FBE- Fizik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Bu koleksiyon için kalıcı URI

http://hdl.handle.net/11527/38

Gözat

Yazar "Bayrak, Ahmet" ile FBE- Fizik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora'a göz atma
  • Öge
    Design and development of an FPGA controlled silicon PIN photodiode detector array for neutron detection
    (Fen Bilimleri Enstitüsü, 2019) Bayrak, Ahmet ; Özben, Cenap Şahabettin ; 10258871 ; Fizik Mühendisliği ; Physics Engineering
    Silikon PIN fotodiyotlar uzun yıllardır iyonize radyasyonun deteksiyonu için kullanılmaktadır ve özellikle son yıllarda çevresel radyasyon ölçümlerinden, X-ışını görüntülemeye kadar pek çok farklı uygulamada kullanılmış ve kullanılmaya devam etmektedir. Bu detektörler aynı zamanda hızlandırıcı tesislerinde ışın demeti kaybı ve güvenlik amaçlı olarak da kullanılabilmektedir. Silikon PIN fotodiyotlar, özel bir dönüştürücü malzeme ile birlikte kullandıklarında nötron deteksiyonu için de kullanılabilir. 10B ve 6LiF, termal nötron deteksiyonunda en sık kullanılan nötron-yüklü parçacık dönüştürücü malzemelerdir. Bu malzemeler termal nötronun absorbe edilmesinin ardından alfa ve triton ışımaları yaparlar. Bu parçacıklar ise Silikon PIN fotodiyotlarda kolayca detekte edilebilirler. Hızlı nötronların söz konusu olduğu durumda ise, polietilen yüksek hidrojen içeriği dolayısıyla en sık kullanılan dönüştürücü malzemedir. Hızlı nötronlar, polietilen içerisindeki hidrojenin tek protonunu, elastik çarpışma ile, polietilen molekülünden söküp dışarı atabilirler. Serbest hale geçen bu protonlar, daha sonra detektöre ulaştıklarında, silikon içerisinde bıraktıkları enerji dolayısıyla deteksiyonları gerçekleşmiş olur. Literatürdeki çalışmalara bakıldığında, farklı malzemelerde dahi, ikincil parçacık üretim ve absorbe olma oranları belli bir dönüştürücü kalınlığının üzerinde genellikle sabit kalmaktadır. Optimum kalınlık değerinin, birkaç yüz mikron olduğu görülmektedir. Silikon PIN fotodiyot kullanılarak tasarlanan detektör sistemlerinin çoğunda, küçük yüzeyli ve tek bir fotodiyot kullanıldığı görülmektedir. Bu detektörlerin sinyal elektroniği ve kontrol birimleri de çoğunlukla ticari ve oldukça pahalı cihazlardan oluşmaktadır. Bu tez çalışmasında mevcut nötron deteksiyon sistemlerine alternatif, tüm elektronik ve kontrol birimlerini barındıran bir sistem geliştirilmiştir. Düşük maliyetli ve dokuz adet First Sensor firmasına ait PS100-CER-PIN2 model penceresiz Silikon PIN fotodiyot kullanılarak geliştirilen detektör, çeşitli hidrojen zengin dönüştürücü malzemelerle test edilmiştir. Geliştirilen yeni nötron detektöründe herbir sensör elemanının kendine ait, bağımsız, bir sinyal okuma elektroniği bulunmaktadır. Bunlar son derece düşük gürültülü JFET temelli bir yük hassas ön yükseltici ve işlemsel yükseltici (Op-Amp) temelli bir şekillendirici yükselticiden oluşmaktadır. Ön yükseltici, doğrudan sensöre bağlı olan ilk yükseltme katmanıdır ve düşük gürültülü olması düşük enerjili protonların detekte edilebilmesi açısından oldukça önemlidir. Her sensör kanalından gelen sinyaller, bağımsız olarak işlenmektedir ve belli bir eşik değerinin üzerine çıkan sinyaller, yine her kanal bağımsız olmak üzere tek bitlik bir analog dijital çevirici devre elemanı yardımıyla dijitalize edilmektedir. Son olarak dijital sinyaller bir FPGA işlemcisi yardımıyla, kullanıcı tarafından belirlenen süreler boyunca, birbirinden bağımsız olarak sayılmaktadır. Dijital sinyallerin sayım işlemleri 100 MHz' lik saat sinyali ile çalıştırılan FPGA işlemcisi içerisinde tasarlanmış sistem ile gerçekleştirilmektedir. VHDL dilinde tasarlanan sistem 10 ns gibi oldukça kısa zaman aralıklarında ve yüksek doğrulukta işlem yapabilme kapasitesine sahiptir. Okuma sistemi beş alt birimden oluşmaktadır. Bunlardan en önemlisi her sensör (fotodiyot) kanalını birbirinden bağımsız okuyan ve sayım