BOR MİNERALİNİN DOZİMETRİK ÖZELLİKLERİNİN ÇALIŞILMASI

Transkript

1 Çukurova Üniversitesi BOR MİNERALİNİN DOZİMETRİK ÖZELLİKLERİNİN ÇALIŞILMASI Mehmet YÜKSEL Fizik Anabilim Dalı Doktora Öğrencisi

2 Bor ve Bor Mineralleri Deneysel Çalışmalar Termolüminesans Yöntemi İÇERİK Kristal Kusurları Dozimetreler Band Modeli 1/45

3 BOR ve BOR MİNERALLERİ Temel ve Fiziksel Özellikler Kimyasal sembol: B Periyodik cetvel: 3A grubu, [1s²2s²2p¹] Atom numarası: 5 Kütle numarası: g/mol Yoğunluk: 2.34 g/cm³ Erime noktası: 2076 ºC Kaynama noktası: 3927 ºC Yarı metaldir. (Metaloid) 2/45

4 BOR ve BOR MİNERALLERİ Dünya nın kabuğunda düşük miktarda bulunur. Doğada element olarak bulunmaz. Alkali boratlar ya da borik asit gibi çok değişik bileşikler halinde bulunur. Kolemanit, Üleksit, Borik asit, Boraks, Kernit. Lazorit vb. Ticari olarak çok önemli bir elementtir. 3/45

5 Dünya Bor Rezervleri %72.1 i Türkiye de, % 8.4 ü Rusya da, %6.7 si ABD de %12.8 i Çin, Şili, Peru, Bolivya,Sırbistan, Arjantin vb. ülkelerde bulunmaktadır(eti Maden, 2010). Mineral Formülü % B 2 O 3 Bulunduğu Yer Boraks (Tinkal) Na 2 B 4 O 7 10H 2 O Türkiye, ABD, Arjantin Kernit (Razorit) Na 2 B 4 O 7 4H 2 O Türkiye, ABD, Arjantin Üleksit NaCaB 5 O 9 8H 2 O Türkiye, ABD, Arjantin, Şili Probertit NaCaB 5 O 9 5H 2 O Türkiye, ABD Kolemanit Ca 2 B 6 O 11 5H 2 O Türkiye, ABD Pandermit Ca 4 B 10 O 19 7H 2 O Türkiye Borasit Mg 3 B 7 O 13 Cl Almanya Szaybelit MgBO 2 (OH) Kazakistan, Çin 4/45

6 Türkiye Bor Rezervleri Eskişehir (Kırka) Boraks (Tinkal-Na 2 B 4 O 7 10H 2 O), Kalsine Tinkal Etibor-48 (Na 2 B 4 O 7 5H 2 O) Etibor-68 (Susuz Boraks-Na 2 B 4 O 7 ) Kütahya (Emet) Kolemanit (2CaO.3B 2 O 3 5H 2 O), Borik asit (H 3 BO 3 ) Balıkesir (Bigadiç, Bandırma) Üleksit (NaCaB 5 O 9 8H 2 O), Kolemanit, Borik asit, Boraks Boron oksit (B 2 O 3 ), Etidot-67 (Na 2 B 8 O 13 4H 2 O) 5/45

7 Türkiye Bor Rezervleri Bor Elementi Kolemanit Boraks Üleksit 6/45

8 Bor Minerallerinin Kullanım Alanları Cam Cam yünü, Cam elyaf, Panel ekranlar, Solar tüpler Laboratuvar ekipmanları Seramik Frit, Sır vb. ürünler Temizlik ürünleri Deterjan vb. ürünler Tarım sektörü Gübre, Böcek öldürücü, Ahşap koruma Diğer Uzay, Hava araçları, Nükleer uygulamalar, Askeri araçlar, Matalurji vb. alanlar. 7/45

9 Materyal Etibor-68 (Susuz Boraks) Susuz Boraks: Na 2 B 4 O 7 Eskişehir ili Seyitgazi ilçesi Kırka Beldesi Kırka Bor İşletmesi Müdürlüğü 8/45

