Silikon Pın Fotodiyot Bazlı Radon Saha Monitörü Dizayn Ve Optimizasyonu

Abstract

Radon, U-238, U-235 ve Th-232 doğal radyoaktif bozunma serilerinin bir üyesidir. Dünyanın oluşum sürecinden dolayı Uranyum ve Toryum elementleri ve aynı zamanda Radon yeryüzünün yapısında doğal olarak bulunmaktadırlar. Radon, fiziksel özelliklerindan dolayı özel bir radyoaktif elementtir. Çünkü doğada gaz formunda bulunur ve rengi, kokusu ve tadı bulunmamatadır. Bu yüzden varlığının tespit edilmesi özel ölÇüm cihazlarını zorunlu kılmaktadır. Radon un gaz formunda olması farklı getiriler sağlamıştır. öyle ki yerin yapısında bulunan Uranyumun bozunumuyla oluştuğundan yeryüzünün derinliklerinde Radon oluşmaktadır. Oluşan Radon, yer kabuğundaki Çatlaklardan ve yer altı su kaynakları yardımıyla yeryüzüne ulaşmakta ve yüzeyde bir konsantrasyon artışı meydana gelmektedir. Dolayısıyla bu durum iki sonuÇ doğurmaktadır: Birincisi, yer altındaki hareketlilikler Radon un yer yüzüne Çıkışını arttırıcı etkiler yapmaktadır. Radon seviyesinin sürekli takibi sismik hareketlilik hakkında bilgi sağlayabilir. İkincisi ise, yoğun Radon konsantrasyonu bulunan bir alanda, solunum yollarına yerleşen Radon ve Radon ürün Çekirdekleri vücudun bu bölümlerinde kanser oluşma riskini arttırmaktadır. Yirminci yüzyılın ikinci yarısından itibaren, Radon un deprem habercisi olduğuna dair pek Çok Çalışma yapılmıştır. Bunlardan ilki Shiratoi tarafında 1927 de Japonya da kaplıcalarda yapılmıştır \cite{shiratoi}. Kaydedeğer bir sonuÇ ise ancak 1950 li yıllarda Hatuda tarafından yine Japonya da elde edilmiş ve 8 şiddetinde bir deprem öncesinde ciddi Radon anomalileri gözlemlendiği bildirilmiştir. Bir başka önemli gözlem, Taşkent Özbekistan da gerÇekleştirilmiştir. Burada da yine yer altı su kaynaklarınde yapılan ölÇümlerde 5.3 şiddetinde bir depremden önce Radon anomalileri gözlendiği rapor edilmiştir. Yakın tarihli bir başgözlem bu defa Hindistan da gerÇekleştirilmiştir. 1999 da Chamoli de meydana gelen 6.5 şiddetindeki deprem öncesinde 393 km uzakta bulunan ölÇüm istasyonlarında kaydedilen Radon anomalileri Virk ve Walia tarfaından Rapor edilmiştir \cite{virk}. Radon un sağlık üzerine etkileri, özellikle akciğer kanseri, uzun süredir araştırılan bir konudur. İlk Çalışmalar, özellikle yüksek oranda Radon a maruz kalan maden işÇileri üzerinde olmuştur. Ancak 1980li yıllardan beri Radon un toplumun geneli üzerine etkileri araştırılmaktadır. Bunların en önemli sonucu Radon un sadece maden işÇileri gibi yerin derinliklerinde Çalışanlar iÇin değil toplumun geneli iÇin de akciğer kanseri sebebi olduğunun belirlenmesidir. Diğer bir önemli sonuÇ da Radon un, toplumun genelinde, sigaradan sonra en büyük akciğer kanseri nedeni olduğunun belirlenmesidir. Bunun yanı sıra yüksek seviyede Radon bulunana ortamlarda yaşayan kişilerin sigara iÇmeleri, kanser riskini daha da arttırmakta olduğu da belirlenen başka biri durumdur. Radon un belirtilen fayda (deprem tahmini) ve zararları (akciğer kanseri), düzenli olarak ölÇülmesini gelişmiş ülkelerde bir zorunluluk haline getirmiştir. buna yönelik geliştirilen Çeşitli Radon ölÇüm yöntemleri ve bu yöntemlere göre Çalışan Çeşitli araç-gereçler dünya genelinde mevcuttur. Bu araç-gereçler temlde aktif ve pasif olarak sınıflandırılabilecek iki tür yönteme göre işlevlerini yerine getirmektedirler. Aktif yöntemin en modern Radon ölÇüm yöntemi olduğu söylenebilir. Bu yöntemle Radon ölÇümü elektronik ve mekanik altyapıya sahip bir cihaz kullanılmasıyla