ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Ceyda HABİBOĞLU AKÇAKENT FLORİTLERİNİN TERMOLÜMİNESANS ÖZELLİKERİNE TUZAK PARAMETRELERİNİN ÇALIŞILMASI FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2008

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ AKÇAKENT FLORİTLERİNİN TERMOLÜMİNESANS ÖZELLİKERİNE TUZAK PARAMETRELERİNİN ÇALIŞILMASI Ceyda HABİBOĞLU YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI Bu tez.../.../... Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza... İmza İmza.... Prof.Dr.ZehraYEĞİNGİL Prof.Dr.YükselUFUKTEPE Yrd.Doç.Dr.MustafaTOPAKSU DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü İmza ve mühür Bu çalışma Çukurova Üniversitesi Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF2007.YL.23 Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ AKÇAKENT FLORİTLERİNİN TERMOLÜMİNESANS ÖZELLİKERİNE TUZAK PARAMETRELERİNİN ÇALIŞILMASI CEYDA HABİBOĞLU ÇUKUROVA ÜNVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman : Prof. Dr. Zehra YEĞİNGİL Yıl : 2008, Sayfa: 94 Jüri : Prof. Dr. Zehra YEĞİNGİL Prof. Dr. Yüksel UFUKTEPE Yrd. Doç. Dr. Mustafa TOPAKSU Bu çalışmada, Türkiye nin Çiçekdağı Masifi, Kırşehir iline bağlı olan Akçakent ilçesinden alınan doğal florit kristalinin termolüminesans özellikleri incelenmiştir. Bunun için florit kristali tavlama yapılmadan farklı ısıtma oranları (3 C/s, 5 C/s, 7 C/s ve 9 C/s) için 5Gy radyasyon verilerek çalışıldı. Aynı örnek 200 C, 300 C ve 400 C sıcaklıklarında 15 er dakika tavlandı ve her tavlama sonrasında 5Gy ile 100Gy arasında doz verilerek 5 C/s ısıtma oranında TL ışıma tepeleri kaydedildi. Farklı bir florit örneği alınarak, 50 C, 100 C, 200 C ve 300 C sıcaklıklarında 15 er dakika tavlandıktan sonra 1 C/s, 3 C/s, 5 C/s, 7 C/s ve 10 C/s değişik ısıtma oranlarında 5Gy doz verilip TL okuması yapıldı. Daha sonra ışıma eğrileri yardımıyla doz-tl şiddeti ile ısıtma oranı-tepe sıcaklığı arasındaki ilişkiye bakıldı ve enerji tuzak parametreleri belirlendi. Doz sayım ilişkisi sürekli bir lineerlik gösterdi. Isıtma oranına bağlı olarak tepe sıcaklığının kayması elektron tuzak derinliklerinin belirlenmesinde bir yöntem olarak kullanıldı. Anahtar kelimeler: Doğal Florit, Orta Anadolu Floritleri, Termolüminesans Dozimetre, Floritlerin Tavlanması, Tuzak Derinliği I

4 ABSTRACT MSc THESIS DETERMİNATION OF TRAP PARAMETERS ON THERMOLUMINESCENCE (TL) CHARACTERISTICS OF AKÇAKENT FLUORİTE CEYDA HABİBOĞLU DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSİTY OF ÇUKUROVA Supervisor : Prof. Dr. Zehra YEĞİNGİL Year : 2008, Pages: 94 Jury : Prof. Dr. Zehra YEĞİNGİL Prof. Dr. Yüksel UFUKTEPE Assoc. Prof. Dr. Mustafa TOPAKSU For this experiment unannealed fluorite cyristal was studied for different heating rates (3 C/s, 5 C/s, 7 C/s, 9 C/s ) by giving 5Gy dose. The same sample is annealed at 200 C, 300 C and 400 C for 15 minutes, and after each annealing different doses were given between 5Gy and 100Gy with 5 C/s heating rate and TL intensities were recorded. A different fluorite sample is annealed at 50 C, 100 C, 200 C and 300 C for 15 minutes and after each annealing TL measurements were carried out for different heating rates (1 C/s, 3 C/s, 5 C/s, 7 C/s and 10 C/s ) by giving a 5Gy dose. Afterwards using glow curves relation between dose responses and intensities, and between heating rate peak temperatures have been investigated. Then energy trap parameters were determined. Relation between dose response and TL intensity shows a continuous linearity. Peak temperatures, depending on heating rates, were used for determining electron trap depths. KeyWords:Natural Fluorite, Central Anatolian Fluorites, Thermoluminescence (TL) Dosimetry, Annealing of Fluorites, Trap of Depth II

5 TEŞEKKÜR Bu Yüksek Lisans çalışması boyunca her konuda beni yönlendiren ve her türlü desteğini esirgemeyen danışmanım Prof.Dr.Zehra YEĞİNGİL e, ayrıca deneyimlerinden faydalandığım Yrd.Doç.Mustafa TOPAKSU ya, teşekkür ederim. Çalışmalarıma yardımcı olan arkadaşım Halime TUGAY a teşekkür ederim. Çukurova Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü ve Fen Bilimleri Enstitüsünün tüm çalışanlarına teşekkür ediyorum. Son olarak çalışmalarım sırasında benden manevi desteklerini hiç eksik etmeyen aileme çok teşekkür ederim. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ....I ABSTRACT......II TEŞEKKÜR......III İÇİNDEKİLER...IV ŞEKİLLER DİZİNİ......VI TABLOLAR DİZİNİ...X SİMGELER VE KISALTMALAR......XI 1.GİRİŞ Termolüminesansın Tarihçesi Radyasyon ve Enerji Gama Işınlarının Madde ile Etkileşmesi Fotoelektrik olay Compton olayı Çift oluşumu Elektron ve Deşik Tuzak Kavramı TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Lüminesans Olayı Termolüminesans Kinetikleri Birinci Derece Kinetik İkinci Derece Kinetik Genel Mertebeden Kinetik Sıfırıncı Mertebe Kinetiği Tuzak Enerji ve Paremetrelerinin Belirleme Yöntemi Farklı Isıtma Hızları Yöntemi İzotermel Bozunum Yöntemi Değişken Doz Oranları Yöntemi Tm Tstop Yöntemi İlk Yükselme Yöntemi ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR IV

