X-ışınlarının absorbsiyonu, emisyonu, fluoresansı ve
difraksiyonu yöntemlerinin analitik kimyadaki kullanımı çok yaygındır.
Cihazlar, beş temel bölüm içerirler; bunlar, bir kaynak, kullanılacak dalga
boyu aralığını belirleyen bir düzenek, bir örnek tutucu, bir ışın dedektörü
veya transduser ve bir prosesör ve okuma kısımlarıdır. Bu bölümler, işlevleri
aynı olmakla beraber, optik spektroskopideki eşdeğerlerinden farklı yapı ve
özelliktedirler.
X-ışını fotometreler ve spektrofotometrelerde kaynaktan
gelen ışını sınırlandırmak için üç yöntem uygulanabilir. Birincisi, gelen
X-ışının bir filtreden geçirilerek gerekli dalga boyundaki bölümlerin
alınmasıdır. İkinci yöntemde, aynı amaçla, bir monokromatör kullanılır. Üçüncü
bir yöntem, ayırma işleminin bir düzenekle elektronik olarak yapılmasıdır;
burada ayırma, ışının dalga boyuna göre değil enerjisine göre yapıldığından
ayırıcı düzenek, ışının enerji spektrumundaki çeşitli kısımları ayırabilecek
güçte olmalıdır. Bu açıklamalara göre X-ışını cihazları çoğunlukla iki grupta
toplanırlar, "dalga boyu ayırmalı cihazlar" ve "enerji ayırmalı
cihazlar".
X-ışını cihazlarında üç tip kaynak bulunur; Coolidge
tüpleri, radyoisotoplar ve ikincil fluoresans kaynaklardır.
Coolidge
Tüpleri: Analitik
çalışmalarda kullanılan en önemli kaynak Coolidge tüpleridir. Bunlar çeşitli
şekillerde olabilirler. Bir Coolidge tüpü, temelde, havası iyice boşaltılmış
bir tüptür; içinde katot olarak çalışan bir tungsten flaman ile anot görevi
yapan metalden yapılmış kalın bir hedef vardır. Anot metali W, Cu, Mo, Cr, Ag,
Ni, Co, Fe olabilir (Şekil-7). Flamanı ısıtmak ve elektronları hedefe doğru hızlandırmak
için ayrı devreler bulunur. Isıtıcı devresi emitlenen X-ışınlarının şiddetini
kontrol eder, hızlandırma potansiyeli ise onların enerji veya dalga boylarını
belirler. Coolidge tüpü rektifierli (ac akımı dc akıma çevirme) olduğundan,
yüksek voltajlı bir ac akım doğrudan katoda bağlanarak potansiyelin
yükseltilmesi sağlanır. Elektron bombardımanı ile X-ışınları elde edilmesi
verimi çok düşük bir yöntemdir. Elektrik gücünün ancak %1'den daha az bir kısmı
ışın gücüne dönüşür, kalan kısım ısı enerjisi haline geçer . Bu nedenle X-ışını
tüplerinin anotlarının su ile soğutulur.
Radyoizotoplar: X-ışını fluoresans ve absorbsiyon
yöntemlerinde çeşitli radyoaktif maddeler kullanılabilir. Çoğunlukla,
laboratuvarı kirlenmeden korumak için radyoizotop madde kapsül haline
getirilerek, bazı yönler dışındaki tüm ışınları absorblayabilecek şekilde
koruyucu bir kılıf içinde tutulur.
Şekil-7: Coolidge tüpünün şematik
diyagramı
En iyi radyoaktif kaynaklar basit hat spektrası veren
kaynaklardır. X-ışını absorbsiyon eğrilerinin şekilleri nedeniyle bir
radyoizotop bir grup elementin fluoresans veya absorbsiyon çalışmalarında
kullanılabilir. Örneğin, 0.3-0.47 A aralığında hat veren bir kaynak gümüşün K
hattı için absorbsiyon veya fluoresans çalışmalarında uygundur (Şekil-5).
Hassasiyet, kaynak hattının dalga boyunun, saptanan absorbsiyon sınırı dalga
boyuna yakın oluşu ile artar.
İkincil
Fluoresans Kaynaklar: Bazı
absorbsiyon veya fluoresans çalışmalarında kaynak olarak bir Coolidge tüpünden
verilen ışın ile uyarılan bir elementin fluoresans spektrumu kullanılır.
