayısını gösterir) olaylarda, en zayıf reaksiyon kanallarını bile belirleyebilmek için mümkün olduğunca yüksek foto pik verimi (Tek katlılıkta %40’dan, çok katlılıkta %25’den büyük).
- İyi spektrum kalitesini yüksek katlılıklı çalışmalarda bile korumak için iyi bir P/T (pikteki saymanın toplam saymaya oranı) (%60’dan büyük).
- Yüksek hızlarda hareket eden kaynağın Doppler etkisini yeterince azaltmak için iyi bir açısal çözünürlük.
- İyi konum çözünürlüğü (5 mm’den küçük).
- Her bir dedektör için yüksek sayma oranı (50 kHz’den büyük)
- Yüksek katlılıkta çoklu çarpma olasılıklarını azaltmak için yüksek granüllülük.
- Yüksek katlılıklı olaylara yetenekli.
- Yardımcı dedektörleri yerleştirmek için yeterli boş iç alan (Ör: ağır iyon ve hafif yüklü parçacık dedektörleri).
Bu yönde yapılan çalışmalar sonucu, bölümlere ayrılmış ve yüksek saflıkta germanyum (HPGe) kristalinden üretilmiş dedektörler, gama ışınlarının izlerini sürme tekniğine dayalı olarak geliştirilmiştir (Akkoyun 2012, Deleplanque 1999). Bunlardaki ana fikir, reaksiyonun gerçekleştiği noktanın çevresine, konum duyarlı HPGe dedektörlerini yerleştirmek ve dijital elektronik ve sinyal şekil analizi işlemleri ile her bir gama ışını etkileşme noktasının enerji, konum ve zaman bilgisini doğrulukla elde etmektir. Böylelikle, dedektör ile etkileşen gama ışınlarının, kaynaktan gelip gelmediklerini ve tamamen soğurulup soğurulmadıkları belirlenebilir. Dedektörlerin konum duyarlılığı, dedektörlerin bölümlenmesi ile ve dijital sinyal işlemenin kullanılması ile başarılır.
- AGATA Çok Bölümlü İz Sürme Dedektör Küresi
AGATA projesi kapsamında geliştirilen AGATA dedektörleri, yüksek saflıkta germanyum (HPGe) kristalinden elde edilmiş, n tipli koaksiyal dedektörlerdir. Her bir Ge kristali, Şekil 4.1’de gösterildiği şekilde elektronik olarak 36 bölüme ayrılmıştır. Kristaller konik şekilli olup, uzunlukları 10 cm ve sivrileşmeden önceki çapları 8 cm’dir.
Şekil 4.1 Kapsüllenmiş bir AGATA dedektörü ve bu dedektörün boyutlarının 36 bölüme ayrılmasının şematik gösterimi (Recchia 2008)
Her bir HPGe kristali, güvenlikleri açısından 0,5 mm kalınlıklı alüminyum kılıf ile kapsüllenmiştir. Kapsüllenen bu kristaller, Şekil 4.2’de gösterildiği gibi üçlü gruplar halinde (dedektör modülü) tek bir kriyostatta bir araya getirilmiştir. Bu modülün bileşenleri Şekil 4.2.d’de gösterilmiştir.
Şekil 4.2 AGATA dedektör modülü (Gerl vd. 2001) a. Dedektörler bir araya getirilerek, b. aynı kriyostata bağlanmıştır (Köln test kriyostat). c, d. Dedektör modülünün parçaları gösterilmiştir: 1. 36 bölümlü Ge dedektörleri, 2. 111 ön yükselteç, 3. destekleme çerçevesi, 4. dijital sinyal işleme elektroniği, 5. fiber optik çıktı, 6. LN2 termos (dewar), 7. hedef olacak şekilde numaralandırılmıştır
180 tane HPGe kristallerinin bir araya getirilmesi ile AGATA dedektör küresi elde edilir. Şekil 4.3’de bu küre ve kürenin bazı karakteristikleri görülmektedir. HPGe kristalleri, konik şekilli olmaları ve üçlü gruplar halinde bir araya getirilmesi sayesinde, katı açının yaklaşık % 82’sini kaplar. Kürenin iç yarıçapı 23 cm olup foto pik verimi, 1 MeV enerjili gama ışınları için yaklaşık % 50’dir. Bu, açığa çıkan gama ışınlarının yarısının, foto pikte kendini göstereceği, yani gama ışınlarının enerjilerinin doğru ölçüleceği demektir. Bölümleme ile elde edilen sistemdeki toplam bölüm sayısı 6480’dir. Bu yüksek bölümlü olma özelliği, dedektörde etkilen radyasyonun etkileşme yeri için çok iyi konum duyarlılığı sağlar. Bunun sonucunda, ölçülen gamaların kaynaktan yayılma yönleri, 1o’den küçük açı duyarlılığı içinde belirlenebilir.
