Çeşitli Dedektör Tipleri
Bu bölüm, daha önce ele alınan ana akım gaz, sintilasyon ve yarı iletken dedektör ailelerinin dışında kalan, ancak her biri kendine özgü bir fiziksel mekanizmayı kullanarak özel bir uygulama alanı kazanan çeşitli radyasyon dedektörlerini inceler. Bölüm, yüklü bir parçacık bir ortamdaki ışığın faz hızını aştığında yayılan yönlü ışık konisini algılayan ve böylece doğal bir hız (enerji) eşiği sağlayan Cherenkov dedektörleriyle başlar. Ardından, orantılı ve Geiger çalışması arasında bir melez olan ve konuma duyarlı tel odalarında değer kazanan kendiliğinden sönümlenen streamer (SQS) gaz çoğaltma modu ele alınır. Yüksek basınçlı ksenon spektrometreleri ile sıvı/kriyojenik iyonizasyon sayaçları, yoğun, yüksek-Z, düşük-W ortamlardan yararlanarak enerji çözünürlüğünü iyileştirmeyi amaçlar. Kriyojenik mikrokalorimetreler ve süperiletken geçiş-kenarı sensörleri (TES), kelvin-altı sıcaklıklarda tek bir kuantumdan kaynaklanan küçük sıcaklık artışını ölçerek enerji çözünürlüğünü birkaç eV seviyesine taşır. Bölüm daha sonra integral alan pasif dedektörleri ele alır: fotoğrafik ve nükleer emülsiyonlar, termoluminesan ve optik uyarımlı dozimetreler ile ilişkili görüntü plakaları, dielektrik iz-aşındırma (track-etch) dedektörleri ve hızlı nötron dozimetrisi için aşırı ısıtılmış damlacık (kabarcık) dedektörleri. Bir folyodaki uyarılmış radyoaktivitenin nötron akısını ve spektrumunu kodladığı aktivasyon yoluyla nötron tespiti, kadmiyum-farkı ve eşik-folyo açma (unfolding) yöntemleri dâhil olmak üzere tam aktivasyon-bozunma kinetiğiyle geliştirilir. Bölüm, modern entegre devre tabanlı dedektörlerle kapanır: doğrudan iyon depolama (DIS) dozimetreleri, MOSFET dozimetreleri ve tekil olay sıçramalarını (single-event upset) kaydeden dijital bellek hücreleri. Bu cihazlar birlikte, dedektör fiziğinin genişliğini ve hedef ister nihai çözünürlük, ister pasif dozimetri, görüntüleme veya aşırı ortamlarda çalışma olsun, dedektör mekanizmasını ölçüm problemiyle eşleştirmenin önemini gösterir.
Cherenkov Dedektörleri
Cherenkov dedektörleri, yüklü bir parçacık saydam bir ortamda ışıktan daha hızlı hareket ettiğinde, yani beta*n > 1 olduğunda (n kırılma indisi) yayılan zayıf ışığı algılar. Bu koşul doğal bir hız eşiği dayatır; bu nedenle yalnızca asgari bir enerjinin üzerindeki elektronlar ışık yayar (suda, n=1.33 için 264 keV). Bu, dedektöre istenmeyen düşük enerjili olayları bastıran benzersiz, yerleşik bir enerji ayrımı kazandırır. Işık, yarı açısı theta olan bir koninin yüzeyinde yayılır; cos(theta) = 1/(beta*n) olup bu da yüksek enerji fiziğinde kullanılan halka-görüntüleyen Cherenkov (RICH) sistemlerini mümkün kılar. Işık verimi çok düşüktür (MeV başına birkaç yüz foton, verimli bir sintilatörden yaklaşık 1000 kat az) ve neredeyse anında (pikosaniyeler) yayılır; bu da bu dedektörleri potansiyel olarak son derece hızlı kılar. Birim dalga boyu başına verim 1/lambda^2 ile ölçeklenir ve emisyonu mavi-UV bölgesinde yoğunlaştırır. Ortamlar silika aerojellerden (n~1.01-1.07) ve gazlardan suya (n=1.33), lusit ve camlara (n>1.47) kadar uzanır. Pratik bir kullanım, saf suda çözülmüş yüksek uç-noktalı beta yayıcıları (P-32, Sr-90/Y-90) standart sıvı sintilasyon ekipmanıyla saymaktır.