Örneğin, tungsten hedefli bir Coolidge tüpü molibdenin Ka ve Kb
hatlarını uyarmada kullanılabilir. Elde edilen Fluoresans spektrum Şekil-2(a)'daki
spektruma benzer, ancak sürekli kısım bulunmaz.
Uygulamaların çoğunda dalga boyu aralığı sınırlandırılmış
bir X-ışını demeti kullanılması önerilir. Görünür ışın bölgesinde olduğu gibi,
bu amaçla hem filtreler ve hem de monokromatörler kullanılır.
Şekil-8'de bir filtre ile monokromatik bir ışın demeti elde
edilmesinde uygulanan bir yöntem görülmektedir. Burada, bir molibden hedeften
alınmış olan Kb hattı ile sürekli ışının büyük bir kısmı, 0.01
cm'lik bir zirkonyum filtre ile süzülerek tutulmuştur. Bu tip birkaç
hedef-filtre sistemi geliştirilmiştir, bunların her biri bir hedef elementin
şiddetli hatlarından birini yok eder. Bu şekilde elde edilen monokromatik ışın
X-ışını difraksiyonu çalışmalarında çok kullanılır.
Böyle elde edilebilen dalga boyları, hedef-filtre sistemleri
çok az sayıda olduğundan oldukça sınırlıdır. Bir Coolidge tüpünden alınan
sürekli ışın da ince metal şeritlerle süzülebilir. Görünür ışının süzülmesinde
kullanılan cam filtrelerde olduğu gibi, bu durumda da istenilen dalga
boylarının şiddetinde önemli derecede azalma olacağından, oldukça geniş bandlar
elde edilir.
Şekil-8: Monokromatik bir ışın demeti
elde edilmesi
Şekil-9'da bir X-ışını spektrometresinin temel kısımları
görülmektedir. Monokromatör, bir çift ışın demeti kolimatörü (paralel ışın
verici sistem) ile bir ayırıcı elementten oluşur. Buradaki kolimatör, optik bir
cihazdaki slitlerin görevini yapar. Ayırıcı element, bir "gonyometre (açı
ölçer)" veya döner tabla üzerine yerleştirilmiş tek bir kristaldir;
böylece paralelleştirilmiş gelen ışık ve kristal yüzeyi arasındaki q açısı hassas olarak ölçülür.
n l
= 2d sin q
denklemine göre gonyometre herhangi bir açıya ayarlandığında
sadece birkaç dalga boyundaki ışın kırılabilir (l
, l/2, l/3,...,
l/n,
l = 2d sin q dır). Bu nedenle, X-ışını monokromatörü tüm
spektrumu, bir grating veya prizmanın yaptığı gibi, bir anda ayıramaz; bunun
yerine, gonyometre uygun bir açıya ayarlandığında, sadece belirli bir dalga
boyundaki ışın kırılır.
Şekil-9: Bir X-ışını monokromatörü
ve dedektör; dedektörün ışın demetine göre açısı (2q) kristal yüzeyine göre olanın iki katıdır
Absorbsiyon analizlerinde kaynak bir X-ışını tüpüdür ve
örnek ışın demeti içine, şekilde görüldüğü gibi yerleştirilir; emisyon
analizlerinde ise örnek fluoresans bir X-ışınları kaynağı durumundadır.
Bir spektrum almak için, çıkış demeti kolimatörü ve
dedektör, dönme hızı birinci tablanın iki katı olan ikinci bir tabla üzerine
yerleştirilmelidir; bu durumda, kristal bir q
açısıyla dönerken dedektörün ayni anda 2q
açısı kadar dönmesi sağlanır. Kristalin düzlemler arası mesafesinin hassas
olarak bilinmesi gerekir. X-ışını monokromatörlerinin kolimatörleri birbirine
çok yakın istiflenmiş bir seri metal levha veya tüpten oluşur ve paralel
olanlar dışındaki tüm ışınları absorblarlar. 2A0 den daha uzun olan
X-ışını atmosferde bulunan maddeler tarafından absorblanır. Bu nedenle, uzun
dalga boylarına gereksinim olduğu hallerde örnek bölmesi ve monokromatörün
bulunduğu kısımdan sürekli He geçirilerek ışın korunur; veya, bu bölümlerin
pompa ile havası boşaltılır. Monokromatördeki kristal düz bir kristal ise
ışının şiddetinde önemli derecede azalma olur; çünkü, kolimatörlerde ışının hemen
hemen %99'u (çeşitli yönlerde ışınlar) absorblanır. Şiddeti 10 faktörü kadar
artırmak için eğri yüzeyli kristal kullanılmalıdır; bu kristal ışının sadece
difraksiyonunu değil, ayni zamanda kaynaktan gelen farklı yönlerdeki ışınların
çıkış kolimatöründe odaklanmasını da sağlar.