Şekil 4.3 Üçlü gruplar halinde bir araya getirilerek oluşturulan AGATA dedektör küresi ve özellikleri (Akkoyun 2012)
Madde ile etkileşmeye giren yüksüz parçacıklar (gama ışınları gibi) parçacıklar, enerjilerini dedektör içinde, yüklülerde olduğu gibi sürekli olarak değil de, ayrık olaylar ile ayrı noktalarda depolarlar. Bu ayrık etkileşme noktaları, bireysel gama ışınlarının izlerini ve dolayısıyla enerjilerini belirlemeyi güçleştirir. Bölümlenmemiş tek parçalı böyle bir ideal Ge kabuğu, gama ışınları ölçümünde bir dedektör olarak çalıştırılırsa, tek bir gama ışınını ölçmede kusursuz sonuçlar verir. Fakat birden çok gama ışınının bu dedektöre aynı anda çarptığı durumlarda, gama ışınları etkileşme noktalarının birbirine karışmasından dolayı, böyle bir sistem işe yaramaz bir hal alır. Böyle durumlarda, dedektördeki gama ışınlarının etkileşme noktalarının belirlenmesi ve gelen her bir gama ışınının bireysel enerjisinin elde edilebilmesi gereklidir. Bunu yapmanın bilinen en iyi yolu, çok bölümlü iz sürme dedektörlerinin (AGATA ve GRETA) kullanımıdır. Dedektöre gelen gama ışınlarının enerjilerini doğru bir şekilde elde edebilmek için, gama ışınlarının izleri iyi bir şekilde takip edilmelidir.
Gama ışınlarının izlerinin sürülmesinin amacı, bunların dedektördeki doğru saçılma dizisini elde etmektir. Bu amacı yerine getirecek olan iz sürme algoritmaları, etkileşme noktalarının uzaysal koordinatları ve bu noktalarda depolanan enerji bilgilerini kullanır. Süreç sonunda doğru saçılma dizileri başarı ile elde edilen gama ışınları, hedefte meydana gelen bir nükleer bozunmanın bireysel gama geçişlerinin belirlenmesini sağlar.
Gama ışınlarının izlerinin sürülmesi amacıyla geliştirilen algoritmalardan en yaygın olarak kullanılanları, “geri yönde iz sürme” ve “ileri yönde iz sürme” tekniklerine dayalıdır (Marel ve Cederwall 1999, 2002, Milechina ve Cederwall 2003, Bazzacco 2004, Lopez vd. 2004, Piqueras vd. 2004, Hammond vd. 2005).
Geri yönde iz sürme tekniğinde ele alınan ilk nokta, radyasyonun dedektörde etkileştiği son nokta olarak kabul edilerek, radyasyonun yolu geriye doğru izlenir. Bu izlemede ele alınacak etkileşme noktalarının, bir önceki nokta ile belirli şartları sağlayıp sağlamadığının analizleri yapılır. Analiz sonucu şartları sağlayan noktalar kabul edilerek izlemeye bu şekilde devam edilir. Nihayetinde, dedektörde bir veya birçok noktada etkileşmeye giren radyasyonun, tüm bu etkileşme noktaları, doğru sıra ile belirlenir.
İleri yönde iz sürme tekniği ise, iki ana basamaktan oluşur. Bu basamaklardan ilki kümelemedir ki, birbirleri ile ilişkili olduğu düşünülen etkileşme noktaları bir araya getirilir. İkincisi ise, oluşturulan kümelerin analizlerinin yapıldığı basamaktır. Bu teknikte ele alınan ilk nokta, yayınlanan radyasyonun dedektörde ilk olarak etkileştiği nokta olarak kabul edilir.