Kendiliğinden Sönümlenen Streamer Modunda Gaz Dolu Dedektörler
Kendiliğinden sönümlenen streamer (SQS) veya sınırlı streamer modu, orantılı ve Geiger çalışmasından farklı, esas olarak konuma duyarlı çok-telli odalarda kullanılan üçüncü bir gaz çoğaltma rejimidir. Tüm gaz sayaçlarında olduğu gibi Townsend çığları birincil iyonizasyonu çoğaltır, ancak SQS modunda güçlü UV-emici gaz karışımları ikincil çığları orijinalin hemen yakınına hapseder. Yeni çığlar, anottan radyal olarak uzanan dar bir streamer (150-200 um kalınlıkta, birkaç mm uzunlukta) olarak büyür. Foton-aracılı modelde, büyük bir çığın pozitif-iyon uzay yükü, koni ucundaki alanı güçlendiren bir dipol alan oluşturur; böylece UV ile serbest kalan elektronlar tercihen orada çığ tetikler ve streamer, daha büyük yarıçaptaki alan çoğaltmayı sürdüremediğinde kendiliğinden sınırlanır. Yoğun iyonlaştırıcı parçacıklar için alternatif bir iyonizasyon-izi-kaynaklı model geçerlidir. SQS darbeleri orantılı darbelerden yaklaşık bir kat daha büyüktür; bu da konum-algılama elektroniğini kolaylaştırır ve 30-40 ns yükselme süreleri uzun Geiger ölü zamanından kaçınır. Ancak Geiger darbeleri gibi SQS genliği de başlatan olayın boyutunu artık ölçmez; bu nedenle spektroskopik orantılılık kaybolur. Streamerler büyük çaplı anot telleri (25-100 um) ve belirli gaz karışımlarıyla teşvik edilir.
Yüksek Basınçlı Ksenon Spektrometreleri
Kritik noktasına yakın sıkıştırılmış ksenon gazı (58 atm, 17 C, ~1.1 g/cm^3) çekici bir gama-ışını spektroskopi ortamıdır: yüksek atom numarası (Z=54) fotoelektrik absorpsiyonu artırır ve gaz dedektörleri kristal-büyütme kısıtlamalarıyla hacim açısından sınırlanmaz. W-değeri düşük basınçta iyon çifti başına 21.9 eV olup yüksek yoğunlukta ~%15 düşer; 0.13 Fano faktörüyle istatistiksel çözünürlük sınırı 662 keV'de yaklaşık %0.5'tir. Pratikte, ızgaralı (Frisch-ızgaralı) iyon odaları, elektronik gürültü, mikrofoni ve yavaş elektron sürüklenmesinin (~10^5 cm/s) dayattığı uzun şekillendirme süreleri nedeniyle yalnızca %2-4'e ulaşır. ~%1 hidrojen eklemek sürüklenmeyi hızlandırır. Uzun serbest-elektron ömürleri (~5 ms) elde etmek, ultra yüksek vakum yapımını ve elektronegatif safsızlıkların ~0.5 ppm altında olmasını gerektirir. Ksenonun kritik nokta yakınındaki yüksek sıkıştırılabilirliği, basıncın sıcaklıkla güçlü şekilde değiştiği anlamına gelir, ancak sağlam bir basınç sınırı bu odaların geniş sıcaklık aralıklarında çalışmasına izin verir; bu saha ve uzay kullanımı için bir avantajdır. Ksenon ayrıca ışıldar (~170 nm, bozunma süreleri 2.2 ve 27 ns) ve sürüklenme süresiyle birleştirildiğinde etkileşim derinliğini bulan anlık bir zaman-sıfır sinyali sağlar.