Tablo-1'de görüldüğü gibi analitik yönden en önemli X-ışını
hatları 0.1-10 A0 arasındaki bölgede bulunur. Tablo-2'deki veriler
ise bu aralık içindeki ışının tek kristalle ayrılamayacağını gösterir. Bu
durumda, bir X-ışını monokromatöründe en az iki tane değiştirilebilen kristal
olması gerekir.
Bir kristalin vereceği kullanılabilir dalga boyu aralığı,
kristal tabakaları arasındaki d mesafesi ile belirlenir; tabii 2q değerinin sıfır veya 180 derece olduğu
zaman karşılaşılan sorunlar da belirlemede önemlidir. Bir monokromatör 10
dereceden daha az bir 2q açısına
ayarlandığında yüzeyden saçılan polikromatik ışının miktarı oldukça yüksektir.
2q nın 160 dereceden büyük olması
halinde ise değerler ölçülemez, çünkü böyle bir açı altında kaynak ünitesinin
bulunduğu yer nedeniyle dedektör gerekli konuma gelemez (Şekil-9). Tablo-2'deki
en düşük ve en yüksek l değerleri bu
sınırlamalar dikkate alınarak saptanmıştır. Tablo-2'de görüldüğü gibi, amonyum
dihidrojen fosfat kristalinin kristal tabakaları arasındaki mesafe diğerlerine
göre daha büyüktür, dolayısıyla kullanılabilir dalga boyu aralığı daha geniş,
ayırması (dispersiyonu) ise daha zayıftır. Bu etki, n l = 2d sin q eşitliiyle
verilir; türevi alınarak aşağıdaki formülle ifade edilebilir:
dq
/ d l = n
/ 2d cos q
Eşitlikteki dq/dl, d ile ters orantılıdır ve ayırma gücünü
gösteren bir özelliktir. Tablo-2 ‘de çeşitli kristallerin, en düşük ve en
yüksek dalga boylarındaki ayırma değerleri verilmiştir. Amonyum dihidrojen
fosfatın ayırma değerinin düşük olması, düşük dalga boyları bölgelerinde
kullanılmasını engeller; böyle durumlarda topaz veya lityum fluorür kristalleri
daha uygun malzemelerdir.
Tablo-2: Tipik Difraksiyon Kristallerinin Özellikleri
Kristal
|
Tabaka arası, d, A0
|
Dalga boyu aralığı(a), A0
|
Ayırma, dq/dl, derece/A0
| ||
lmaks
|
lmin
|
lmaks da
|
lmin da
| ||
Topaz
|
1.356
|
2.67
|
0.24
|
2.12
|
0.37
|
LiF
|
2.014
|
3.97
|
0.35
|
1.43
|
0.25
|
NaCl
|
2.820
|
5.55
|
0.49
|
1.02
|
0.18
|
EDDT(b)
|
4.404
|
8.67
|
0.77
|
0.65
|
0.11
|
ADP(c)
|
5.325
|
10.50
|
0.93
|
0.54
|
0.09
|
4.
X-Işını Dedektörleri ve Sinyal Prosesörleri
X-ışını cihazları, ilk olarak ışının saptanması ve ölçülmesi
için fotoğraf emisyonlarında kullanılmıştır. Yöntemin elverişli, süratli ve
doğru sonuçlar vermesi nedeniyle modern cihazlara da ışın enerjisini elektrik
sinyallerine çeviren dedektörler takıldı. Bu amaçlarla kullanılan üç tip
transduser vardır; bunlar, gazlı (gaz doldurulmuş) dedektörler, sintilasyon
sayıcıları ve yarı iletken dedektörlerdir. Ayrıca, "foton sayma"
yöntemi de bir sinyal izleme yöntemidir ve radyoaktif kaynakların dedektörlerinde
ve X-ışını dedektörlerinde kullanılmaktadır.