7 3.1.Termolüminesans ile İlgili Önceki Çalışmalar CaF 2 :Dy Kristalinin Tuzak Parametrelerinin Termolüminesansıyla İlgili Önceki Çalışmalar MATERYAL VE METOD Materyal Floritin Jeolojisi Metod Termolüminesans (TL) Sistemi Foton çoğaltıcı Tüp(PMT) Tavlama Fırını Riso TL/OSL Lüminesans Okuyucu: Model TL/OSL-DA Örneğin Hazırlanması ve Deneysel Aşamalar Örneğin Hazırlanması Deneysel Aşamalar (1). Işıma Eğrisi Karakteristiği Aşaması (2). Değişken Isıtma Oranları Deneyi Aşaması (3). Değişken Doz Oranları Deneyi Aşaması (4). Farklı Isıtma Oranları Deneyi Aşaması (5).Tuzak Parametrelerinin Belirlenme Aşaması BULGULAR VE TARTIŞMA Termolüminesans İle ilgili Bulgular Işıma Eğrisi Karakteristiği Değişken Isıtma Oranları Deneyi Değişken Doz Oranları Deneyi Farklı Isıtma Oranları Deneyi Tuzak Parametrelerinin Belirlenmesi SONUÇLAR VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ V

8 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Compton saçılması 6 Şekil 1.2. Gelen ışının enerjisine göre absorplanma değişimi...7 Şekil 1.3. İdeal ve kusurlu NaCI kristalin iki boyutlu örgü yapısının karşılaştırılması Şekil 1.4. Kristallerde elektronik geçişler Şekil 2.1. Floresans olayı Şekil 2.2. Fosforesans olayı Şekil 2.3. Tstop-Aktivasyon enerjisi grafiği Şekil 2.4. İlk yükselme grafiği Şekil 2.5. Işıma tepesinin başlangıçta yükselen kısmı Şekil 4.1. Orta Anadolu bölgesinden alınan florit örneği Şekil 4.2. Orta Anadolu Bölgesindeki Florit Örnekleri Şekil 4.3. Florit örneğinin alındığı Orta Anadolu Bölgesi Şekil 4.4. Termolüminesans okuyucudaki temel birimler Şekil 4.5. Tavlama Fırını Şekil 4.6. Riso TL/OSL-DA-20 Model TL/OSL okuyucu sistemi Şekil 4.7. Örnek tablası Şekil 5.1. Doğal floritten elde edilen doğal ve fon ışıma eğrileri; a) Doğal ışıma eğrisi b) Fon ışıma eğrisi Şekil 5.2. Isıtma oranı 3 C/s olduğunda elde edilen ışıma eğrisi Şekil 5.3. Isıtma oranı 5 C/s olduğunda elde edilen ışıma eğrisi Şekil 5.4. Isıtma oranı 7 C/s olduğunda elde edilen ışıma eğrisi Şekil 5.5. Isıtma oranı 9 C/s olduğunda elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 5Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi..57 Şekil C tavlama sıcaklığında 15Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi VI

9 Şekil C tavlama sıcaklığında 30Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi...58 Şekil C tavlama sıcaklığında 50Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi..59 Şekil C tavlama sıcaklığında 100Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi 59 Şekil C tavlama sıcaklığında 5Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi 60 Şekil C tavlama sıcaklığında 15Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 30Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 50Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 100Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 5Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 15Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 30Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 50Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 100Gy β dozu verilerek elde edilen ışıma eğrisi Şekil C, 300 C, 400 C tavlama sıcaklıklarındaki bir floritin ısıtma oranı değerinde ışınlama dozu ile TL sayımları arasındaki ilişki...68 Şekil C tavlama sıcaklığında 1 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi VII

10 Şekil C tavlama sıcaklığında 3 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 5 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 7 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 10 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi...71 Şekil C tavlama sıcaklığında 1 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 3 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 5 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 7 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi 73 Şekil C tavlama sıcaklığında 10 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi 73 Şekil C tavlama sıcaklığında 1 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi 74 Şekil C tavlama sıcaklığında 3 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi 74 Şekil C tavlama sıcaklığında 5 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi.75 Şekil C tavlama sıcaklığında 7 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi.75 Şekil C tavlama sıcaklığında 10 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi 76 Şekil C tavlama sıcaklığında 1 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi 76 VIII

11 Şekil C tavlama sıcaklığında 3 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi.77 Şekil C tavlama sıcaklığında 5 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 7 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi Şekil C tavlama sıcaklığında 10 C/s ısıtma oranıyla elde edilen ışıma eğrisi 78 Şekil C, 100 C, 200 C, 300 C tavlama sıcaklıklarındaki bir floritin farklı ısıtma oranlarında elde edilen lineer grafikler...81 Şekil C, 100 C, 200 C, 300 C de tavlanmış olan florit kristalinin 5Gy doz ile ışınlandıktan sonra farklı ısıtma hızları yöntemiyle tuzak enerji seviyesinin bulunması IX