Sıvı İyonizasyon ve Orantılı Sayaçlar
Sıvılaştırılmış soy gazlar, elektronların serbest kaldığı ve elektronegatif safsızlıkları gidermek için yeterince saflaştırılabilen yoğunlaşmış dielektriklerdir; bu da onları mükemmel iyonizasyon ortamları yapar. Sıvı ksenon (Z=54, W~15.6 eV, F~0.05) en çok ilgi gören malzeme olup basit bir iyon odası olarak ve ~10^8 V/m üzerinde yük çoğaltmalı orantılı bir sayaç olarak çalışır; elektron sürüklenme hızı ~10^5 V/m üzerinde 3x10^3 m/s yakınında doygunluğa ulaşır. Düşük W ve Fano faktörü, gama ışınları için NaI benzeri verimlilikle birleşen, sintilatör ile germanyum arası bir çözünürlük vaat eder. Oksijen eşdeğeri safsızlıklar ~1 ppb altında olduğunda elektronlar bir metre veya daha fazla sürüklenebilir; bu da büyük aktif hacimleri ve sürüklenme süresiyle konum algılamayı mümkün kılar. Ölçülen çözünürlükler (%5-6, Ar/Xe'de dönüşüm elektronları için %2.7/%4.3) teoriden daha kötü kalır; bu, delta-ışını izleri boyunca yeniden birleşme dalgalanmalarına atfedilir. Sıvı argon ayrıca ışıldar ve yük ile ışık sinyallerinin toplamı neredeyse alandan bağımsızdır. İki-fazlı emisyon cihazları, çoğaltma için elektronları buhar fazına çıkarır. Oda sıcaklığındaki polar olmayan sıvılar (tetrametilsilan, izooktan) kriyojeni olmadan dozimetri için pratik iyonizasyon ortamları olarak hizmet eder.
Kriyojenik Dedektörler
1 K'nin altında çalışan kriyojenik dedektörler, çok küçük enerjili uyarımlar kullanarak (fonon başına ~10 ueV, elektron-deşik çifti başına ~1 eV'ye karşı) ve termal gürültüyü bastırarak HPGe'den bir kat daha iyi enerji çözünürlükleri elde eder. Bir mikrokalorimetre, ısı kapasitesi C olan bir soğurucu, bir termometre ve soğuk hazneye iletkenliği G olan zayıf bir termal bağlantıdan oluşur; E enerjisini soğurmak sıcaklığı dT = E/C kadar artırır ve cihaz tau = C/G zaman sabitiyle gevşer. Temel çözünürlük sqrt(kB*T^2*C) ile ölçeklenir; bu, sqrt(F*epsilon*E)'nin termal analoğudur ve küçük ısı kapasitesini ve çok düşük sıcaklığı tercih eder. Yarı iletken termistörler (katkılı Si, NTD Ge) sıcaklığı bir direnç değişimi olarak okur ve 1-10 ms bozunma süreleriyle 6 keV'de ~3 eV'ye ulaşır. Süperiletken geçiş-kenarı sensörleri (TES), alpha = (T/R)(dR/dT)'nin büyük olduğu dik süperiletken geçişinde bir filmi besler; sabit-voltaj beslemesi altında elektrotermal geri besleme çalışma noktasını kararlı kılar, çözünürlüğü 2/sqrt(alpha) kadar iyileştirir ve tepkiyi hızlandırır. TES cihazları SQUID yükselteçleri kullanır ve çoğullanmış piksel dizilerini destekler. Soğutma için pompalanan He-3, seyreltme buzdolapları (0.01 K'ye kadar) veya adyabatik mıknatıssızlaştırma buzdolapları (ADR) kullanılır.
Fotoğrafik Emülsiyonlar
Jelatin içinde gümüş-halojenür tanelerinden (esas olarak AgBr) oluşan fotoğrafik emülsiyonlar, görünür ışıkla aynı gizli-görüntü süreciyle iyonlaştırıcı radyasyonu kaydeder: duyarlılaştırılmış tanelerde birkaç nötr gümüş atomu oluşur ve banyo işlemi tüm taneyi metalik gümüşe dönüştürür. Uygulamalar toplu kararma (radyografi) ve tekil iz kaydı (nükleer emülsiyonlar) olarak ikiye ayrılır. Radyografik filmler incedir (10-20 um) ve ~%40 AgBr içerir; optik yoğunluk D ile maruziyet arasındaki ilişki, kullanışlı, kabaca doğrusal bir bölge ve yalnızca ~50-100 dinamik aralıkla S-şekilli bir karakteristik eğri izler. Doğrudan X- ve gama-ışını duyarlılığı düşüktür çünkü ince emülsiyonda foton etkileşim olasılığı yüzde birkaçtır; bu nedenle dönüştürücü folyolar ve ışık yayan yoğunlaştırıcı ekranlar (örneğin kalsiyum tungstat) bir miktar uzamsal çözünürlük pahasına duyarlılığı ~10 kat artırır. Nötron radyografisi gadolinyum dönüştürücü katmanlar kullanır; otoradyografi dahili H-3 veya C-14 kaynaklarını görüntüler. Nükleer emülsiyonlar, tam parçacık izlerini kaydetmek için kalındır (500 um'ye kadar) ve %80'e kadar AgBr içerir; iz uzunluğu menzili/enerjiyi ve tane yoğunluğu dE/dx'i ölçerek doğal parçacık ayrımı sağlar.