gerÇekleştirilir. Bu tür cihazlar genellikle ölÇüm ortamındaki havanın örneklenip iÇindeki alha ışımalarının sayılması prensibiyle Çalışır. Ancak bazı firmalara ait, enerji ölÇümü yapan cihazlarda da bulunmaktdır. Bunun yanı sıra, dedektör kısmında yarı-iletken dedektörlerin yanı sıra iyonizasyon odacığı bulunan Geiger-Müller dedektörleri kullanan cihazlar da yine mevcuttur. Bu yöntemin en önemli özelliği, ölÇüm süresi boyunca ölÇüm sonuÇlarının sürekli takip edilebilmesidir. Böylece ölÇümün başlangıÇ ve bitiş süreci arasındaki dönem hakkında da bilgi sahibi olunabilmektedir. Ancak olumsu bir yönü, bu tür cihazların son derece yüksek fiyatlarla (bin dolarlar mertebesinde) satışa Çıkmalarıdır. Diğer yandan, pasif yöntemde ise özel olarak hazırlanmaış bir kimyasal malzeme kullanılır. Herhangi bir elektrik beslemesine ihtiyaÇ yoktur. ölÇüm yapılacak alana yaklaşık 20 \$ gibi fiyatlara satılan hazır bir aparat yerleştirilerek bir haftandan bir yıla kadar değişen sürelerde Radon a maruz kalması beklenir. Farklı süreler kullanılan aparatın türüne göre değişmektedir. Belirlenen süre sonucunda, aparat bulunduğu yerden alınarak, genellikle aparatı temin eden firmaya geri gönderilerek ölÇüm sonucunu firma tarfından bildirilmesi beklenir. Bu süreÇte firma aparatı bir takım kimyasal süreÇlerden geÇirerek analiz eder ve ölÇümü sonuçlandırarak ilgiliye ölçüm sonuçlarını bildirir. Görece basit olan bu yöntemin de olumlu ve olumsuz yönleri bulunmaktadır. yöntemin olumsuz tarafı ölçüm süreci içinde Radon seviyesi hakkında bilgi edinilemez. Sadece tüm ölçüm dönemi hakkında genel bir sonuç elde edilir ve ölçüm sonuçlarına ulaşmak belli bir zaman almaktadır. Bunun yanında, son derece ucuz maliyeti ile gelişmiş ülkelerde, evlerde Radon seviyesinin belirlenmesi için, yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Silikon PIN fotodiyot bazlı Radon saha monitörü aktif yöntemle çalışan ve Türkiye de sıfırdan üretilen ilk ve tarih itibariyle tek Radon ölçüm cihazıdır. Radon saha monitörü, aktif eleman olarak silikon PIN fotodiyotun kullanıldığı bir alfa dedektörü çevresinde şekillenmektedir. Detektör küresel simetrik güçlü bir elektrik alanın merkezinde bulunmaktadır. Bu amaçla bir yüksek gerilim kaynağı üretilmiş ve 3500V DC gerilim uygulanmıştır. Yarım küresel elektrik alan geometrisinin içine (ölçüm odası) bir hava motoru ile gönderilen hava içeride oluşan basınç dolayısıyla simetrik olarak bulunan başka bir açıklıktan da ölçüm odasını terk etmektedir. Bu süreç içerisinde oluşan pozitif yüklü Radon ürün çekirdekleri fotodiyot yüzeyine taşınmakta ve burada alfa ışıması yapmaları sağlanmaktadır. Bu süreç içerisinde cihazda bulunan elektronik destek kartları ile cihaza besleme gerilimi sağlanmakta, ortamın atmosferik parametreleri ölçülmekte ve Radon sayımı ile birlikte tüm ölçümler bir SD karta kaydedilmektedir Alfa detektörünün elektronik kısmı üç ana bölümden oluşmaktadır. Bunlardan ilki, fotodiyotta meydana gelen sinyalin yükseltildiği, yüksek kazançlı transempedans yükseltici, ikincisi sinyal şekillendiriciler ve son olarak da komparatördür. Fotodiyotun anot ve katodu arasında oluşan akım, uygun bir yükseltici olmadan gözlenemeyecek kadar küçüktür. Bu çok küçük akım ancak transempedans yükseltici ismi verilen özel bir yükseltici yardımıyla gerilime dönüştürülebilmektedir. Ancak yükseltilmiş bu sinyal yine de ölçüm yapılabilecek düzeyde değildir. Bu yüzden bir şekil kuvvetlendirici dizisi kullanılarak sinyal genliği