Foton
Sayma: Çeşitli
fotoelektrik dedektörlerin tersine X-ışını dedektörler, çoğunlukla, foton
sayıcı sistemlerdir. Burada bir ışın kuvantumu olarak çıkan her bir elektrik
pulsu transduser tarafından absorblanarak sayılır; sonra, ışının gücü birim
zamandaki puls sayısı cinsinden sayısal olarak kaydedilir. Bu tip çalışmada dedektör
ve sinyal prosesörünün algılama zamanları, transduserin kuvantayı absorblama
hızına göre çok süratli olmalıdır; yani, foton sayma yöntemi sadece şiddetleri
oldukça düşük ışınlara uygulanabilir. Işının şiddeti arttıkça puls hızı cihazın
algılama zamanından daha büyük olacağından, ancak, saniyedeki ortalama puls
sayısını veren kararlı-hal akımı ölçülebilir.
Modern foton dedektörlerinde yüksek-tayin verimi, hızlı algılama
ve kayıt, düşük gürültü seviyesi, düşük taban gürültüsü ve yüksek güvenirlik
aranır.
Lazer taramalı mikroskoplarda en yaygın olarak kullanılan
foton-tayin sistemleri fotomultiplier tüplerdir (PMT). Şekil-10’da lazer
taramalı bir mikroskopta alınan sonuçlar görülmektedir; her hat, hat
senkronizasyon sinyali olarak tanımlanır).
Şekil-10: Lazer taramalı bir mikroskopta alınan sonuçlar
Şekil-11: Foton sayma metodunda doğrusallıktan sapma eğrisi
Zayıf ışın kaynaklarında foton ölçme yöntemi diğer
yöntemlerden (ortalama puls ve akım ölçme) daha başarılıdır. Sinyal pulsları
kaynak, dedektör ve diğer elektronik kısımların taban gürültüsünden daha
büyükse alınan sonuçlar daha hassastır. X-ışını çalışmalarında, kullanılan
kaynak çoğunlukla düşük enerjili olduğundan, foton sayma yöntemi uygulanır.
Ayrıca foton sayma ile, bir monokromatör bulunmadığı halde de spektra
alınabilir.
Ar, Kr, Xe gibi bir inert gazdan X-ışını geçirildiğinde her
X-ışını kuvantumuna karşılık çok sayıda pozitif gaz iyonlar ve elektronlar
(iyon çiftleri) oluşur ve iletkenlik artar. Bundan yararlanılarak üç tip
X-ışını dedektörü geliştirilmiştir: "iyonizasyon odaları",
"orantılı sayıcılar" ve "Geiger tüpleri" dir.
Tipik bir gazlı dedektörde (Şekil-12) ışın odacığa geçirgen
bir mika, Be, Al veya Mylar pencereden girer. X-ışınının her bir fotonu bir
argon atomuyla etkileşerek argonun en dıştaki elektronlarından birini çıkarır.
Bu "fotoelektron"un kinetik enerjisi çok yüksektir ve X-ışını
fotonunun enerjisi ile elektronun argon atomundaki bağlanma enerjisi arasındaki
farka eşittir. Yüksek enerjili bu fotoelektron gazdaki atomlardan birkaç yüz
tanesini iyonlaştırarak fazla enerjisini kaybeder. Uygulanan bir potansiyelle
hareketli elektronlar merkezdeki anot tele göçerken, yavaşlayan katyonlar metal
katoda yönlendirilirler.
Anoda ulaşan elektronların sayısına uygulanan potansiyelin
etkisi Şekil-13'‘de gösterilmiştir. Şekilde birkaç özel voltaj bölgesi bulunur.
V1 'den küçük olan potansiyellerde iyon çiftleri üzerindeki
hızlandırma kuvveti düşüktür ve pozitif ve negatif tanecikleri ayıran hız kısmi
bir birleşmeyi engelleyebilecek seviyede değildir. Bunun sonucunda anoda ulaşan
elektronların sayısı, gelen ışının başlangıçta oluşturduğu sayıdan daha azdır.
