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".
1. Kaynaklar
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-1). 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.
Şekil-1: Coolidge tüpünün şematik
diyagramı
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.
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.
2.
X-Işını Demetleri İçin Filtreler
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-2'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-2: Bir filtre ile monokromatik ışın elde edilmesi
3.
Monokromatörler ile Dalga Boyunun Ayrılması
Şekil-3'de 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.
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.
Şekil-3: Bir X-ışını monokromatörü
ve dedektör; dedektörün ışın demetine göre açısı (2q) kristal yüzeyine göre olanın iki katıdır
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. Tablo-2'deki
en düşük ve en yüksek l değerleri bu
sınırlamalar dikkate alınarak saptanmıştır.
Tablo-1: Bazı Tipik Elementlerin Şiddetli Emisyon
Hatlarının Dalga Boyları, A0
Hatlarının Dalga Boyları, A0
Tablo-2: Tipik Difraksiyon Kristallerinin Özellikleri
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
Burada 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.
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-4: Lazer taramalı bir
mikroskopta alınan sonuçlar; akım integrasyonu veya foton sayma (her hat, hat
senkronizasyon sinyali olarak tanımlanır)
Şekil-5: 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.
Gazlı
Dedektörler
Argon, ksenon veya kripton 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-6) 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.
Şekil-6: Bir gazlı dedektörün kesiti
Anoda ulaşan elektronların sayısına uygulanan potansiyelin
etkisi Şekil-7'‘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.
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-7'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.
Şekil-7: Çeşitli tiplerdeki gazlı
dedektörlerde gaz amplifikasyonu
Gazlı
Dedektör Tipleri
a.
Geiger Sayıcı
Geiger tüpü, Şekil-7'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.
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.
b.
Orantılı Sayıcılar
Orantılı sayıcı V3 –V4 voltajları
aralığında çalışan bir gazlı dedektördür (Şekil-7). 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.
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-7'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-8: Tipik bir, (a) Geiger
sayıcı, (b) orantılı sayıcı, ve (c) iyonizasyon odacığının şematik diyagramları
Sintilasyon
Sayıcılar
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.
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. 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.
Şekil-9: Gelen taneciklerin bir
sintilasyon kristaline çarpması, fotonların çıkışı, fotoelektronlara dönüşmesi
ve bunların fotomultiplierde çoğalması
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-10’da, sintilatörün elektronlar, gama ışınları veya
radyoaktif tanecikler çarptığında ışık yayan bir fosfor olduğu bir ikincil
elektron dedektörünün şeması verilmiştir.
Şekil-10: Everhart-Thornley ikincil
elektron dedektörü diyagramı
Yarı
İletken Dedektörler
Yarı iletken dedektör önemli bir X-ışını dedektörüdür.
Bunlara bazan " lityum çöktürülmüş silikon" veya "
germanyum" dedektörler de denir.
Şekil-11'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-11: 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
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.
5.
Sinyal İşlemleri ve Okuma
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.
6.
Enerji Ayırıcı Sistemler
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-12: Bir sinyal yükseklik
analizörünün şematik diyagramı; alttaki grafik çeşitli elektronik devrelerden
sonra ışının geçen sinyallerinin yüksekliğini göstermektedir
Şekil-12'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-12'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.