Termoluminesan Dozimetreler ve Görüntü Plakaları
Termoluminesan dozimetreler (TLD), bant aralığında derin tuzaklama merkezleri (TC) ve luminesans merkezleri (LC) ile tasarlanmış inorganik yalıtkanlardır. Işınlama sırasında elektron-deşik çiftleri oluşur ve giderek tuzaklanır; n_TC = N_TC[1 - exp(-beta*D)] doygunluk davranışıyla, soğurulan doza orantılı depolanmış bir popülasyon oluşturur; anlık sinyal üretilmez. Okuma sırasında numune ısıtılır (termal uyarımlı luminesans, TSL) veya bir lazerle aydınlatılır (optik uyarımlı luminesans, OSL); bu, tuzaklanmış elektronları serbest bırakır ve bunlar LC'lerde yeniden birleşerek ölçülebilir ışık yayar. Termal kaçış olasılığı bir Arrhenius yasasını izler: p(T) = s*exp(-E/kT); burada E tuzak derinliği, s frekans faktörüdür. Isıtma, tepe noktaları farklı tuzaklara karşılık gelen bir parlama eğrisi (glow curve) üretir; ana LiF:Mg,Ti dozimetrik tepesi 5, 200 C yakınında (E~2 eV) görünür. Tuzak derinliği solmayı (fading) denetler; çok derin tuzaklar sinyali jeolojik süreler boyunca depolayarak arkeolojik tarihlemenin temelini oluşturur. Görüntü plakaları (BaFBr:Eu gibi fotouyarımlı depolama fosforları) OSL'yi büyük-alanlı konuma duyarlı görüntülemeye genişletir: gizli bir yük görüntüsü, bir lazerin satır tarama yapması ve fotouyarımlı luminesansın toplanmasıyla okunur; bu, sekiz ondalığa kadar doğrusal dinamik aralık ve 100-200 um çözünürlük sağlar.
İz-Aşındırma (Track-Etch) Dedektörleri
Yoğun iyonlaştırıcı bir yüklü parçacık bir dielektrikten geçtiğinde, yaklaşık 5 nm yarıçapında moleküler hasar izi bırakır. Güçlü asit veya bazda aşındırma, hasarlı izlere yığın yüzeyden yaklaşık 10 kat daha hızlı saldırarak gizli izleri, mikroskopla görülebilen 10-20 um genişliğinde konik aşındırma çukurlarına büyütür. Sınırlandırılmış enerji kaybındaki (-dE/dx) yerleşik bir eşik, bu dielektrik dedektörleri elektronlara ve gama ışınlarına ve genellikle hızlı protonlara duyarsız kılar; yalnızca yüksek iyonlaştırıcı iyonları, fisyon parçacıklarını ve (duyarlı polimer CR-39 için) ~13 MeV'ye kadar protonları kaydeder. Basit bir modelde yığın yüzey V_G hızıyla, iz ise V_T > V_G hızıyla aşınarak bir koni oluşturur; bir iz yalnızca geliş açısı kritik açıyı theta_c = arcsin(V_G/V_T) aştığında ortaya çıkar; bu poliesterlerde tipik olarak 5-15 derecedir. Solma t = A*exp(U/kT)'yi izler ve yüksek sıcaklıkta tavlama izleri silebilir. Sayma; mikroskop, otomatik tarama, aşındırılmış deliklerden kıvılcım sayımı veya yığın optik/direnç ölçümleriyle yapılır. Yaygın malzemeler mika, camlar, polikarbonat (Lexan) ve CR-39'u içerir. Başlıca uygulamalar dönüştürücü folyolar veya fisil katmanlarla nötron tespiti, nötron radyografisi, personel dozimetrisi ve yaygın radon izlemedir.