V1 ve V2 arasındaki bölgede anoda
ulaşan elektronların sayısı sabittir ve tek bir fotonun oluşturduğu sayıya
eşittir.
Şekil-12: Bir gazlı dedektörün kesiti
Şekil-13: Çeşitli tiplerdeki gazlı
dedektörlerde gaz amplifikasyonu
V3 ve V4 arasındaki elektronların
sayısı uygulanan potansiyelle hızla artar. Sebebi, hızlandırılmış elektronlar
ve gaz moleküllerinin çarpışmasıyla ikincil iyon-çiftlerinin oluşmasıdır;
sonuçta iyon akımı yükselir (gaz amplifikasyonu). V5 ve V6
aralığında elektrik pulsu çok büyüktür, fakat daha hızlı hareket eden
elektronların daha yavaş olan pozitif iyonlardan uzaklaşmasıyla oluşan pozitif
yüklü bölge, elektronların sayısını sınırlar. Bu etki nedeniyle anoda ulaşan
elektronların sayısı başlangıçta gelen ışının tipi ve enerjisinden bağımsız
olur, fakat tüpün gaz basıncı ve geometrisine göre değişir.
Şekil-13'de 0.6 A0 dalga boyundaki yüksek
enerjili bölgede oluşan elektronların sayısının, uzun dalga boyundaki (5 A0)
X-ışınları ile oluşan sayıdan daha fazla olduğu da görülmektedir. 0.6 A0
lük ışın pulsunun büyüklüğü (puls yüksekliği) daha fazladır.
Geiger Sayıcı: Geiger
tüpü, Şekil-13'deki V5 ve V6 arasındaki voltaj bölgesinde
çalışan bir gazlı dedektördür, bunda gaz amplifikasyonu 109 dan daha
büyüktür. Her foton çığ gibi elektron ve katyon üretir; sonuçta alınan akımlar
çok büyüktür ve tabii algılanması ve ölçülmesi de oldukça kolaydır.
Şekil-14 (a)
Geiger bölgesinde çalışan bir odacıktan sürekli bir elektrik
iletimi sağlanamaz, çünkü daha önce de değinilen pozitif yüklenmiş bölge
elektronları anoda doğru yönlendirir. Sonuçta ani bir puls alınır ve tüpün
iletkenliği kaybolur. İletkenlik tekrar başlamadan önce bu bölgenin yükü,
katyonların odacığın duvarlarına göç etmeleri ile kaybolmalıdır. Tüpün iletken
olmadığı "ölü zaman" süresince ışın algılanamaz; bu nedenle tüpün ölü
zamanı, algılama yeteneğindeki üst sınırı tanımlar. Bir Geiger tüpünün ölü
zamanı 50-100 ms aralığındadır.
Geiger tüpleri, çoğunlukla, argonla doldurulur; ayrıca alkol
veya metan (bir soğutma gazı) gibi organik bir maddeden biraz ilave edilerek,
katyonların odacığın duvarlarına çarpmasıyla ikincil elektronların oluşması
önlenmeye çalışılır. Bir tüpün yaşam süresi 108 - 109 sayım kadardır, sonra soğutma gazı tükenir.
Bir Geiger tüpü ile ışının şiddetti, akım pulslarının sayısı
olarak saptanır. Alet her tip nükleer ve X-ışınına uygulanabilir. Ölü zamanının
yüksekliği bu tüplerin diğerleri kadar çok sayım yapmasını engeller; bu da X-
ışını spektrometrelerde kullanımını sınırlar.
Orantılı Sayıcılar: Orantılı
sayıcı V3 –V4 voltajları aralığında çalışan bir gazlı
dedektördür (Şekil-13). Bunda, bir fotonun oluşturduğu puls 500-10000 kez büyütülürken
pozitif iyonlarının sayısı, ölü zaman sadece 1ms
gibi kısa bir süre olacak kadar azdır. Bir orantılı sayıcı tüpten alınan
pulslar, çoğunlukla, sayılmadan önce yükseltilmelidir.
