MALZEME KARAKTERİZASYONU

Transkript

1 MALZEME ARATERİZASYNU Prf.Dr. Şerafettin Erğlu Dersi Değerlendirme Sistemi Etki Payı Ödev % 5 ısa Sınav %10 Ara Sınav vize %35 Yarı yıl snu sınavı Final % 50 aynaklar - Ders ntu - X-ışınları difraksiynu, B.D. Cullity,1978, çeviren: Ali Sümer, İTÜ - Metals handbk, Vl.10, Materials Characterizatin, The Cllabratin fr NDT Educatin Bölüm 1. X-ŞNLARNN ÖZELLİLERİ X-ışınları X-rays 1895 yılında Alman fizikci Röntgen tarafından keşfedildi. İlk kullanımı radygrafi alanında ldu. emik kırıkları bu yöntemle tespit edildi. 191 yılında X-ışınlarının kristaller tarafından difraksiynu kırınımı keşfedildi. X-ışınları elektrmagnetik spektrum içinde mr ötesi ışınlarla γ-ışınları arasındaki bölgeyi işgal ederler. Difraksiynda kullanılan X-ışınlarının dalga byları Å arasında değişmektedir. 1 Å 10-8 cm X-ışını dalga dalga byu λ ve enerjisi E aşağıdaki frmüllerle hesaplanır. λ c v E hv Burada λ dalga byu, C şık hızı cms, ν frekans Burada, h Planck sabiti, ν frekans X-ışınışiddeti ntensity,, birim alandan birim zamanda geçen enerji akışışeklinde tanımlanabilir. Birimi Jm s dir. Ancak, enerjinin bu birimde ölçümü zr lduğundan rastgele birimlerle göreceli ölçümler yapılır. Bir filmin kararma derecesi gibi. X-ışınları Elektrmagnetik spektrum

2 X-ŞNLARNN ELDE EDİLMESİ atd wlfram filament Yüksek vltaj Ant Hedef Su ile sğutma X-ışınları Berilyum pencere X-şınları tüpünün şematik gösterilişi X-ışınları yeteri derecede kinetik enerjisi lan elektrnların çabucak hızı azaltıldığında rtaya çıkar. X-ışınları tüpünde, iki elektrd ant ve katt arasında birkaç bin vltluk ptansiyel farkı uygulanması neticesinde katttan çıkan elektrnlar anda dğru hareket ederler. X-ışınları, yeterli enerjiye sahip elektrnların hedefe çarpmasıyla luşur. X-ışınları, vakumlu bir tüp içinde bulunan M, Cu, Cr gibi hedef metallere yüksek enerjili elektrnların çarpması neticesinde elde edilir. Çarpışma sırasında kattdan gelen elektrnlar, hedef metalin atm çekirdeğine yakın kabuklardan elektrn dışarı çıkarırn1 veya,n veya L ve üst kabuktaki elektrnlar bş lan alt kabuğa geçerek X-ışınları yayımlanır Emisyn. Çarpma anında elektrnların kinetik enerjisi E aşağıdaki denklemle verilir: E ev 1 mv Burada eelektrnun yükü1, C, Vuygulanan vltaj, melektrnun kütlesi9, kg, v elektrnların çarpışma öncesi hızı ms vlt uygulandığında hız ışık hızının yaklaşık üçte birine eşittir. inetik enerji, %1 i -ışınları için harcanır, geri kalanı ise ısı enerjisine dönüşür. Hedeften gelen ışınlar analiz edilirse ışınların farklı dalga bylarından luştuğu fark edilir. Şiddetin dalga byu ile değişimi tüp vltajına bağlıdır. Şiddet SWL ye kadar sıfırdır. Vltaj arttıkça şiddet artar. 0 kv ve daha az vltajlarda luşan spektruma bütün dalga bylarını içerdiği için beyaz ışıkta lduğu gibi sürekli spektrum denir. Sürekli spektrum elektrnların ani yavaşlaması snucu luşur. Her elektrn aynışekilde yavaşlamaz.bazısı bir çarpışmada durur ve bütün enerjisini dışarı verir. Diğerleri hedefin atmları tarafından duruncaya kadar saptırılır. SÜRELİ SPETRUM arakteristik radyasyn Sürekli radyasyn Tüp vltajına bağlı larak M -ışınları spektrumu X-ekseni dalga byunu, y-ekseni ise X-ışını şiddetini göstermektedir. SWLshrt-wave length limitısa dalga byu limiti