10 Materyal Üleksit, Kolemanit Üleksit:NaCaB 5 O 9 8H 2 O Kolemanit: 2CaO.3B 2 O 3 5H 2 O Balıkesir, Bigadiç ilçesi Bigadiç Bor İşletmesi Müdürlüğü 9/45

11 KRİSTAL KUSURLARI Noktasal kusurlar Frenkel kusurları, Schottky kusuru Yerini Alma, Safsızlık Çizgisel kusurlar Düzlemsel kusurlar Hacimsel kusurlar 10/45

12 KRİSTAL KUSURLARI Frenkel kusurları Noktasal kusurlar 11/45

13 KRİSTAL KUSURLARI Schottky kusuru Noktasal kusurlar 12/45

14 KRİSTAL KUSURLARI Yerini alma kusuru Noktasal kusurlar 13/45

15 KRİSTAL KUSURLARI Safsızlık kusuru Noktasal kusurlar 14/45

16 KRİSTAL KUSURLARI Kayma kusuru Çizgisel kusurlar 15/45

17 KRİSTAL KUSURLARI Düzlemsel (Tane sınırları) kusurlar 16/45

18 KRİSTAL KUSURLARI Hacimsel kusurlar 17/45

19 DOZİMETRELER Canlı bir organizmanın ya da bir materyalin maruz kaldığı radyasyon dozunu belirlemeye yarayan ölçü aletlerine Dozimetre adı verilir. Dozimetre çeşitleri Film dozimetreler Termolüminesans dozimetreler Gazlı sayaçlar İyonizasyon odaları, Orantılı sayıcılar, Geiger Müller sayıcıları Sintilasyon dedektörleri 18/45

20 DOZİMETRELER Dozimetrelerin Kullanım Alanları 19/45

21 Termolüminesans Dozimetreler Doku eşdeğeri olarak bilinen ve en çok kullanılan dozimetrelerdir. (Özellikle TLD-100, Lityum fluorit) Radyasyona maruz kalan TLD ler absorbe ettiği enerjiyi ısı uygulanana kadar depo eder. Doz ölçümü bittikten sonra tekrar kullanılabilmektedir. Toplam doz hesabında ve personelin maruz kaldığı dozun takibinde kullanılabilmektedir. Küçük bir parça ya da toz şeklinde muhafaza edilir. 20/45

22 Termolüminesans Dozimetreler Vücut boşluklarına yerleştirilebildiklerinden radyoterapide ya da araştırmalarda rahatlıkla kullanılabilmektedirler. Film dozimetrelere göre daha uzun süreli kullanılabilip daha duyarlıdırlar. 5 mrem e kadar düşük dozlar hesaplanabilmektedir. TLD-100 çipleri 21/45

23 Termolüminesans Dozimetreler TLD lerin kullanımı 22/45

24 BAND MODELİ a) Yalıtkan b) Yarı iletken c) İletken 23/45

25 TERMOLÜMİNESANS (TL) YÖNTEMİ Bazı yalıtkan ve yarı iletken maddeler ısıtıldıkları zaman ışıma yaparlar. Bu fiziksel olaya ıstma ile ışıma anlamına gelen Termolüminesans denilmektedir. Termolüminesans teoremi ilk kez 1664 yılında Robert Boyle tarafından gözlenmiştir. Teknolojik gelişmelerle birlikte kullanımı zamanla artmıştır. Dozimetrik ölçüm ve arkeolojik yaş tayini gibi birçok alanda başarılı bir şekilde uygulanmaktadır. 24/45

26 TERMOLÜMİNESANS (TL) YÖNTEMİ Tuzaklanmış elektronların boşalması 25/45

27 TERMOLÜMİNESANS (TL) YÖNTEMİ 1. evre 2. evre tuzak Işıma Şiddeti Lüminesans merkezi Sıcaklık ( C) 26/45

28 Termolüminesans Ölçüm Sistemi Riso TL/OSL Model Da-20 okuyucu kullanıldı. Beta kaynağı: 90 Sr 90 Y Kaynak maksimum 2.27 MeV luk Beta parçacıkları yaymaktadır. Kaynağın yarılanma ömrü 30 yıldır. Kaynağın doz soğurma oranı, Gy/dakika dır. 27/45