işlemini gerçekleştiren sayıcı birimidir. Altında dokuz ayrı sayıcı modül bulunan bu ana birim, bir çeşit arayüz görevi görmektedir ve alt modüllere giden kontrol bilgilerinin tek elden alınması ve tüm alt modüllere dağıtılması görevini gerçekleştirmektedir. Ayrıca sayım işlemi sona erdiğinde verilerin tek elde toplanması ve ilgili diğer bir birime aktarılması süreci de yine burada kontrol edilmektedir. En alt katmanda bulunan ve asıl sayım işlemini gerçekleştiren sayıcı modüller farklı sebeplerden kaynaklanabilecek hatalı sinyalleri saymamak için, özel olarak tasarlanmıştır. Bu amaçla her bir modülün giriş kısmına bir kenar "detektörü" yerleştirilmiştir. Bu tür bir detektör, her saat vuruşu (clock cycle) için sinyal hattından örnekleme yapar ve okuduğu bu değeri bir önceki okuduğu değerle karşılaştırarak, gerçek sinyali hatalı sinyallerden ayırır. Bunu yaparken, gerçek sinyalleri, takip eden iki saat periyodunda, birbirinden farklı voltaj değerlerinde olması prensibinden yararlanmaktadır. Kenar detektörü bu farklılığı tespit ettiği anda bir kenar yakalamış ve gerçek sinyali belirlemiştir. Çünkü gerçek sinyallerin bir saat vuruşundan daha uzun olduğu bilgisi sensör hattından elde edilen dijital sinyaller kontrol edilerek belirlenmiştir. Hatalı sinyaller ise çoğunlukla, oldukça kısa süreli veya diğer bir tabirle yüksek frekanslı olmaktadır. Sinyal jeneratörüyle yapılan kontrollerde, sisteme verilen detektör çıkışına benzer bir sinyalin frekans değeriyle, elde edilen sayım sonucunun tutarlı olduğu açıkça gözlenmiştir. Sayıcılar 24-bit (16x106) sayım kapasiteli olarak tasarlanmışlardır. Yapılan testlerde 24-bit rezolüsyonun yeterli olduğu gözlenmiştir. Tüm sistem, diğer bir ana modül olan ve ölçüm süresini kontrol eden zamanlayıcı birimin kontrolü altında sayım işlemlerini gerçekleştirmektedir. Bu modülde belirtilen süre boyunca sayım işlemleri devam etmekte ve süre dolduğunda buradan gelen bir sinyalle, sayım işlemi sonlandırılmaktadır. Ardından, her bir sayıcı alt biriminden elde edilen sayım verisi bir sonraki modüle, Raspberry Pi' ye aktarılıncaya kadar bekletileceği, veri düzenleme modülüne gönderilmektedir. Veri düzenleme modülü, FPGA işlemcisi içerisinde tanımlanmış bir RAM bloğudur. Bu modül bağımsız sayıcılardan gelen 24-bit' lik sayım verilerininin sırasıyla analiz ortamına gönderilme sürecini yönetmektedir. Bu uygulamada görece standart bir iletişim protokolü olan seri hat kullanılmıştır. Bu hat üzerinde iletilebilecek maksimum veri büyüklüğü 8-bit ile sınırlı olduğundan, dokuz adet 24-bit' lik sayım verisinin herbiri 8' er bit' lik parçalara bölünerek Raspberry Pi' ye gönderilmesi gerekmektedir. Bu işlem de yine veri düzenleme modülü içerisinde gerçekleştirilmektedir. Ardından, veriler 8-bit' lik parçalar halinde iletişim sürecini yöneten UART modülüne sırasıyla aktarılarak, iletim işlemi gerçekleştirilmektedir. Raspberry Pi ile FPGA arasındaki iletişimi yöneten UART modülü, 115200 bit/s' lik hızla çalışmak üzere tasarlanmıştır. Bu hız aynı zamanda UART hattıyla, FPGA' dan bağımsız olarak, ulaşılabilecek en yüksek iletim hızıdır. UART modülü sadece verilerin Raspberry Pi' ye iletilmesini değil aynı zamanda Raspberry Pi' den gelen komut bilgilerinin FPGA' ya aktarılmasını da sağlamaktadır. Alınan bilgi daha sonra cihaz kontrol modülüne aktarılarak, ilgili komutlar işlenmekte ve yerine getirilmektedir. Sistemin mevcut halinde üç tip komut tanımlanmıştır. Herbir komut bir ascii karakteri ile eşleştirilmiş, böylece 8-bit' lik bir iletişim yöntemi sağlanmıştır. Buna göre "A" karakterine karşılık gelen "01000001" baytı ölçüm başlatma, "B" karakterine karşılık gelen "01000010" baytı ölçümü durdurma ve "C" karakterine karşılık gelen "01000011" baytı da sistemin resetleme işlemi ile ilgili tanımlanmış komutlardır. Bahsedilen komutların FPGA' ya gönderilmesi ya da FPGA' dan gelen ölçüm verilerinin