3 Bir çarpışmada durdurulan elektrnlar maksimum enerjili ftnları yani minimum dalga bylu X-ışınlarını meydana getirir. Böyle elektrnlar bütün kinetik enerjisini ftn enerjisine çevirir. ev hν λ SWL c ν ma ma hc ev E < hν ν < ν λ > λ ma SWL ma 1400 V Bu denklem, en kısa dalga byu limitini SWL Å larak uygulanan vltaja bağlı larak verir. Elektrn tamamen durmaz ise ev yalnız bir kısmını radyasyn larak yayar. Dalga byları en kısa dalga byu limiti üstünde lan dalga byları sürekli spektrumu luşturur. Vltaj arttıkca şiddet artar ve şiddet-dalga byu eğrileri sla kayar. Çünkü ftnların sayısı artmaktadır ve bir ftnun rtalama enerjisi artar. Eğrilerin altındaki alan saniyede rtaya çıkan ışınların tplam enerjisiyle rantılı lup, atm numarasına Z, i tüp akımına saniyede hedefe çarpan elektrn sayısına ve uygulanan vltaja bağlı larak değişir. Tplam X-ışınışiddeti aşağıdaki denklemle gösterilir. Bu denklemde A ve m sabitlerdir. sürekli spektrum AiZV m Fazla miktarda beyaz radyasyn arzu ediliyrsa hedef larak W Z74 gibi ağır bir metal ve mümkün lduğu kadar yüksek bir vltaj uygulamak gerekir. Eğer vltaj belirli bir değerin çıkarılırsa bu her hedef için ARATERİSTİ SPETRUM değişir bazı belirli dalga bylarında sürekli spektruma ilave larak keskin şiddet maksimumları görülür. Bunlar çk dar ve dalga byları hedef metalin karakteristiği lduğundan karakteristik çizgiler pikler larak adlandırılır.,l,m gibi artan dalga bylarına sahip muhtelif takımlara ayrılan bu çizgilerin hepsi karakteristik spektrum u teşkil eder. Örneğin M hedef için çizgileri yaklaşık 0,7 Å, L çizgileri 5 Å ve M çizgileri daha uzun dalga bylarına sahiptir. X-ışınları difraksiynunda daima çizgileri kullanılır, çünkü daha uzun dalga bylarındaki ışınlar klayca absrbe edilirler emilirler. takımında α1, α, 1 en kuvvetli çizgilerdir. Difraksiynda bunlar kullanılır. M hedef için takımının dalga byları M λ α1 0,7096 Å, λ α 0,71354 Å, λ 1 0,635 Å α 1 ve α ayrılırsa α çifti, ayrılmaz ise α çizgisi larak adlandırılır. çizgisinin rtalama dalga byu aşağıdaki frmüller hesaplanır: λ α λ α1 + λ α 3 0, , ,71069 Å α1 in şiddeti, α nin iki katıdır.. α1 in şiddeti 1 den daha büyüktür rt. 5 katı. Fark atm numarasına bağlı larak değişir. M için kritik uyartma vltajı için V 0,01 kv dir. V>V lduğunda V arttıkça ışın şiddeti artar, ancak dalga byu sabit kalır. 35 kv da M hedefe ait spektrum