29 DENEYSEL ÇALIŞMALAR XRD analizleri, Diferansiyel Termal Analiz (DTA), TL hassasiyetlerinin karşılaştırılması, Tekrarlanabilirlik, Doz cevabının belirlenmesi, Isıtma oranı deneyleri, Dozimetrik tepelerin ayrıştırılması Computer Glow Curve Deconvolution (CGCD) Tmax-Tstop Ön ısıtma deneyleri 28/45

30 Örneklerin Hazırlanması Üleksit, Kolemanit ve Susuz Boraks örnekleri Agat havanda kırıldı. Toz örnekler, eleklerle elenerek μ aralığında elde edildi. Toz örnekler ~30 mg olacak şekilde hassas terazi ile tartılıp kenarlıklı disklere yerleştirildi. Örnekler deney öncesinde XRD sonuçları göz önüne alınarak 1 saat tavlanmıştır. Deneylerde 4 er adet örnek kullanılmıştır. 29/45

31 Deneysel Standartlar Deneylerde μ arası elenmiş toz örnekler kullanıldı. Örnekler ~30 mg olacak şekilde tartılıp hazırlandı. Yapılan tüm TL okumaları 2ºC/s lik ısıtma oranı kullanılarak yapıldı. TL okumaları 450ºC ye kadar gerçekleştirildi. 30/45

32 XRD Analizleri Tavlanmamış Na 2 B 4 O Saat Tavlanmış Na 2 B 4 O Saat Tavlanmış Na 2 B 4 O Şiddet (a.u.) Şiddet (a.u.) Şiddet (a.u.) Teta Teta Teta Tavlanmamış, 500ºC de 1 saat tavlanmış, 500ºC de 2 saat tavlanmış Susuz boraks (Na 2 B 4 O 7 ) örneklerinin XRD sonuçları 31/45

33 Diferansiyel Termal Analiz (DTA) 0-10 Na 2 B 4 O Ağırlık (%) Örnek Sıcaklığı ( o C) Dehidrasyon: 125ºC civarında endotermik reaksiyon tepesi (Tabakalar arası su çıkışı) Dehidroksilasyon: 460ºC civarında endotermik reaksiyon tepesi (Kristal yapı suyunun çıkışı) 750ºC civarında ekzotermik reaksiyon tepesi (Yeni mineral faz oluşumu) 32/45

34 TL Hassasiyetlerinin Karşılaştırılması Kolemanit Üleksit Susuz Boraks TL Şiddeti (a.u.) Sıcaklık ( o C) Tavlama: 500ºC de 30 dakika, Beta Dozu: ~14 Gy 100 ºC civarında ışıma tepelerine sahip olan örneklerden susuz boraksın TL hassasiyetinin daha yüksek olduğu görülmektedir. 33/45

35 Tekrarlanabilirlik Çevrim Sayısı:10 1,4 TL Şiddeti (a.u.) Normalize Edilmiş Tepe Yükseklikleri 1,2 1,0 0,8 0, Sıcaklık ( o C) Çevrim Sayısı 30 mg lık susuz boraks örneklerine ~14 Gy beta dozu verilerek TL okuması yapılmış ve bu işlem 10 defa tekrarlanaraka TL ışıma tepeleri elde edilmiştir. TL hassasiyetlerindeki sapma: ±%2.6 34/45

36 Doz Cevabının Belirlenmesi TL Şiddeti (a.u.) Gy Gy Gy Gy Gy TL Şiddeti (a.u.) Gy Gy Gy Gy Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) ~11 cgy ile 9632 Gy arasında β dozu verilerek elde edilen TL ışıma eğrilerinden seçilen grafikler. 35/45

37 Doz Cevabının Belirlenmesi TL Şiddeti (a.u.) Gy Gy Gy Gy Gy Sıcaklık ( o C) TL Şiddeti (a.u.) Gy Gy Gy Gy Sıcaklık ( o C) ~11 cgy ile ~9.632 kgy arasında β dozu verilerek elde edilen TL ışıma eğrilerinden seçilen grafikler. 36/45