12 TABLOLAR DİZİNİ SAYFA Tablo 4.1. Peryodik cetvelde Lantanitler grubu 45 Tablo 5.1. Elde edilen maksimum tepe noktaları değerleri...65 Tablo 5.2. Isıtma ile oranı elde edilen maksimum tepe değerleri..79 Tablo 5.3. Farklı ısıtma hızı değerlerinde bulunan 1/Tm ve ln(tm²/β) değerleri 82 Tablo Gy radyasyon dozu ile ışınlanmış florit kristalinin farklı ısıtma hızı değerlerinde bulunan E tuzak derinliği, s frekans faktörü.. 85 X

13 SİMGELER VE KISALTMALAR Simgeler α β γ τ λ E ev k Gy T Açıklama Alfa parçacığı Beta parçacığı Gamma ışını Tuzak ömrü Dalga boyu Tuzak derinliği Elektron volt, enerji birimi Boltzmann sabiti Gray (Radyasyon soğurma birimi)=j/kg Sıcaklık XI

14 Kısaltmalar a.u. CaF 2 ESR exp OSL TL TLD UV CGCD LiF Al 2 O 3 Mn Açıklama Keyfi birim Kalsiyum Florür Elektron Spin Rezonans Exponansiyel Optik uyarmalı lüminesans Termolüminesans Termolüminesans dozimetre Ultra- Viyole (Mor ötesi) Bilgisayarla ışıma eğrisi ayrıştırma Lityum Florür Alüminyum üçoksit Manganez XII

15 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU 1.GİRİŞ Yaşadığımız çevre doğal bir radyasyon etkisi içinde yer almaktadır, bu ortamda bulunan her madde radyoaktif ışınların etkisi altında kalır (radyoaktif izotoplar, uzaydan dünyamıza ulaşan kozmik ışınlar, karbon-14, potasyum-40 v.b.) Radyoaktif ışınlar, özellikle yarı iletken maddeler ile etkileşimleri sonucu madde yapısında kalıcı etkiler meydana getirebilirler. Yarı iletken maddelerin içinde meydana gelen bu etkileri saptayabilmek amacı ile kullanılan nükleer tekniklerden bazıları Termolüminesans (TL), Elektron Spin Rezonans (ESR), Nükleer iz analiz teknikleridir. Termolüminesans olayı, katıların band teorisi ile açıklanmaktadır. Katı yapılar içinde bulunan atomlar veya moleküller, kısa mesafede periyodik olarak yerleştiklerinde kristalleri oluştururlar. Kristallerde atomların izinli ve izinsiz(yasak) enerji bandları bulunur. Bunlardan valans (değerlik) elektronlarının yer aldığı enerji bandına valans bandı denir. Kristal yapılı katı maddelerde valans bandında bulunan elektronların, radyasyon etkisiyle uyarılıp iletkenlik bandına geçişleri sırasında, yasak band aralığında tuzak ve potansiyel çukurlarına yakalanırlar. Isısal enerji aldıklarında, tuzaklarda yalıtılmış olarak bulunan elektronlar yeniden iletkenlik bandına çıkabilir ve bir ışık salarak valans bandına dönebilirler. Bu ışık yayılması olayına genel olarak Lüminesans denir. Mineral yapısında çeşitli nedenlerle tuzaklanmış elektronların ısıyla uyarılarak çıkarılması Termolüminesans (TL) yönteminin temelini oluşturur. Canlı bir organizmanın ya da bir materyalin maruz kaldığı radyasyon dozunun, doğrudan ya da dolaylı olarak ölçülmesi Dozimetrik Ölçüm olarak adlandırılır. Alınan radyasyon dozunu belirlemeye yarayan ölçü aletlerine Dozimetre adı verilir. Dozimetreler, radyasyon ölçümüyle ilgili çalışmalarla birçok alanda (Tıp, Nükleer Mühendislik, Fizik, Jeoloji ve Arkeoloji) kullanılmaktadır. Termolüminesans dozimetri (TLD) sistemleri, sürekli olarak geliştirilmektedir (Ranogajec, 2002). Termolüminesans dozimetreleri (TLD) değişik biçimlerde olabilir. Örneğin toz halinden katı biçimlerine kadar, genellikle bir yapı içerisine gömülmüş veya bir ana yapıdan çıkarılmış biçimdedirler. 1