Aşırı Isıtılmış Damlacık veya Kabarcık Dedektörleri
Kabarcık dedektörleri, on binlerce aşırı ısıtılmış sıvı damlacığı (örneğin bir freon, <=100 um çapında) damlacıkların yarı kararlı olduğu basınç/sıcaklık koşullarında tutulan, karışmayan bir polimer veya jel matrisinde askıda tutar. Bir damlacığı buhara dönüştürmek için bir çekirdeklenme tetiği gerekir: ağır yüklü parçacık izi boyunca biriken enerji yerel bir termal sıçrama oluşturur ve buhar kabarcığı kritik bir yarıçapı aşarsa tüm damlacık ~1 mm'ye kadar görünür bir kabarcığa dönüşür. Yalnızca yüksek-dE/dx parçacıkları gerekli enerji yoğunluğunu sağlar; bu nedenle dedektör gama kaynaklı elektronlara doğal olarak duyarsızdır. Eşik enerji, sıvı buhar basıncı ile yerel basınç arasındaki farkın ters karesiyle değişir. Hızlı nötronlar damlacıkları elastik geri tepme çekirdekleriyle (ve yüksek aşırı ısıtmada jelden gelen geri tepme protonlarıyla) tetikler; termal/ara nötronlar, 17 keV kükürt geri tepmeleri veren Cl-35(n,p)S-35'ten yararlanarak klor eklenerek tespit edilebilir. Duyarlılık ~%5/C değişir ve sıcaklık dengelemesi gerektirir. Pasif dedektörler kabarcık sayılarak okunur; aktif versiyonlar bir akustik sensör (titreşimi reddetmek için ikinci bir referans dönüştürücü ve darbe-şekil analiziyle) kullanır. Farklı aşırı ısıtmadaki bir dizi şişe, açma (unfolding) yoluyla Bonner-küresi benzeri hızlı nötron spektroskopisi sağlar; tipik duyarlılıklar uSv başına birkaç kabarcıktır.
Aktivasyon Yoluyla Nötron Tespiti
Aktivasyon dedektörleri nötronları dolaylı olarak ölçer: ince bir folyo veya tel akıya maruz bırakılır, ardından uyarılmış radyoaktivite geleneksel ekipmanla sayılır. İnce (bozmayan) bir folyo için reaksiyon hızı R = phi*Sigma_act*V'dir ve radyoaktif çekirdek sayısı dN/dt = R - lambda*N'yi izleyerek N(t) = (R/lambda)(1 - exp(-lambda*t)) ve aktivite A(t) = R(1 - exp(-lambda*t)) verir; bu, 3-4 yarı ömür sonra A_inf = R doygunluğuna yaklaşır. t0'da çıkarıldıktan sonra t1 ile t2 arasında sayım, A_inf'i ve dolayısıyla akıyı çözmeyi sağlar. Malzeme seçimi; tesir kesiti şeklini (yavaş nötronlar için ışımalı yakalama, hızlı nötronlar için eşikli (n,p)/(n,alpha)/(n,2n)), büyüklüğü, yarı ömrü (genellikle birkaç saat en uygundur), saflığı ve yayılan radyasyonun doğasını dengeler. Yavaş-nötron folyoları (Mn, Co, Cu, Ag, In, Dy, Au) ~1/v davranışı artı rezonanslar gösterir; kadmiyum-farkı yöntemi termal katkıyı rezonans katkısından ayırır ve kadmiyum oranı termalleşmeyi ölçer. Farklı enerji eşiklerine sahip eşik folyoları (F, Mg, Al, Fe, Ni, In, Au), açma kodlarının hızlı spektrumu yeniden oluşturmasını sağlar. Akı düşmesi ve öz-perdeleme için folyo düzeltmeleri gereklidir. Aktivasyon folyoları küçük, gama-duyarsız, ucuz, aşırı reaktör ortamlarında dayanıklıdır ve kablo gerektirmez, ancak integral alıcıdır ve tüm zaman bilgisini kaybeder.