Şekil-14 (b)
Orantılı bölgede her pulsdan çıkarılan elektronların sayısı,
doğrudan, gelen ışının enerjisine bağlıdır. Orantılı sayıcı sınırlandırılmış
bir X-ışını frekansları bölgesi için hassas duruma getirilebilir. Bunun için
sayıcıya bir "puls yüksekliği analizörü" takılır; bu alet yüksekliği
sadece belirlenmiş sınırlar içinde olan pulsları sayar.
Bir puls yüksekliği analizörü ışının elektronik olarak
süzülmesini sağlar; işlevi, monokromatörün işlevi ile aynıdır. Orantılı
sayıcılar X-ışını spektrometrelerde çok yaygın olarak kullanılan
dedektörlerdir.
c
İyonizasyon Odaları: İyonizasyon
odaları, Şekil-13'deki V1-V2 voltajları arasındaki
bölgede çalışırlar.Burada akımlar küçük (10-13 – 10-16 A0
gibi) ve uygulanan voltajdan bağımsızdır. İyonizasyon odaları,
hassasiyetleri düşük olduğundan X-ışını spektrometrelerde kullanılmazlar.
Şekil-14 (c)
Işın bir fosfora çarptığında ışık (luminesans) çıkar. Bu
yöntem radyoaktivite ve X-ışınlarını saptamada kullanılan hem en eski, hem de
yeni bir yöntemdir.
Yöntemin ilk uygulandığı yıllarda fotonlar veya
radyokimyasal taneciklerin bir çinko sülfür kafese çarpmasıyla meydana gelen
ışımalar gözlenerek sayılıyordu. Bu tür sayımların zorluğundan, Geiger'in
gazlı-dedektörleri bulmasıyla kurtulundu. Fotomultiplier tüpün yapılması ve
fosforla daha iyi sonuçlar alınmasıyla ışıma yöntemine geri dönüldü. Böylece,
sintilasyon sayıcıları geliştirilerek ışının saptanmasında kullanılan önemli
yöntemlerden biri oldu. (Şekil-15)
En çok kullanılan modern sintilasyon dedektörlerde, %1 kadar
talyum ilavesiyle aktiflendirilmiş, geçirgen (şeffaf) bir sodyum iyodür
kristali bulunur. Kristal, boyutları 3-4 inc olan silindir şeklinde bir
parçadır; düzlem yüzeylerinden biri, bir fotomultiplier tüpün katoduna doğru
çevrilir. Gelen ışın kristali çevirirken enerjisi önce sintilatöre geçer; bu
enerji sonra fluoresans ışın fotonları olarak bırakılır.
Şekil-15: Gelen taneciklerin bir
sintilasyon kristaline çarpması, fotonların çıkışı, fotoelektronlara dönüşmesi
ve bunların fotomultiplierde çoğalması
0.25 ms (bozunma
süresi) gibi bir periyotta her tanecik veya foton (ilk gelen ışın) tarafından
400 nm dalga boyu dolayında birkaç bin tane fluoresans foton çıkarılır.
Bir sintilasyon sayıcının ölü zamanı (~0.25 ms ) bir gazlı dedektörünkinden oldukça
küçüktür. Sintilatör kristalde çıkan ışık parıltıları fotomultiplier tüpün foto
katoduna geçirilir; burada önce elektrik pulsuna çevrilir, sonra yükseltilir ve
sayılır. Sintilatörlerin en önemli özelliği her parıldamada çıkan fotonların
sayısının, gelen ışının enerjisiyle orantılı olmasıdır. Bu özellikten
yararlanılarak bir sintilasyon sayıcının çıkışı, sisteme bağlanan bir
puls-yüksekliği analizörü ile izlenerek enerji ayırıcı fotometreler
yapılmıştır.
Sodyum iyodür kristalinden başka fosfor, stilben, ve
terfenil gibi organik sintilatörler de kullanılmaktadır. Bu maddelerin kristal
haldeki bozunma zamanları 0.01-0.1 ms
arasındadır. Bunlardan başka organik sıvı sintilatörler de geliştirilmiştir; bu
tip maddelerin avantajlı tarafı ışın absorblama (kendisi için) özelliğinin
katılara göre daha az olmasıdır. p-Terfenilin toluendeki çözeltisi böyle bir
maddedir. Şekil-16’da, sintilatörün elektronlar, g-ışınları
veya radyoaktif tanecikler çarptığında ışık yayan bir fosfor olduğu bir ikincil
elektron dedektörünün şeması verilmiştir.