4 çizgisinin şiddeti yaklaşık larak aşağıdaki denklemle verilir: Bi V çizgi V çizgisinin şiddeti uyarma vltajı V ile artar. Burada n 1.5 dir. B ise rantı sabitidir. çizgi > 90 sürekli spektrum Cu için X-ışınları diffraksiynunu mümkün kılan bu kuvvetli keskin α çizgilerinin mevcudiyetidir. Pek çk difraksiyn mnkrmatik radyasynun kullanılmasını gerektirir. Aşağıdaki bağıntıyla verilen MSELEY kanununa göre hedefin atm numarası Z arttıkça -ışını çizgi frekansı ν artar veya dalga byu azalır: n ν c Z σ Burada c veσ sabittir. Mseley kanununa göre çizgi frekansının karekökü ile hedef malzemenin atm numarası arasında lineer bir ilişki vardır. Burada hedef malzeme X-ışını kaynağıdır. Sürekli spektrum elektrnların hedef tarafından çabucak yavaşlatılmasından meydana geldiği halde karakteristik spektrumun menşei hedef maddesinin atmlarının kendisidir. Atm, muhtelif kabuklar üzerinde bulunan elektrnlarla çevrilmiş bir çekirdekten ibarettir. 1 çekirdek L 3 4 arakteristik X-ışınlarının anlamak için örnek larak α ışının nasıl luştuğuna bakalım. Hedefe çarpan elektrnlardan biri 1 kabuğundaki bir elektrnu kabuk dışına atarak atmu yüksek enerjili hale getirir. Daha dış kabukta bu örnekte L kabuğunda bulunan bir elektrn kabuğundaki bşluğu dldurur 3. Bu süreçte atm enerji vererek nrmal enerji seviyesine döner. Açığa çıkan enerji belli bir karakteristik dalga byuna sahip α radyasynu 4 şeklindedir. Bir atmda radyasynu luşumunda gerçekleşen laylar

5 kabuğundaki bşluk başka dış kabuklardan gelen elektrnla dldurulduğunda diğer çizgileri, γ luşur. Fakat, kabuğundaki bşluğun L kabuğundaki bir elektrn tarafından M kabuğundaki elektrna kıyasla dldurulma ihtimali daha yüksektir. Bu yüzden α ışınının şiddeti dan daha yüksektir.benzer şekilde L veya M çizgileri yandaki şekilde gösterildiği gibi rtaya çıkar: Bir elektrn, L veya M kabuğundan elektrn dışarı çıkarır ve bşluk daha dış kabuktaki elektrn tarafından dldurulur. arakteristik radyasyn için kritik uyarma vltajına ihtiyaç vardır. Örneğin, eğer tüp vltajı kritik değerin üzerinde lmazsa radyasynu luşamaz. Çünkü, hedefe çarpan elektrnların hedef atmun kabuğundaki elektrnu dışarı çıkarmak için yeterli enerjiye sahip lması gerekir. Eğer W bir elektrnu kparmak için gerekli iş ise, hedefe çarpan elektrnların kinetik enerjisi 1 mv W lmalıdır. Çizgileri α,, γ L çizgileri L α,l M Çizgileri M α n1, Ln ve Mn3. Burada n temel kuantum sayılarını temsil etmektedir., L ve M karakteristik çizgilerinin luşumu için kabuklar arasındaki elektrn geçişleri. ABSRBSİYN Şimdiye kadar elektrn ve atm etkileşimlerini inceledik. Şimdi X-ışınları-atm etkileşimlerini inceleyelim. X-ışınlarının malzeme içinde mesafesi yl aldığında şiddetinde azalma aşağıdaki diferansiyel denklemle verilir. Gelen ışın Süzgeç Geçen ışın d d d e X X e Burada lineer absrbsiyn katsayısı, ise şiddettir. Yukarıdaki denklemin integrali alındığında yandaki denklem elde edilir., yğunluk arttıkca artar. yerine kütle absrbsiyn katsayısı kullanıldığında yandaki denklem elde edilir. Burada rijinal şiddet, kalınlığındaki malzeme içinden geçen ışının şiddeti W1 1 + W +... ütle absrbsiyn katsayısı her bir malzeme için sabittir ve karışımlarda yandaki denklem kullanılarak elde edilir. Burada W ağırlık kesridir.