Entegre Devre Bileşenlerine Dayalı Tespit Yöntemleri
Modern yarı iletken entegre devre yapıları, kompakt radyasyon dedektörleri olarak kullanılabilir. Doğrudan iyon depolama (DIS) dozimetresi, küçük bir gaz iyon odasını bir kalıcı (nonvolatile) EEPROM hücresine bağlar: yalıtkan SiO2 ile çevrili ve elektron tünellemesiyle yazılan bir yüzen kapıda (floating gate) depolanan yük, gaz boyunca bir alan oluşturur; maruziyet sırasında toplanan iyonizasyon yüzen kapıyı boşaltır ve kaynak-akaç iletim değişimi okunarak 10 mSv'nin çok altında duyarlılık sağlar. MOSFET dozimetreleri, pozitif kapı beslemesi altında SiO2-Si arayüzünde tuzaklanan radyasyon kaynaklı deşiklerin neden olduğu eşik-voltajı kaymasını izler; kayma dozda kabaca doğrusaldır, <0.1 mm^2 aktif alan üzerinde 10-1000 mV/Gy duyarlılığı, yaklaşık 0.5 mGy asgari ölçülebilir doz ve çift-MOSFET tasarımlarıyla iptal edilen sıcaklık sürüklenmesiyle. Son olarak, dijital bellek hücrelerinin kendileri dedektör olarak işlev görür: bir milyondan fazla elektron-deşik çifti oluşturan tek bir alfa veya kozmik-ışın iyonu depolanmış bir biti çevirebilir (tekil olay sıçraması); bu nedenle çipler alfa kirliliği açısından taranır, ancak yüzey katmanları kaldırılan dRAM ve SRAM dizileri ~%50'ye kadar alfa verimliliğiyle parçacıkları kaydedebilir ve hatta konuma duyarlı iyon-demeti görüntüleri sağlayabilir.
Temel Denklemler (17)
Cherenkov ışığı emisyonu için eşik koşulu: yüklü bir parçacık yalnızca hızı ortamdaki ışığın faz hızını aştığında, yani beta (= v/c) çarpı kırılma indisi n birden büyük olduğunda ışıma yapar. Ortam n'ini seçerek bir Cherenkov dedektörünün hız (enerji) ayrımını ayarlamak için kullanılır.
Bir elektronun n indisli bir ortamda Cherenkov ışığı yaymak için sahip olması gereken asgari kinetik enerji. beta*n = 1 koşulundan rölativistik enerji bağıntısıyla türetilir. Suda (n=1.33) bu 264 keV verir. Dedektörün yalnızca istenen enerjinin üzerindeki elektronlara (veya gama-üretilen Compton elektronlarına) yanıt vermesi için ortam seçiminde kullanılır.
Cherenkov fotonlarının parçacık yönüne göre üzerinde yayıldığı koninin yarı açısı. Bir düzleme yansıtıldığında, yarıçapı beta'yı ölçen bir halka oluşturur; bu, parçacık tanımlamasında kullanılan halka-görüntüleyen Cherenkov (RICH) dedektörlerinin temelidir.
Birim yol uzunluğu başına birim dalga boyu başına yayılan Cherenkov foton sayısı için Frank-Tamm bağıntısı. 1/lambda^2 faktörü emisyonu kısa (mavi/UV) dalga boylarına doğru yoğunlaştırır ve köşeli parantez eşikte sıfırlanır. Bir Cherenkov ışıyıcısının (düşük) ışık verimini tahmin etmek ve fotodedektör spektral tepkisini seçmek için kullanılır.
Bir mikrokalorimetrenin temel termodinamik enerji çözünürlüğü; yarı iletkenler için sqrt(F*epsilon*E)'nin termal analoğu. Küçük ısı kapasitesi C ve düşük sıcaklık T ile iyileşir; bu da kelvin-altı çalışmayı ve küçük soğurucuları motive eder. xi, C ve G'nin sıcaklık bağımlılığıyla belirlenen 1-2 mertebesinde bir faktördür.
Bir mikrokalorimetrenin sinyal modeli: E enerjili bir kuantumu soğurmak sıcaklığı E/C kadar artırır ve cihaz, tau0 = C/G termal zaman sabitiyle hazne sıcaklığına gevşer. Çözünürlük-hız ödünleşimini gösterir; çünkü daha küçük C çözünürlüğü iyileştirir, ancak belirli bir G o zaman farklı bir bozunma süresi verir.
Bir geçiş-kenarı sensörünün logaritmik duyarlılığı: dik süperiletken-normal geçişi çok büyük bir alpha verir. Büyük bir alpha, güçlü elektrotermal geri beslemeyi mümkün kılar; enerji çözünürlüğünü 2/sqrt(alpha) kadar iyileştirir ve tepkiyi (1 + alpha/4) kadar hızlandırır.