38 Doz Cevabının Belirlenmesi 10 TL Şiddeti (a.u.) 1E9 1E8 1E Tepe Alan 10 0,01 0, Soğurulan Doz Miktarı (Gy) Normalize Edilmiş Doz-Cevap Fonksiyonu f(d) 1 0, Soğurulan Doz Miktarı (Gy) Susuz boraks örneklerine ait doz-cevap eğrileri. Örneklerin 11 cgy ile 200 Gy arasında lineer doz-cevap eğrilerine sahip olduğu görülüyor. 37/45

39 Doz Cevabının Belirlenmesi Yüksek Doz Sonrası (C) Yüksek Doz Öncesi (A) Verilen Doz=30 Gy Yüksek Doz= 9632 Gy TL Şiddeti (a.u.) Sıcaklık ( o C) A. ~30 Gy doz verilip elde edilen TL eğrisi (ilk ölçüm) C Gy doz verilip yapılan TL ölçümünden sonraki ~30 Gy doz verilip elde edilen TL eğrisi (ikinci ölçüm) 38/45

40 Isıtma Oranı Deneyleri TL Şiddeti (a.u.) o C/s 2 o C/s 3 o C/s 4 o C/s 5 o C/s TL Şiddeti (a.u.) o C/s 7 o C/s 8 o C/s 9 o C/s 10 o C/s Normalize Edilmiş Tepe Yükseklik Şiddeti (a.u.) Sıcaklık ( o C) 1,0 0,9 0, Isıtma Oranı ( o C/s) Sıcaklık ( o C) 1-10ºC/s arasında farklı ısıtma oranları kullanılarak elde edilen TL ışıma eğrileri Isıtma oranlarının tepe yüksekliklerine etkisi 39/45

41 Dozimetrik Tepelerin Ayrıştırılması TL Şiddeti (a.u.) Tepe1 Tepe2 Toplam Sıcaklık ( o C) E(eV) s''(1/s) T1 (81ºC) e+12 T2 (106ºC) e Verilen doz: 30 Gy Sapma: % 2.5 FOM=1.78 Lineer doz cevap aralığında (~30 Gy) elde edilen ayrıştırılmış tepeler 40/45

42 Dozimetrik Tepelerin Ayrıştırılması TL Şiddeti (a.u.) Sıcaklık ( o C) Tepe1 Tepe2 Tepe3 Toplam Yüksek dozlarda (~9632 Gy) elde edilen ayrıştırılmış tepeler. E(eV) s''(1/s) T1 (124ºC) e+8 T2 (158ºC) e+10 T3 (268ºC) e Verilen doz: 9632 Gy Sapma: % 1.3 FOM= /45

43 Dozimetrik Tepelerin Ayrıştırılması o C T m ( o C) o C o C 120 o C T stop ( o C) TL Şiddeti (a.u.) o C-110 o C, +5 o C artış Verilen doz ~30 Gy Isıtma oranı 2ºC/s Sıcaklık ( o C) 42/45

44 Ön Isıtma Deneyleri TL Şiddeti (a.u.) o C-110 o C +10 o C artış TL Şiddeti (a.u.) o C-200 o C +10 o C artış Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) ~30 Gy doz verildikten sonra 40ºC den 200ºC ye kadar 10ºC lik artışlarla ön ısıtma yapılarak elde edilen TL ışıma eğrileri. 43/45

45 KAYNAKLAR ETİ Maden İşletmeleri Genel Müdürlüğü ( BOREN (Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü- McKeever, S.W.S., Moscovitch, M., Townsend, P.D., Thermoluminescence Dosimetry Materials: Properties and Uses. Nuclear Technology Publishing, Ashford, UK. McKeever, SWS., Thermoluminescence of Solids. Cambridge University Press, UK. Krane, K.S., Nükleer Fizik, Palme Yayıncılık, Ankara. Furetta, C., Weng, P.S., Operational Thermoluminescence Dosimetry, World Scientific. Aitken, M.J., Thermoluminescence Dating, Academic Press. 44/45

46 TEŞEKKÜRLER 45/45