16 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU Lüminesans dozimetresi, lüminesans malzemesinin X-ışını tepkisini ölçer; bu malzeme içerisinde X-ışınlarının soğurulmasına bağlıdır. Burada araştırlan şey hava, su veya dokudaki dozdur. Bu nedenle lüminesans dozimetreler ölçümü istenen malzeme içerisindeki doza dönüştürülmelidir. Dozimetrik özellikleri test edilen minerallerden biri de kalsiyum florittir. Doğal florit (CaF 2 ), kristal yapısına ve bölgeye bağlı olarak değişik renklerde (mavi, yeşil, beyaz, mor, kahverengi, siyah, pembe ve kırmızımsı) olabilmektedir. Değişik renklerdeki floritler, farklı termolüminesans özellikler gösteren karmaşık bir yapıya sahiptir. Bu nedenle floritlerin dozimetrik özellikleri de rengine ve bulunduğu çevreye bağlı elektronlar bir TL ışıma tepesi verirler. Günümüzde termolüminesans yöntemi dozimetrik materyallerin incelenmesi, tuzak parametrelerinin belirlenmesi gibi çalışmalarla birlikte tıp alanında teşhis ve tedavide de yaygın olarak kullanılmaktadır. Termolüminesans işleminin arkeoloji, jeoloji, katıhal fiziği, biyoloji, organik kimyada çeşitli kullanım alanları vardır. Termolüminesans işlemi ile geçmişte en az 500 O C sıcaklıkta pişirilmiş olan arkeolojik buluntular tarihlendirilebilmekteydi. Termolüminesans tarihlendirme yöntemi birçok örnek tipine uygulanabilir: çanak, çömlek, tuğla, yanmış taşlar, yanmış çakmak taşları ve sarkıt-dikit kalsitleri bunlardan bazılarıdır. Bunların dışında, rüzgarla biriken ve bazı durumlarda su ile biriken yanmamış sedimentler de tarihlendirilebilir. Termolüminesans ile yapılan çalışmalarla ilk insanın tarihlendirilmesine ve bir ölçüde anatomik olarak modern insanla (Homo sapiens) Neanderthal man arasındaki bağıntıyı belirlemede önemli katkılarda bulunulmuştur. Lüminesans tarihlendirme yöntemi her ne kadar son kırk yıldır geliştirilmiş ise de lüminesansın çalışılması 300 yıldır devam etmektedir. 1.1.Termolüminesansın Tarihçesi Termolüminesans (TL) olayı ilk olarak 1663 yılında Sir Robert Boyle tarafından elmas kristalinde gözlenmiştir. Boyle, karanlık bir odada ısıttığı elmasın pırıltı vererek görünür ışık yaydığını gözlemlemiştir (Aitken, 1985). Daha sonra 1677 yılında Elshotz tarafından ve birkaç yıl sonra Oldenburg tarafından florit 2

17 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU kristalinde gözlenerek kayıtlara geçirilmiştir. Bu zaman aralığında birçok benzer araştırmalar yapılmıştır. Kuvars mineralinde termolüminesans deneylerini ilk olarak Du Fay (1738) gerçekleşmiştir. İlk "radyotermolüminesans" deneyi, florit kristalinin ultraviyole ışın flaşlarına tutulması ile 1830 yılında PEARSALL tarafından gerçekleştirilmiş ve uygun bir ısıtma işlemi ile kristalin tekrar renksizleştiği yine aynı araştırmacı tarafından gözlenmiştir. Radyoaktivitenin keşfinden sonra H.Bequerel (1885), radyum ışıması altındaki fluroit kristalinde TL ve tavlama olayını incelemiştir. Daha sonra Wiedeman (1895) doğal radyoaktivitenin, minerallerin TL özelliklerine olan etkisini tespit etmiştir. Bu işlem sonradan TL olayının jeolojik araştırmalarda kullanılmasını sağlamıştır. Doğal floritteki TL olayının jeolojik araştırmaları ilk olarak Steinmetz ve Gisser tarafından gerçekleştirilmiştir. Ayrıca Steinmetz ve Gisser TL spektrumları yardımı ile florit minerali sınıflandırmaya da çalışmışlardır. Yine aynı tarihlerde başka araştırmacılar tarafından kaya tuzunda gözlenen TL olayına ait birçok yayın yapılmıştır. Örneğin; Frish (1927), tarafından katod ışınlarına tabi tutulan NaCI kristalindeki ışıma gözlenmiştir. Daha sonra birçok TL fosforu bulunmaya başlamış ve kuvars Goldshmidt (1906) tarafından ve kalsiyum kristalindeki TL olayı Headen tarafından TL olayı gözlenmiştir. Çok hassas bir ışık dedektörü olan fotokatlandırıcıların icadına kadar termolüminesans yalnızca minerallerin tanımlanmasında kullanılıyordu. Daha sonra maruz kalınan nükleer radyasyon miktarının ölçülmesinde Daniels tarafından kullanılmıştır. AyrıcaTermolüminesans (TL) yöntemi ile yaş tayini yapılabileceği ilk kez 1953 yılında Farrington Daniels ve arkadaşları tarafından ele alınmıştır (Daniels ve arkadaşları, 1953). Yaklaşık yedi yıl sonra elde edilen sonuçlar umut verici olmuştur ve Kennedy ve Knopf (1960) TL yöntemi ile yaş tayini uygulamalarına devam etmiştir. Termolüminesans tarihlendirme yönteminde uygulamak amacı ile kuvars katkı tanecikleri yöntemi (Fleming, 1966) ve ince tanecik yöntemi (Zimmerman, 1967) geliştirildi. Fleming 1968 de kuvars katkı tanecikleri yöntemini seramik örnekleri üzerine uygulayarak termolüminesans çalışmalarına ışık tutmuştur. 3