6 X-ışınları ile atmların etkileşimlerini anlamak için absrbsiyn katsayısının dalga byu ile değişimine bakmak gerekir. absrbsiyn kenarındaki absrptin edge her iki eğri aşağıdaki ilişkiyi takip eder: 3 Z 3 Burada k sabittir. kλ Madde tarafından absrblama -ışınlarını saçarak ve gerçekten absrbe ederek gerçekleşir. Saçarak absrbsiyn hakiki absrbsiyndan çk küçüktür hafif elementler hariç. Hakiki absrbsiyna atm içindeki elektrn geçişleri neden lur. Örnek larak, Ni atmundan elektrnunun X-ışınları tarafından dışarıya çıkarılması verilebilir. Yanda aşağışekilde kütle abrbsiyn katsayısının absrbsiyn kenarına tekabül eden dalga byunda λ aniden arttığı görülmektedir. bu dalga byundaki X-ışınının Ni elektrnunu atmdan çıkarmak için gerekli lan enerjiye W denk gelmektedir Üstteki şekil. Burada hc W hv λ Gelen ışının enerjisi belli bir W değerini aşması gerekir; yani gelen X-ışının dalga byu λ dan düşük lmalıdır. Gelen ışının dalga byu λ değerinin hemen altında lduğunda Ni için 1,488 Å absrbsiyn katsayısı birdenbire artar, enerjisi radyasynu ve ftelektrnun kinetik enerjisi için harcanır ki absrbsiynu gerçekleşir. X-ışını enerjisi ve Ni kütle absrbsiyn katsayısının dalga byu ile değişimi Yeterli enerjiye sahip bir elektrnun elektrnunu atmdan dışarı çıkarmak suretiyle karakteristik radyasynunun luşumuna yl açtığını daha önce belirtilmişti. Aynı durum eğer X-ışınları W minimum enerjiye sahip ise rtaya çıkar; X-ışınları malzemeye çarptığında malzemenin atmlarından karakteristik X-ışınları uyarılabilir. Bu rtaya çıkan elektrnlara ftelektrn ve X-ışınlarına ise flresans radyasyn denir. Flresans radyasynun dalga byu, elektrnların metal hedef çarpmasıyla luşan karakteristik radyasynla aynıdır. Yandaki atm enerji seviyelerini gösteren şekil kullanılarak rtaya çıkan karakteristik ışınları dalga yları hesaplanabilir. Örneğin, α 1 karakteristik radyasynunu göz önüne alalım. L seviyesi gerçekte birbirine yakın L, L ve L seviyelerinden luşmaktadır. α1 emisynu, L geçişi snucu luşur. Her iki seviye arasındaki enerji farkı, α 1 radyasynunun enerjisini verir. Buradan giderek aşağıdaki denklemlerle gösterildiği gibi α 1 radyasynunun dalga byu hesaplanır: Burada alt indis ve L absrbsiyn kenarlarını gösterir.

7 Hedef metalden radyasynunu uyarmak için gerekli tüp vltajı V hesaplanabilir. Hedefe çarpan elektrnların enerjisi W ya eşit lmalıdır. Yandaki denklemlerden V bulunur. Burada λ, Å absrpsiyn kenarı dalga byudur. Süzgeçler V üstünde çalışan tüpler α, ve sürekli spektrum ihtiva eder. Arzu edilmeyen bileşenlerin şiddetleri, α çizgisinin şiddetine nazaran, X-ışını demetini absrbsiyn kenarı hedef metalin α ve dalga byları arasında lan bir maddeden yapılmış süzgeçten geçirilerek azaltılabilir. Böyle süzgeç bir maddenin atm numarası hedef metalinkinden 1 veya kadar az lacaktır. Örneğin, Cu radyasynu için Ni süzgeç kullanılır. Burada Z Cu >Z Ni Şiddet ütle absrbsiyn katsayısı ev V Bakır radyasynu- Süzgeç yk. W hc eλ hv 1400 λ hc λ Bakır radyasynu- Ni süzgeç var. Nikel süzgeçden geçen ve geçmeyen bakır radyasynuna ait spektrumların kıyaslanması. esik çizgiler Nikelin absrbsiyn katsayısını göstermektedir. Aşağıdaki tablda değişik hedef metaller için kullanılan süzgeçler, gerekli kalınlıklar ve α radyasynu için geçirme ranını göstermektedir. Süzgeç malzemeleri genellikle ince flylar şeklinde kullanılır. Metalden fly üretmek zr ise metalin ksiti kullanılabilir. ksit tzları uygun bir bağlayıcı ile karıştırılır ve kağıt üzerine yayılır. Birim alan için gerekli kütle aşağıdaki tablda verilmektedir. radyasynun bastırılması için süzgeçler filitreler Hedef Süzgeç Gelen ışın Geçen ışında 5001 α ışını için ranını elde etmek geçen ışının için ksit tz miktarı gelen ışına ve süzgeç kalınlığı ranı