AGAT dedektörleri ile birlikte bu tekniklerin kullanılması sonucunda, nükleer reaksiyonlar sonucu açığa çıkan gama ışını radyasyonlarının enerjilerinin büyük doğrulukla olarak ölçülmesi mümkündür. Böylece, atom çekirdeklerinin yapılarının anlaşılması için yürütülen çalışmaların daha hassas olarak yapılması sağlanabilmiştir.
KAYNAKLAR:
- Akkoyun, S., vd. 2012. AGATA – Advanced Gamma Tracking Array. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 668, 26-58.
- Balabanski, D., Bucurescu, D. et al. 2008. AGATA Physics Case.
- Bazzacco, D. 2004. The Advanced Gamma Ray Tracking Array AGATA. Nuclear Physics A, 746, 248c–254c.
- CEA, http://www.cea.fr/multimedia/Pages/galeries/univers-espace/GANIL.aspx.
- Gerl, J.,Korten, W. et al. 2001. AGATA Technical Proposal. 87 s.
- Lopez-Martens, A. et al. 2004. Gamma-ray Tracking Algorithms: a Comparison. Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. A, 533, 454–466.
- Marel, J. and Cederwall, B. 1999. Backtracking as a Way to Reconstruct Compton Scattered Gamma-rays. Nucl. Inst. and Meth. in Phys. Res. A, 427, 538–551.
- Marel, J. and Cederwall, B. 2002. Gamma-ray Tracking in Germanium: the Backtracking Method. Nucl. Inst. Meth. in Phys. Res. A, 477, 391–396.
- Piqueras, I. et al. 2004. A Probabilistic Gamma-ray Tracking Method for Germanium Detectors. Nucl. Inst. Meth. in Phys. Res. A, 516, 122–133.
- Recchia, F. 2008. In-Beam Test and Imaging Capabilities of the AGATA Prototype Detector. PhD Thesis, Universita Degli Studi Di Padova, 159 s., Padova.
- Wong, S. 2004. Introductory Nuclear Physics. Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. 460 s., Weinheim.
Bu çalışmanın amacı, ileri gamma ışını iz sürme teknikleri kullanılarak yöne-duyarlı dedektörlerin geliştirilmesidir. Bu amaçla, AGATA projesinin başlangıç aşaması olan AGATA DEMONSTRATOR ve yöne duyarlı bir dedektör olan PRISMA manyetik spektrometresinin birlikte kullanılması ile “Gama Işını İz-sürme Tekniği” ve “Darbe Biçim Analizi”uygulamaları, Gerçekçil Monte Carlo Simülasyonlar ile oluşturulmuştur. AGATA Demonstrator dizimi, 5 adet 3’lü kümelenmiş 15 kristalden oluşmaktadır. İlk uygulaması LNL-INFN laboratuvarında, CLARA diziminin yerine monte edilerek PRISMA manyetik spektormetresi ile birlikte gerçekleştirilecektir. AGATA projesinin amacı, yüksek fotopik verimi (40% den yüksek) ve P/T oranı (50% den yüksek) ile yüksek saflıklı HPGe dedektörlerinin geliştirilmesidir. Bu tip yüksek değerlere, fotonun dedektör kristalinde etkileşme pozisyonlarının belirlenmesini sağlayan pozisyon duyarlı HPGe dedektörlerinin kullanılmasıyla ulaşılabilir. Bu çalışma kapsamında, gerçekleştirilen Monte Carlo simülasyonları ile AGATA Demonstrator + PRISMA deneysel düzeneğinin doppler düzeltme kabiliyeti gösterilmiş, 90Zr +208Pb( 560 MeV ) ve 48Ca+208Pb (310MeV) çoklu-nükleon transfer reaksiyonları kullanılarak gerçekçil Monte Carlo simülasyonları oluşturulmuş, sonuçları tartışılmış ve AGATA+PRISMA düzeneğinin Doppler düzeltme kabiliyetinin, Ge dedektörlerinin iç (intrinsic) enerji çözünürlük değerine çok yakın olduğu ispatlanmıştır.
Berlin Teknik
Emel ece ercan