18 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU Aitken ve arkadaşları (1968) termolüminesans yöntemini ilk defa jeolojik kaynaklı materyallere uygulanmıştır. Aitken ve arkadaşları (1970), termolüminesans ile tarihlendirme yönteminin teknik problemlerini çözerek çanak-çömleklerin tarihlendirilmesini gerçekleştirmişlerdir. Yüz yılımızın ilk otuz yılında, özellikle radyasyon altındaki minerallerin renklendirilmesi ile ilgili olarak birçok yayın yapılmış olup, bunlardan büyük çoğunluğu iyonize edici radyasyon altındaki uyarılma olayı ile ilgilidir lerden sonra kuvars ın optik ve elektriksel özellikleri incelenmeye başlandı ve o zamandan günümüzde birçok araştırmacı kuvars mineralinde termolüminesans özellikleri incelemişlerdir. 1.2 Radyasyon ve Enerji Radyasyon, dalga, parçacık veya foton olarak adlandırılan enerji paketleri ile yayılan enerjidir. Kuantum teorisine göre bir dalga hareketi yapan bu enerji şekli, kuantum veya foton adı verilen çok küçük enerji paketleri halinde yayılır ve yutulur. Radyoaktivite ışınları; alfa (α) parçacıkları, beta (β) parçacıkları, X ve gama (γ ) ışınları, nötronlar (n) olarak gruplandırılır. Bu ışınlardan alfa ve beta parçacık yapılı ışınlardır. Beta ışınları, -1 veya +1 yüklü elektron veya pozitronlardan oluşur. Alfa parçacıkları ise, +2 yüklü Helyum çekirdeğinden ibarettir. X ve gama ışınlarının her ikisi de elektromanyetik radyasyondur. X ışınları, frekansı görünür ışığınkine göre çok daha yüksek ve dolayısı ile, her bir fotonun enerjisi birkaç elektron volt düzeyindedir. Gama ışınlarının frekansı ise, X-ışınlarınınkinden çok daha yüksektir. Nötronlar ise, bildiğimiz gibi yüksüz parçacıklardır. Alfa ve beta parçacıkları, yüklü olduklarından, herhangi bir maddenin yapısındaki elektron ve protonlarla kuvvetli bir şekilde etkileşirler. Alfa ışını gibi beta ışını da, bir çekirdeğin daha kararlı olmak için bileşimini değiştirebilmesinin bir yoludur. X ve gama ışınları ise, yüksüz olduklarından madde ile etkileşimleri daha azdır. İçinde X ve gama ışınlarının ve görülebilir ışığın da bulunduğu radyasyonlar, dalga boyları ve frekanslarına göre bir elektromanyetik radyasyon spektrumu 4

19 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU oluştururlar. Bu spektrumun bir ucunda dalga boyları en büyük, enerji ve frekansları ise en küçük olan radyo dalgaları bulunur. Diğer ucunda ise dalga boyları çok küçük, fakat enerji ve frekansları büyük olan X ve gama ışınları bulunur. Bir elementin en küçük birimi nasıl atomsa, elektromanyetik radyasyonların da en küçük birimi fotondur. Fotonların kütleleri yoktur ve boşlukta ışık hızında enerji paketleri (kuantumlar) şeklinde yayılırlar. kuralları elektromanyetik radyasyonlar içinde geçerlidir. Görülebilir ışık için geçerli olan bütün fizik Nötronlar ise, yüksüz olduklarından özellikle yüksek enerjili olanlarının durdurulması çok zordur. Çünkü atomların yörünge elektronlarıyla etkileşime girmezler. Çekirdeklerle ise; durdurulana kadar, ardı ardına ve defalarca çarpışmaları gerekir. Yüksek enerjili nötronlar için bu açıdan en etkin olan çekirdekler, esnek olmayan çarpışma ya girebildikleri ağır çekirdeklerdir: Kurşun ağır bir çekirdek olduğundan, nötronlara karşı da etkilidir. Bir nötron ne kadar yavaşsa, λ de Broglie dalga boyu o kadar uzun ve yayıldığını düşündüğümüz uzay bölgesi o kadar geniştir Gama Işınlarının Madde ile Etkileşmesi Maddeler, giricilik özellikleri olan, ya elektromanyetik tayf içindeki X ve γ ışınlarından ya da parçacık karakterli ışınlar olan α ve β ışınlarından etkilenirler. Gama ışınlarının madde ile etkileşmesi ise rezonans olayı dışında üç olasılıkta meydana gelir Fotoelektrik Olay Bu olay meydana gelirken ışının bütün hν enerjisi, atomun kuantumlanmış enerji seviyesinde bulunan elektrona aktarılır. Bu nedenle bu elektron ΔE = hv hvo kinetik enerjisi ile bulunduğu yörüngeden çıkar (GÜNEŞDOĞDU, 1998). Elektronun o yörüngedeki iyonlaşma enerjisi hvo enerjisidir. Çünkü bu esnada yörüngedeki elektronun, gelen enerjinin hepsini yuttuğu görülür. Atomdan kopan ve hız kazanan bu elektrona fotoelektron denir. 5

20 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU Compton Olayı Gama ışınları atomun serbest elektronları ile esnek çarpışır. Dolayısıyla enerjisinin bir kısmını bu elektrona vererek onun hız kazanmasını sağlar. Bu nedenle enerjisi azalan gama ışınları ve elektron farklı yönlere saçılırlar. saçılan foton gelen foton hedef elektron Φ E=h ν ' E=hν E= 2 m o c θ saçılan elektron E= ( ) 1/ 2 m o c + p c Şekil 1.1.Compton saçılması Çift Oluşumu Bir gama ışını, bir atom çekirdeği yakınında bu çekirdeğin kuvvetli manyetik alanından dolayı kaybolur. elektron ortaya çıkar. Bir elektron veya pozitronun Bunun sonucunda biri negatif biri pozitif yüklü iki m 2 o c durgunluk enerjisi 0.51 Mev tur, dolayısıyla çift oluşumu en az 1.02 Mev luk bir foton enerjisi gerektirir. Foton enerjisinin artan kısmı, elektron ve pozitronun kinetik enerjisi olur. 12 enerjiye karşılık gelen en büyük foton dalga boyu 1.2x10 m dir. Bu dalga boyundaki elektromanyetik ışınıma gama ışınları denir. Bunlar doğada radyoaktif Bu 6