8 X-ŞNLARNN SAPTANMAS X-ışınlarının saptanmasında flöresans plakalar, ftğrafik film ve sayaçlar kullanılır. Flöresans Plakalar: Flöresans plakalar mukavva üstüne kaplanmış ince ZnS filminden luşur. X-ışınlarına maruz bırakıldığında ZnS bileşiği görünür ışık sarı renkte yayar. Ana X-ışını demetinin pzisynunu saptamak için cihaz ayarlanmasında kullanılır. Ftğraf Filmleri: Ftğraf filmleri, görünür ışıktan etkilendiği gibi X-ışınlarından da etkilenir. Ancak, X-ışınlarının saptanması için film üzerindeki absrblayıcı tabaka kalınlığı daha yüksek lmalıdır. X-şınlarının bu tabaka içindeki AgBr atmları tarafından absrblanması suretiyle film üzerinde kararmalar lur. Özel plarid filmler bu amaç için de kullanılmaktadır. Ftğraf filmleri aynı anda bir çk difraksiynu tespit edebilir. Sayaçlar: X-ışını sayaçları, -ışınlarını darbeli pulse elektrik akımına çeviren cihazlardır. Birim zamandaki darbe sayısı, sayaca giren X-ışının şiddetiyle rantılıdır. X-ışınışiddetleri bu yöntemle klayca tespit edilir. Fakat, sayaçların çğu, difraksiyn piklerini teker teker tespit eder. Sayaçlar, daha snra anlatılacaktır. Radyasyn Tehlikesi X-ışınları, insan hücrelerine zararlıdır. Bu bakımdan belli bir kritik değerin üstünde X-ışınları alındığında beyaz kan hücrelerinin sayısında azalma lur ve zamanla kansere yl açar. X- ışınları ile çalışanların dzimetre kullanması gerekir. Prtatif sayaçlar, X-ışını cihazı civarında ptansiyel kaçakların tespit edilmesinde kullanılır. X-ışınlarından krunmak için en iyi prsedür, tüpten gelen ana X-ışını demetinin yerini flöresans plaka ile tespit etmek ve bu demetten kaçınılmalıdır. Cihazdan saçılan X-ışınlarını absrbe etmek için kurşun plaka veya kurşun içeren camlar kullanmak suretiyle cihazın etrafı kapatılmalıdır. Prblem 1: Bakır için uyarma vltajını hesaplayınız. absrbsiyn kenarı dalga byu1,38059 Å. Prblem : Cu α 1 dalga byunu hesaplayınız. absrbsiyn kenarı dalga byu1,38059 Å, L ııı absrbsiyn kenarı dalga byu13,88 Å. Prblem 3: Mlibden hedef metalden çıkan -ışınlarının ylu üzerine yerleştirilmiş bakır flydan flresans radyasynun uyarılması için uygulanması gereken tüp vltajını hesaplayınız. Prblem 4: C radyasynu için süzgeçler demir flylardan ziyade 3 tzundan yapılır. a Eğer bir süzgeç 5 mg 3 cm içeriyrsa C α çizgisi için geçirme ranı nedir? b Süzülmüş demetteki C α nın ya şiddet ranı nedir? Verilenler: 3 5,4 grcm 3 ; C α için 56,5 ; 17,44 C için 345,5 ; 1,85; Atm kütlesi 16; 56 ; 0α 9,4

9 Cevap 4: 0, ,61 17, ,5 0,7, 3 + +, e W W cm g g cm burada e 6 9,4,73,73, ,8.. 0, ,71 45,71 1,85 0.3, ,7 için C e W W α α α a b