Bir TLD'de tuzaklanmış elektronların soğurulan dozun fonksiyonu olarak birikmesi. Tuzaklanmış popülasyon düşük dozda doğrusal olarak yükselir ve mevcut tuzaklama merkezleri dolarken doygunluğa ulaşır. Doz-doldurma sabiti beta, elektron-yakalama tesir kesitiyle orantılıdır; TLD tepki doğrusallığını ve doygunluğunu modellemek için kullanılır.
T sıcaklığında E derinlikli bir tuzaktan bir tuzaklanmış elektronun kaçma olasılığının birim zaman başına değeri (Arrhenius / Randall-Wilkins birinci-derece kinetiği). s, deneme frekansı faktörüdür. TLD parlama-eğrisi tepelerinin konumunu ve şeklini ve depolanmış sinyalin uzun vadeli solmasını yönetir.
Bir numune sabit hızda beta_h ile ısıtılırken birinci-derece (Randall-Wilkins) termoluminesans parlama-eğrisi yoğunluğu. Yükselen tuzaktan-çıkma olasılığı ile tükenen tuzaklanmış popülasyonun çarpımı, Tmax'ta bir tepe üretir. Parlama eğrilerini fit etmek ve dozimetrik kalibrasyon için tuzak derinliği E ve frekans faktörü s'yi çıkarmak için kullanılır.
Gizli bir izin, yüzey aşınmasıyla silinmek yerine bir aşındırma çukuru olarak ortaya çıktığı asgari geliş açısı (yüzeye göre). V_G yığın aşındırma hızı, V_T daha hızlı iz-boyunca hızdır; poliesterler için theta_c yaklaşık 5-15 derecedir. İz-aşındırma dedektörlerinin tespit geometrisini ve verimliliğini belirler.
T sıcaklığında belirli bir gizli iz fraksiyonunun tavlanması (solması) için ampirik süre; malzemeye özgü A sabiti ve aktivasyon enerjisi U ile. İz-aşındırma dedektörlerinin depolama kararlılığını değerlendirmek ve onları yüksek-sıcaklık tavlamasıyla kasıtlı olarak silmek için kullanılır.
İnce (bozmayan) bir folyodaki aktivasyon etkileşimlerinin hızı: nötron akısı, spektrum-ortalamalı makroskopik aktivasyon tesir kesiti ve folyo hacminin çarpımı. Uyarılmış aktiviteyi hesaplamak ve bir folyodan nötron akısını çıkarmak için başlangıç noktası.
Işınlama sırasında bir folyodaki radyoaktif çekirdek sayısı için hız denklemi: sabit hızda R üretimi, lambda*N hızında radyoaktif bozunmayla yarışır. Bunu çözmek, maruziyet sırasında uyarılmış aktivitenin birikmesini verir.
Sıfır çekirdekten başlayarak, sabit bir akıda ışınlama süresi t sonrasında bir aktivasyon folyosunun aktivitesi. Birkaç yarı ömür sonra doygunluk değeri A_inf = R'ye doğru yükselir (3-4 yarı ömür doygunluğun %6-12 içine ulaşır). Nicel folyo aktivasyon analizi için merkezi denklem.
t0 süreli bir ışınlamadan sonra, transfer ve sayım sırasındaki bozunmayı hesaba katarak, t1 ile t2 zamanları arasında kaydedilen net C - B sayımlarından doygun aktiviteyi (ve dolayısıyla A_inf = R yoluyla nötron akısını) yeniden oluşturur. Folyo aktivasyonuyla mutlak akı belirleme için çalışma formülü.
Oksit-silikon arayüzünde tuzaklanan radyasyon kaynaklı deşiklerin neden olduğu MOSFET eşik voltajındaki kayma. Kayma (tuzaklanmış-yük yüzey yoğunluğu aracılığıyla) soğurulan dozla kabaca orantılıdır; bu da ölçülen eşik kaymasını doğrudan bir integral alıcı dozimetre çıktısı yapar. C_ox, birim alan başına oksit kapasitansıdır.