Şekil-16: Everhart-Thornley ikincil
elektron dedektörü diyagramı
Yarı iletken dedektör önemli bir X-ışını dedektörüdür.
Bunlara bazan " lityum çöktürülmüş silikon" veya "
germanyum" dedektörler de denir.
Şekil-17'de, üzeri çok ince bir silikon (kristalin halde)
ile kaplanmış lityumlu bir dedektör görülmektedir. Kristalde üç tabaka vardır;
bunlar, X-ışını kaynağına dönük p-tip yarı iletken bir tabaka, merkezi bir
"intrinsik (gerçek)" bölge, ve n-tip bir tabakadır. p-tip tabakanın
dış yüzeyi elektrik iletiminin sağlanması için ince bir altın tabakasıyla
kaplanmıştır; çoğu zaman altın yerine, X-ışınlarını geçiren ince bir berilyum
pencere de kullanılabilir. n-tip silikonu kaplayan bir aluminyum tabakadan
alınılan sinyal yükseltme faktörü 10 kadar olan bir ön-amplifiere beslenir.
Ön-amplifier dedektörün bir parçasıdır.
Dedektör ve ön-amplifier, elektronik gürültüyü uygun bir
seviyeye düşürebilmek için, sürekli olarak sıvı azot termostatında (-196 0C)
tutulur. Oda sıcaklığında, lityumun hızla silikon içine difüzlenmesiyle
dedektörün algılama özelliği bozulur.
Bir lityumlu dedektör, p-tip bir silikon kristali yüzeyinde
lityum çöktürülerek hazırlanır. 400-500 0C'ye ısıtıldığında lityum,
kristal içine difüzlenir; bu element kolaylıkla elektron kaybettiğinden silikonun
p-bölgesi n-tipine dönüşür.
Yüksek sıcaklık uygulaması devam ederken kristal uçlarına
bir de potansiyel uygulanır; bu durumda lityum tabakasından elektronlar, p-tip
tabakadan da boşluklar çıkarılır. np bağlantısından akım geçmesi için lityum
iyonlarının p-tabakası içine göç etmesi ve iletkenlikle kaybolan boşlukların
yerine geçerek gerçek bir tabaka oluşturması gerekir. Bu ortamdaki lityum
iyonları, yerini aldıkları boşluklara kıyasla daha az hareketlidir, bu nedenle
de soğutulan kristalin bu merkez tabakasının direnci diğer tabakalara kıyasla
daha yüksektir.
Bir silikon dedektörün gerçek tabakası, gazlı dedektördeki
argon gazı gibi çalışır. Başlangıçta, bir foton absorblanarak yüksek enerjili
bir foto elektron çıkar. Bu enerji silikonda birkaç bin elektron oluşmasıyla
harcanırken iletkenlikte de önemli derecede yükselme gözlenir. Kristale bir
potansiyel uygulandığında her fotonun absorbsiyonunda bir akım pulsu alınır.
Orantılı dedektörde olduğu gibi, pulsun büyüklüğü absorblanan fotonun enerjisiyle
doğru orantılıdır. Ancak burada, orantılı dedektörde karşılaşılan, pulsun
ikinci bir defa daha yükseltilmesi olayı meydana gelmez.
Şekil-17:
X-ışınları ve radyoaktif ışınlar için kullanılan bir lityumlu silikon dedektörün,
(a) dikey kesiti, (b) yatay kesiti, (c) X-ışını prosesi; gelen X-ışınları
dedektördeki silisyumda iyonlaşmaya neden olur
8.
X-Işını Dedektörlerinden Alınan Puls Yüksekliklerinin Ayrılması (Dağılımı)
Enerji ayırıcı spektrometrelerin özelliklerini anlayabilmek
için, birbirini takip eden eşit enerjili X-ışınlarının dedektörde
absorblanmasıyla oluşan akım pulslarının tam olarak ayni olmadığının bilinmesi
gerekir. Farklılıkların nedeni, fotoelektronların çıkması ve bunların peşpeşe
iletkenlik elektronları meydana getirmesinin, olasılık kanunu ile tariflenen
rasgele işlemler olmasıdır. Böylece bir Gaussian puls yüksekliği dağılım
profili gözlenir. Bu dağılımın genişliği dedektöre göre değişir. Kaplamalı dedektörlerde
dağılım oldukça dardır, bu da lityum çöktürülmüş dedektörlerin X-ışını
spektrometrelerde çok kullanılmasının bir nedenidir.