21 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU çekirdekler tarafından yayımlanırlar, kozmik ışınlar arasında bulunurlar ve γ simgesiyle gösterilirler. Şekil 1.2.Gelen ışının enerjisine göre soğrulma değişimi Elektron ve Deşik Tuzak Kavramı Termolüminesans olayının meydana geldiği maddeler, alkali halejenürler, toprak alkali sülfatlar, metal oksitler, metal sülfitler ve karışık bileşikler olarak bilinir. Bu maddelerde termolüminesans olayını gözlemleyebilmek için kristal yapılarını bilmek gerekir. Saf kristaller kusursuz yapılarını, oluşumları sırasında veya dışarıdan ışınlamaya tabi tutulduklarında bozarlar. Bu nedenle kristallerde atomik ve elektronik kusurlar meydana gelir. Bu kusurlar kristallerin yük denkliklerini bozmadan maddelerin farklılaşmasına neden olurlar. Bu kusurların pek çok çeşitleri vardır. Örnek olarak bir atomun olması gerektiği yerde bir boşluk olabileceği gibi birden fazla atomda olabilir veya bir atom safsızlık dediğimiz başka cinsten bir atomla yer değiştirmiş olabilir. Kristal yapıdaki kusurların oluşumunu incelemek için sodyum klorür (NaCI) örnek olarak verilebilir. NaCI kristali birbiri içerisine geçmiş küp şeklinde eşit mesafede bulunan altı alkali (sodyum) ve altı halojen (klor) iyonlarından meydana 7

22 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU gelmiştir. Bu kristalde meydana gelecek kusurlar, yük denkliğini bozmayacak olan noktasal örgü kusurlarıdır. NaCI kristalinin iki boyutlu yapısının gösterimi Şekil 1.3 te verilmiştir. Şekil 1.3. İdeal ve kusurlu NaCI kristalin iki boyutlu örgü yapısının karşılaştırılması. En basit noktasal kusur bir atomun eksik olduğu boş örgü köşesidir. Bu tür kusurlar sıvı katılaşırken oluştuğu gibi yüksek sıcaklıkta ısıl titreşimlerin etkisi ile atomların yer değiştirmesi sonucu da oluşabilir. İyonik cisimlerde net elektriksel yükün sıfır olması zorunludur. Bu tür kristallerde en çok görülen kusurlardan olan Schottky tipi kusurdur. Schottky kusuru bir iyon örgü noktasında yüzeye taşınıp yani pozitif ve negatif iyonların yerlerinden çıkarak kristal örgüde boşluklar meydana getirmesiyle oluşur (Şekil 1.3.b). Saf bir kristalin elektrik yükü bakımından nötr olabilmesi için eksilen alkali iyon sayısı kadar halojen iyon boşluklarınında olması gerekir. Bir kristalde Schottky kusurunun meydana gelmesi kristalin yoğunluğunu azaltmaktadır. Çünkü hacim büyümekte, buna karşılık kütlede bir artış görülmemektedir. Aynı şekilde eğer ara atomları alkali ve halojen iyonlarının 8

23 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU arasına girerlerse, bunların oranının eşit olması gerekir (Şekil 1.3.c). Bir iyon örgüdeki yerinden arada bir yere taşınmışsa Frenkel kusuru ortaya çıkar. Alkali bir iyonun örgü noktasını bırakıp bir ara atomu olarak örgü arasına geçmesi ile pozitif bir frenkel çifti (Şekil 1.3.d) oluşur. Frenkel kusurlarında hacimde bir değişme olmadığı için yoğunlukta da bir değişme gözlenmez (Gezci, 1992). Halojen bir iyonun örgü noktasını bırakıp bir ara atomu olarak örgü arasına geçmesi ile de negatif bir frenkel çifti (Şekil 1.3.e) meydana gelir. Bir X ışını normal bir örgü iyonundan bir elektron fırlatırsa bir elektronik yük noksanlığı meydana gelir ki buna hol veya deşik denir. Burada, iyonlayıcı radyasyonların kristal yapıda Şekil 1.3.b/f de görüldüğü gibi çeşitli bozulmalarada sebep olduğunu vurgulamak gerekir. NaCI kristalinde, elektronlarla dolu olan banttan enerji karakterli ışınlarla yapılan ışımalar sonucu(örneğin x ve γ ışınları) serbest kalan alkali metal atomunun değerlik elektronu, bir CI - iyonunun oluşturduğu anyon boşluğuna çekilerek tuzaklanırsa, elektron kristali renklendirir (Şekil 1.3.f). Boşluğa yerleşmiş fazla bir elektronu bulunan negatif iyon boşluğuna Almancada renk merkezi anlamına gelen Farbzentrum kelimesinin baş harfini simgelemek üzere F-Merkezleri denir. Bu yakalanan elektronun elektronik iletkenliğe bir katkısı olmaz. F-merkezinde tuzaklanmış olan bir elektron, ışınlama veya kristal iyonları etrafındaki ısısaltitreşimler yardımıyla yeterli enerji alırsa tuzaktan kurtulur. Tuzağa yakalanan elektronun kurtulması için gereken enerji (CI - ) iyonunun valans elektronlarından birini serbest hale getirmek için gerekli enerjiden daha azdır ve yakalayan anyon boşluğunun enerji seviyesi, yasak band aralığında yer alır. Alkali halojenlerde oluşan diğer bir kusur şekli ise, bir çift katyon boşluğunun serbest boşluklar için iyi bir tuzak oluşturmasıdır (Şekil 1.3.g). F- merkezinin asimetrik benzeri olan bu merkez V k merkez olarak adlandırılır (Seitz, 1946). Değerlik bandından iyonlaştırıcı bir radyasyonla serbest hale geçen ve kristal içinde dolaşan bir elektrona sahip iyonik bir kristal incelendiğinde, bu serbest dolaşan elektronun anyon boşluğu tarafından Coulomb kuvvetiyle çekilerek tuzaklandığı görülür. Kurtulması için gerekli olan enerji, negatif iyonun değerlik elektronlarından birini serbest hale geçirmek için gerekli enerjiden daha azdır. 9