arttırılmaktadır. Elde edilen analog sinyalin genliği belli bir eşik değerini aştığında, şekil kuvvetlendiriciden gelen analog sinyal, bir komparatör yardımıyla dijital pulslara dönüştürülmekte ve radyasyonun sayılması mümkün olmaktadır. Detektör, çok yüksek kazançlı bir yükseltme işlemi yaptığından dolayı, elektriksel olarak topraklanmış bir metal kutu içerisine yerleştirilerek elektronik gürültülerden yalıtılmıştır ölçüm verimine en önemli katkıyı sağlayan parçanın yüksek gerilim kaynağı olduğu söylenebilir. Yüksek gerilim kaynağı elektroniği bir osilatör devre, bir yükseltici devre, bir transformatör, bir Villard voltaj katlayıcı, bir yük direnci ve RC filtre grubundan oluşmaktadır. Bir saat sinyal üreteciyle elde eilen sinyal bir ön yükseltmenin ardında transformatörün düşük saımlı ucuna verilerek ikinci bir yükseltme gerçekleştirilmektedri .ARdından bu sinyal Villarda voltaj katlayıcı devresinde doğrulma ve yükseltme işlemlerine birlikte tabi tutulurken en son çıkışa bağlanan bir RC filtre drubu ile de çıkışın stabil hale gelmesi sağlanmıştır. Sonuç olark 3500V DC gerilim elde edilmiştir. Ayrıca devre topraklanmış bir metal kutuya uyerleştirilerek, üretilen saat sinyalinin diğer devreleri etkilemesi engellenmiştir. Radon saha monitörünün bu iki ana elemanı dışında, atmosferik ölçümleri gerçekleştiren, cihaza htiyaç duyduğu gücü sağlayan, dijital pulsları sayan ve tüm ölçümleri kaydeden delektronik kartlar da mevcuttur. Atmosferik ölçümler, üzerinde birere adet sıcaklık, nem ve basınç sensörleri bulunan bir sensör kartı ile gerçekleştirilir. Cihaz hem 220V AC elektrikle çalışabilmekte hem de elektrik kesintileri ya da şebeke elektriğinin bulunmadığı yerlerde cihazın çalışabilmesi amacıyla içerisinde bulunan akü yardımıyla da çalışabilmektedir. Akü şebeke elektriğinin olmadığı durumlarda cihaza entegre edilebilen bir güneş paneliyle de şarj edilebilmektedir. Bun dışında cihazda bulunan sayıcı devre üzerinde 8 bitlik bir sayıcı entegre devre elemanı bulundurmaktadır ve gelen her dijital pulsu çıkışlarıa doğrudan iletmektedir. Dijital bilgi daha sonra bir dijital analog çevirici ile analog sinyale dönüştürülmekte ve veri kaydedici karta iletilmektedir. Veri kaydedici kart dört adet analog girişe sahip ve bir mikroişlemci ile kontrol edilen elektronik karttır. Dört girişine gelen her bir analog sinyali belirlenen periyotlarla, tarih ve saat bilgisi ile birlikte bir SD karta kaydetmektedir. ölçümler veri kaydedeici de belirlenen süreyle sürekli olarak tekrar etmektedir.Radon is a member of natural radioactive decay series, U-238, U-235 and Th-232. Due to the formation of earth Uranium and Thorium are naturally present in the earth crust and therefore Radon. Radon has several basic differences compared to most of the known radioactive atoms. It is in gas form, it does not have color and odour. Therefore when radon is produced under soil, it migrates to the earth surface through cracks by underground water sources. As a result of this, accumulation of radon in mines, tunnels and dwellings due to porous structure of building materials. Radon measurement can provide two results: First, long term continuous Radon measurement provide a relation between Radon level on the earth surface and seismic movements under soil. Second, we are exposed to Radon based alpha radiation during our daily life. Unusual specifications of Radon make the detection process somehow difficult. Although there are several commercial devices for