Bir X-ışını spektrometrenin ön amplifikatöründen çıkan
sinyal, yükseltme gücü 10000 kata kadar değişebilen doğrusal hızlı algılamalı
bir amplifiere beslenir. Bundan 10V gibi yüksek voltajlı bir puls alınır.
Sayıcılar ve
Ayarlayıcılar: Düşük
sayma hızları (500-1000 sayım/dak) için basit bir elektromekanik sayıcı
yeterlidir. Yüksek sayma hızlarında bir veya daha fazla
"ayarlayıcı"ya gereksinim olur. Ayarlayıcı elektronik bir alettir,
çıkış uçları, giriş pulslarının (toplam) sadece belirlenmiş bir miktarını
geçirir; örneğin ikinci, dördüncü, sekizinci, v.s., gibi, saniyelerdeki
pulsları geçirir, diğerlerini geçirmez. Yani, bir sayıcı gibi, puls sayısını
yeteri kadar azaltarak sayar.
Şekil-18: Bir sinyal yükseklik
analizörünün şematik diyagramı; alttaki grafik çeşitli elektronik devrelerden
sonra ışının geçen sinyallerinin yüksekliğini göstermektedir
Voltaj yükseklikleri önceden belirlenen en düşük değerin
üstünde olan pulslar "diskriminatör" (ayırıcı) denilen bir elektronik
devre ile algılanabilir. Tüm modern X-ışını spektrometrelerde (dalga boyu
ayırıcılı ve enerji ayırıcılı), <0.5V (amplifikasyondan sonra) voltajlardaki
pulsları atan diskriminatörler bulunur. Bu yolla dedektör ve amplifier
gürültüsü çok düşük düzeye indirilir.
Bir "puls yüksekliği analizörü" veya
"selektör" (seçici), belirlenen en düşük değerin altındaki ve en
yüksek değerin üstündeki tüm pulsların tümünü atan bir elektronik devredir;
yani, sınırlandırılmış bir puls yükseklikleri "kanalı"ı veya
"pencere"si içinde kalan pulslar dışındaki tüm pulslar atılır.
Şekil-18'de bir puls yüksekliği analizörü ile çalışma
yönteminin şematik diyagramı verilmiştir. Dedektör ve ön-amplifierden çıkan
pulslar bir kez daha yükseltildikten (doğrusal amplifierde) sonra 10V dolayında
voltaj sinyalleri olarak alınır. Bu sinyaller, ilk kademesinde iki diskrimatör
devre bulunan doğrusal puls-yüksekliği analizörüne gönderilir.
Her diskriminatör istenilen herhangi bir voltajın altındaki
sinyalleri atacak şekilde ayarlanır. Şekil-18'ün alt kısmında görüldüğü gibi,
üstteki diskriminatör V voltajından küçük olan sinyal 1'i atar, sinyal 2 ve 3'ü
geçirir. Alttaki diskriminatör ise V+ DV'ye ayarlanmıştır, bu nedenle sinyal 3'ün
dışındaki diğer tüm sinyalleri atar. Ayrıca, alttaki devre, kendi çıkış
sinyalinin polaritesini ters çevirerek karşıt-uyum devresinden gönderilen
sinyal 3'ü yok edecek şekilde hazırlanmıştır. Böylece, sayıcıya sadece DV voltajı aralığındaki sinyal 2'ye ulaşır.
Puls yüksekliği analizörleri tek veya çok kanallı
aletlerdir. Tek kanallı bir analizörün voltaj aralığı 10V veya daha fazla,
pencere aralığı da 0.1-0.5V arasındadır. Pencere el ile veya otomatik olarak
ayarlanabilir. Çok kanallı analizörlerde en az iki, en çok birkaç yüz kanal
bulunur. Kanalların her biri farklı voltaj taramasına ayarlanabilir ve tek
kanal gibi hareket eder ve tüm bir spektrumun anında yayımına ve kaydedilmesine
olanak verir.