24 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU Kristaldeki iki değerlikli anyon boşluğu pozitif yük, katyon boşluğu ise negatif yük gibi davranır. Bu nedenle elektronu yakalayan anyon boşluğunun enerji seviyesi, iletkenlik ve valans bandı arasında bulunan yasak bant aralığında yer alır. Aynı şekilde pozitif iyonun kristal örgü içinde bulunması gereken yerden her hangi bir nedenle uzaklaşmış olması ile oluşan katyon boşlukları pozitif yükün azalmasına, bu durum ise komşu negatif iyondan bir elektronu serbest duruma geçirmek için gerekli olan enerjide azalmaya sebep olur ve yasak bant aralığında lokal bir boşluk enerji seviyesi oluşturur. Bu boşluk seviyelerine boşluk merkezleri denir. Bant aralığındaki bu boşluk seviyesinin konumu, bir elektronu serbest hale getirmek için gerekli enerji miktarı kadardır (Mc Keever 1985). Bir katyon boşluğu aslında eksi yük fazlalığı olan bir bölgedir ve serbest boşluk için en uygun bir tuzak oluşturur. Anyon boşlukları ise, Fermi enerji düzeyinin üzerinde bir enerji düzeyine sahiptir. Bu seviyeler ise elektronları yakalamaya hazır elektron tuzak merkezleridir. Lüminesans olayları, alıcı ve verici enerji seviyelerindeki elektron ve boşlukların sayısal yoğunluğunun değişmesine dayanır. Bu değişme, bu enerji seviyelerinden diğerine elektronik geçiş ile olur. Şekil 1.4 de elektron ve boşluğun yaptığı bazı elektronik geçişler görülmektedir. 10

25 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU İletkenlik Bandı a b c g h. d e f Valans Bandı Şekil 1.4.Kristallerde elektronik geçişler Bu elektron deşik çiftlerinin her biri kusur merkezlerine ulaşıp yerleşinceye kadar kristal içerisinde başı boş dolaşırlar. Elektron ve deşik tuzaklanması Şekil 1.4 (b) ve (e) de gösterilmiştir. Bunlar ısısal veya optik uyarım ile tuzaklardan kurtularak kristal örgü içerisinde serbestçe dolaşabilirler( (c) ve (f) geçişleri). Serbest elektron ve deşik için, ikinci bir geçiş olanağı da bunların doğrudan birleşmesi ( (h) geçişi), veya daha önce tuzaklanmış elektron ve boşluğun dolaylı olarak yeniden birleşmesidir ( (d) ve (g) geçişleri). (c) geçiş olasılığı (d) geçiş olasılığından daha büyükse bu seviye bir tuzaktır. Eğer (d) geçiş olasılığı (c) geçiş olasılığından daha büyükse, bu enerji seviyesine yeniden birleşme merkezi denir (Mckeveer, 1985). Benzer olarak boşluk merkezi için de (g) ve (f) geçişleri tanımlanabilir. 11

26 1.GİRİŞ Ceyda HABİBOĞLU Isı alarak tuzaktan kurtulan elektronun kurtulma olasılığı (2.1) denklemindeki E KT ye üstel olarak bağlıdır. E tuzak derinliği iletkenlik veya valans band sınırlarıyla tuzak arasındaki enerji farkıdır. Belli bir sıcaklıkta küçük E değerli merkez, E değerli merkezden tuzak olmaya daha yatkındır. Bu nedenle yeniden birleşme merkezleri yasak band aralığının ortalarına doğru yer alırken, elektron ve boşluk tuzakları kıyılara daha yakındır. 12

27 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ 2.1 Lüminesans Olayı Herhangi bir ışık yayınımı, öncelikle, atom ya da molekülün düşük enerji seviyesinden yüksek enerji seviyesine uyarılmasına bağlıdır. Bu uyarılma enerjisi akkor teldeki gibi ısısal, ya da floresan tüpteki gibi ısısal olmayan bir kaynaktan gelebilir. Bir maddenin enerji soğurmasıyla uyarılan ve karasız hale geçen atom veya molekülleri, kazandıkları bu enerjiyi vererek temel hale dönmek ister. Bu enerji seviyesine dönerken de fazla enerjinin bir kısmını ışık (genellikle görünür ışık, fakat UV ve IR de olabilir) şeklinde dışarıya verirler. Işık açığa çıkarılmasıyla oluşan bu olaya lüminesans denir. Lüminesans olayları uyarıcı etkene göre adlandırılır. Uyarma ; - radyoaktif ışınlarla oluşuyorsa Radyolüminesans, - katod ışınları ile oluyorsa Katodalüminesans, - elektrik alan uygulaması ile meydana geliyorsa Elektrolüminesans, - kristallerin kırılma ve parçalanması ile oluyorsa Tribolüminesans, - bir fosfor veya organik molekülün kimyasal reaksiyonu sırasında açığa çıkan enerjinin ışıması ile oluyorsa Kemilüminesans, - biyokimyasal etkileşimlerden meydana geliyorsa Biolüminesans, - bir cismin yanması sırasında alev içindeki ışımayla oluyorsa Kandolüminesans, - yüksek frekanslı ses dalgaları veya fononlarla meydana geliyorsa Sonolüminesans, - basınç(10 ton m 2 ) ile oluyorsa Piezolüminesans, - U.V., görünür ve kızıl ötesi ışık ile oluyorsa Fotolüminesans, - eğer lüminesans ışıması, uyarmayla başlayıp uyarma zamanı olan 10 8 boyunca devam ederse Floresans, saniye - uyarma kesildikten sonra(10 8 s den sonra) lüminesans ışıma bir müddet daha devam ederse Fosforesans(Chen and McKeever 1997), 13