carrying out this task, due to their high prices investigations on this subject stay limited. In this work these devices are mentioned rarely. During this thesis we aimed to develop a low cost, electrostatic collection type Radon Field Monitor which includes all electronic parts, an alpha detector, a high voltage supply, a counter circuit and a data logging circuit, in a 30x30x40 cm metal cage. Besides, the device has the ability of operating with the energy supplied from both the mains power and a battery. Alpha detector which uses a silicon PIN photodiode as the active surface, is the most important part of the Radon Field Monitor since it makes the detecion of Radon based alpha radiation. The alpha detector consist of three main sections: Transempedence amplifier, shaping amplifier stages and a comparator. Transempedence amplifier is a special way of amplifying very small signals as the output of the silicon PIN photodiode. However, the output of transempedence amplifier is not as big as to supply an information. Thus, by using a series of shaping amplifier stages the signal amplitude was increased. The obtained bigger signal is applied to a comparator IC and when it go beyond an adjusted threshold level it is converted to digital pulses. Then, it is possible to count the radiation signals. At the end all the elctronics of the detector located in a grounded metal cage to keep the very high amplification proceses against external electromagnetic noise. The high voltage source which makes the biggest contribution to the measurement efficiency is the second important part of the device. The electronics of the high voltage source consists of an oscillator circuit, an amplifier circuit, a transformer, a Villard voltage multiplier, a load resistor and an RC filter group. A clock signal, generated in the oscillator circuit, is applied to the lower wounded input of the tarnsformer after a pre-amplification process. Then, the amplified signal was both rectified and amplified in the Villard Voltage Multiplier stage. The load resistor and the RC filter circuit made the output stable. In the end the high voltage source supplied 3500V DC output. Besides by locating the circuit in a gorunded metal cage it was aimed to keep other circuits against the possible interference of clock signal. Radon field monitor has four other electronic units supporting the operation. The sensor card is one of them making the atmopheric measurements by using a temperature sensor, a relative humidity sensor and an absolute pressure sensor. Device can operate by using the electricity from mains line and a battery located inside it against electricity break down. When the battery gets lower it can be recharged from the mains line or an integrated solar panel. All these operations are managed by another electronic unit. The counter unit is another electronic card in the device. Its only duty is to count the digital pulses coming from detector digital output. Then the counts are sent to a data loggin electronic unit and saved on an SD card in .txt format with date and time stamp. The datalogger unit is managed by a microprocessor which shows all operations on an LCD screen and let the measurement period to be determined manually. Finally, after successfully testing the prototype device, 10 of the same unit have been produced and field measurements have been carried out in the basement of 4 Faculties in Ayazaga Campus of Istanbul Technical University.