anlamlı bilgilere dönüştürülmesi süreci, tamamıyla Raspberry Pi üzerinde gerçekleştirilmektedir. Bu süreç Python dilinde hazırlanmış grafik arayüzü bulunan bir programla yönetilmektedir. Buna göre belli butonlara basmak suretiyle, ilgili komutlar kolaylıkla FPGA' ya gönderilebilmekte ve sistemin işleyişi kontrol edilebilmektedir. Raspberry Pi tarafında, FPGA' dan gelen ölçüm sonuçlarının alınması ve düzenlenmesi sırasında, program sürekli iletişim hattını dinleme durumunda beklemektedir. Veri alışveriş sürecinde iletişim hattının iki tarafı, tanımlanan özel bir bayt ile göreceli olarak senkronize edilmiştir. Buna göre program, gelen ilk baytın program içerisinde tanımlanan başlangıç baytı olup olmadığını kontrol eder. Ondalık olarak 127, binary olarak "01111111" şeklinde tanımlanan bu haberci bayt, ardından gelecek 27 baytlık sayım verisinin habercisidir. Program bu ilk baytı gördükten sonra, ardından gelen baytları üçerli bloklar halinde alarak toplam 9 blok veri alım süreci gerçekleştirmektedir. Herhangi bir sebepten ötürü olası hatalı bir 28. bayt gelmesine karşılık, bu süreç 27 bayt ile sınırlandırılmıştır. Yeni bir veri kabulu sadece en baştaki haberci baytın yeniden gelmesiyle mümkün olmaktadır. Veri alım süreci bittikten sonra, her bir sensör kanalından elde edilen sayım değerleri, grafik arayüz ekranında, ilgili kanalın adını belirten kısımda gösterilmektedir. Burada gösterilen her veri, eş zamanlı olarak her kanal için ayrı olmak üzere bir metin dosyasına kaydedilmektedir. FPGA temelli ölçüm sistemi, kompakt bir cihaz oluşturma adına görevini başarıyla yerine getirmektedir. Ancak detektörün daha detaylı testlerinin yapılması amacıyla, enerji spektrumlarının elde edilmesi için, bazı spektroskopik ölçümler yapılması öngörülmüştür. Bu amaçla mevcut şekillendirici yükseltici yerine, dokuz sensörden bir tanesi, Model 2020 NIM spektroskopi yükselticiye bağlanmıştır. Yükseltme oranlarının ve şekillendirme zaman sabitlerinin kolayca ayarlanabilmesi ve unipolar sinyal çıkışı vermesi, bu yükselticinin tercih edilmesinin nedenidir. Model 2020, sadece nötron deteksiyonu ile ilgili karşılaştırma ölçümlerinin değil, aynı zamanda gama ve alfa ışınlarıyla ilgili ölçümler yapılmasına da imkan vermiştir. Spektroskopik ölçümlerden ilki 226Ra kaynağının yaydığı alfa ışınlarının deteksiyonuna yöneliktir. Oluşan protonların silikon malzeme içerisinde oluşturacakları sinyalin yüksekliği bilinmediğinden, enerjisi bilinen alfa kaynağı ile yapılan ölçümlerin, yükselticinin kazancının ayarlanmasında faydalı olacağı düşünülmüştür. Bu nedenle 226Ra kaynağının alfa spektrumu alınmıştır. Alfa kaynağıyla yapılan testlerin ardından gerçekleştirilen nötron ölçümlerinde, çevirici malzeme olarak farklı hidrojen zengin malzemeler kullanılmıştır. Sayım sistemi ve spektroskopi sistemiyle eş zamanlı gerçekleştirilen ölçümlerde, yüksek yoğunluklu polietilen, parafin, plexiglass, FR4 ve silikon kullanılmıştır. Her iki sistemin ölçüm sonuçlarının belli bir eşik voltaj değerin üzerinde uyumlu sonuçlar verdiği görülmüş, dönüştürücü malzeme kullanılan ve kullanılmayan ölçümlerin birbirinden ayrıldığı belirlenmiştir. Am-Be nötron kaynağında bulunan 241Am' den, alfa parçacığının yanı sıra yayınlanan 59 keV' lik gama ışınının da gözlenmesi mümkün olmuştur. 241Am, 152Eu, 207Bi, 137Cs ve 60Co kaynaklarını kullanarak yapılan ölçümlerde, nötron ölçümlerinde kullanılandan 10 kat daha yüksek bir yükseltme katsayısı kullanılması gerektiği belirlenmiştir. Gama ışınlarının düşük sinyal genlikleri dolayısıyla, nötron ölçümlerinde gürültü seviyesinin altında kalmaları nedeniyle sayımlara katkıları bulunmadığı gözlenmiştir. Bu calışmada tasarımı yapılan ve prototipi üretilen bu tür bir detektör reaktörlerde hızlı nötronların akı tayini için, hızlandırıcı tesislerinde ya da nötron terapisi yapan sağlık merkezlerinde güvenlik amaçlı olarak kullanılabilir.