Simülasyon tasarımları
Öğrenci bir ışıyıcı ortam (kırılma indisi) ve bir parçacık enerjisi seçer ve yüklü bir parçacık izinin ortamdan geçerken, yarı açısı cos(theta)=1/(beta*n)'yi izleyen bir Cherenkov ışık konisi yaydığını 3 boyutlu olarak izler. Eşiğin altında koni çöker ve ışık görünmez; eşiğin üzerinde sanal bir fotodedektör düzleminde bir halka (RICH halkası) oluşur. Canlı çıktılar eşik enerjisini, koni açısını ve Frank-Tamm foton verimini verir; bir kaplama 1/lambda^2 spektrumunu seçilen bir PMT kuantum-verim eğrisiyle karşılaştırır.
Öğrenci sanal bir ışınla-bekle-say deneyi yürütür: bir folyo izotopu seçer (Au-197, In-115, Mn-55, ...), nötron akısını ve ışınlama süresini ayarlar, uyarılmış aktivitenin A(t)=R(1-exp(-lambda t)) ile doygunluğa doğru birikmesini izler, ardından folyoyu çıkarır, bekler ve bir aralık boyunca sayar. Simülasyon bozunma eğrisini ve gölgeli sayım integralini canlandırır, sonra akıyı geri kazanmak için sayımları tersine çevirir; böylece yarı ömrün, gecikmelerin ve sayım penceresinin ölçüm hassasiyetini nasıl denetlediğini gösterir. Bir kadmiyum-farkı modu, termal akıyı rezonans akısından ayırmak için çıplak ve Cd-kaplı bir folyo çalıştırır.
Öğrenci önce sanal bir TLD'yi seçilen bir doza 'ışınlar' ve n=N(1-exp(-beta D))'ye göre tuzakları doldurur, ardından onu seçilebilir bir doğrusal hızda ısıtır ve Randall-Wilkins birinci-derece kinetiğinden parlama eğrisinin ortaya çıkışını izler; birden fazla tuzak popülasyonu farklı tepeler üretir. Her tepe için tuzak derinliği E ve frekans faktörü s'yi sürükleyerek Tmax ve tepe şeklinin nasıl tepki verdiğini görebilir, sonra gürültülü bir 'ölçülen' eğriden E ve s'yi çıkarmak için otomatik bir en-küçük-kareler fiti çalıştırabilir ve dozu geri okumak için eğriyi integralleyebilir.
Sayısal veriler
Bu bölüm, koda temiz bir şekilde eşlenen küçük, kendi içinde tam sayısal modeller açısından alışılmadık ölçüde zengindir. Cherenkov tespiti, rölativistik kinematik artı bir Frank-Tamm spektral integraline (sayısal kuadratür) ve bir WebGL koni/halka işleyicisine indirgenir. Kriyojenik dedektörler bir termal-devre ODE'siyle yönetilir (C dT/dt = -G(T - T0) + güç); böylece öğrenciler darbeyi açık veya kapalı adımlayıcılarla integrallemeyi ve çözünürlüğü sqrt(kB T^2 C)'den hesaplamayı öğrenir; TES, sert (stiff) ODE integrasyonu ve kararlılık analizinde temiz bir alıştırma olan eşlenik bir elektrotermal geri besleme döngüsü ekler. Termoluminesans, kanonik Randall-Wilkins birinci-derece kinetiği problemidir: öğrenciler parlama denklemini integraller, tepeleri üst üste bindirir ve kinetik parametreleri Levenberg-Marquardt ile fit eder; bu, ticari TLD okuyucularında ve parlama-eğrisi analiz paketlerinde kullanılan aynı dekonvolüsyondur. Nötron aktivasyonu, analitik olarak çözülen ve ardından akıya tersine çevrilen Bateman-tipi bir üretim-bozunma sistemidir; bu, gerçek folyo-aktivasyon kodlarını ve açma araçlarını (örneğin eşik folyolarından ve Bonner kürelerinden spektrum açma için SAND-II, GRAVEL, MAXED) yansıtır. İz-aşındırma geometrisi (koni büyümesi, kritik açı) ve kabarcık-dedektörü açma, algoritma kümesini tamamlar. Öğrenciler bunları, tarayıcı içinde hızlı ODE integrasyonu ve Monte Carlo için WebAssembly'ye derlenen Rust'ta uygular; grafikleri ve 3B sahneleri yönlendiren bir TypeScript/React ön yüzüyle. Tekrar eden hesaplama becerileri sayısal kuadratür, ODE integrasyonu, doğrusal olmayan en-küçük-kareler fiti, Poisson sayım istatistiği ve kötü-koşullu spektrum açmadır.