28 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU - katıları ısıtarak uyarma yolu ile ortaya çıkan ışık yayılmasıyla oluyorsa Termolüninesans adını alır. Yukarıda belirtilen son üç lüminesans olayı, ışık yayınımının meydana geldiği zaman ölçeği bakımından birbirinden ayrılır. Floresans, maddenin radyasyon soğurmasından sonra 10 8 saniyeden daha az bir sürede ışığın yayıldığı yerdeki lüminesans olayı olarak tanımlanabilir. Floresans olayı ise yalnızca madde üzerindeki uyarılma işlemi devam ettirildiği sürece gerçekleşir. Aksi takdirde floresans olayı durur. Floresans olayının bitme zamanı sıcaklıktan bağımsızdır. Floresansın bitiş zamanı, uyarılmş bir (e) enerji seviyesinden (g) taban enerji durumuna geçiş olasılığı ile belirlenir (Şekil 2.1). Floresans olayı enerji band modeli ile açıklanabilir ve sıcaklığa bağlı değildir (Fonda 1939). e g Şekil 2.1. Floresans olayı Fosforesans olayı ise, 10 8 den daha uzun bir sürede meydana gelir. Fosforesans uyarıcı kaynak uzaklaştırıldıktan sonra da gözlemlenebilir. Fosforesansın bitiş zamanı sıcaklığa bağlıdır. Fosforesans olayı bir elektron, (g) taban enerji durumundan E elektron tuzağına (yarı kararlı durum) uyarıldığında gözlenebilir. Şekil 2.2 de görüldüğü gibi (g) den (e) e doğrudan bir geçiş yoktur. Bir elektron uyarıldığında E den (e) seviyesine geçerek buradan (g) taban enerji seviyesine dönerken bir foton yayar. Böylece fosforesans olayı gerçekleşmiş olur. 14

29 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU e E g Şekil 2.2. Fosforesans olayı Bu yayınım tuzak durumda hiçbir yük kalmayıncaya kadar azalan bir yoğunlukla devam edecektir. Kısa bir gecikme zamanı için ( 10 4 saniyeden daha az bir sürede ) floresans ve fosforesans arasındaki farkı ayırdetmek zordur. Bunu kontrol etmenin tek yolu olayın sıcaklığa bağlı olup olmadığıdır. Eğer sistem daha yüksek bir sıcaklığa yükseltilirse E den (e) ye geçiş artan bir oranda meydana gelecektir. Sonuçta fosforesans daha parlak olacaktır ve tuzak durumunun daha hızlı azalmasından dolayı fosforesansın bitiş zamanı daha hızlı olacaktır. Bu nedenle, artık fosforesansı termolüminesans olarak adlandırabiliriz. Bu şekillerde gecikmeli olarak gözlenen fosforesans olayında yarı kararlı seviyede elektronun geçirdiği süreye, ortalama ömür (τ) denir. Ortalama ömür, τ =s exp( E ) (2.1) KT 15

30 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU eşitliği ile verilir (Aitken, 1985). Burada s frekans faktörü, E ise yarı kararlı enerji seviyesinden uyarılmış seviyeye geçişdeki enerji farkı (tuzak derinliği), k Boltzman sabiti, T ise fosforesansın görüldüğü sıcaklıktır. 2.2 Termolüminesans Kinetikleri Birinci Derece Kinetik Termolüminesans teorisini açıklamak için birçok araştırmacı çalışmıştır. En önemli ilerleme ilk olarak Randall ve Wilkins tarafından yapılan araştırmalar sonucunda olmuştur. Randall ve Wilkins e göre bir kristalde elektronların tuzaklardan kaçma olasılığı matematiksel olasılık teorilerindeki bağıntılarla ifade edilebilmektedir ( Randall ve Wilkins, 1945). Bunda, aşağıdaki varsayımları göz önüne almışlardır: - Elektronlar serbest kalmasın diye, yeteri kadar düşük bir sıcaklıkta fosforun radyasyona tutulması, - Sabit bir sıcaklık oranında yükselen ısıtma. - Tuzaktan kurtulan elektronlar tekrar aynı tuzaklara yakalanmadan yeniden birleşirler. Randall ve Wilkins tuzaklardan kurtulan elektronların tekrar tuzaklanmadığı birinci mertebe ışımayı (tek moleküler model) dikkate alan TL teorisini kurmuştur. Böylece, TL şiddeti I, herhangi bir sıcaklıkta, doğrudan tuzaktan kurtulan elektronların sayısı ile orantılıdır. dn I= -c( )= cpn (2.2) dt 16

31 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU Burada, c, 1 olarak alınabilen sabit bir sayıdır. E E n= no exp st exp eşitliğini ve P=s exp kt kt alırsak ve bunları 2.2 denkleminde yerine yazarsak: eşitliğini göz önüne I(t) = n 0 s exp E E exp kt st exp (2.3) kt olur. (β=dt/dt) lineer ısıtma hızını kullanarak n n o t dn =- n s exp t o E kt dt Denklemini aşağıdaki gibi tekrar düzenlersek; dn s =- n β n n o T T o E exp dt olur. kt ' Eşitliğin integralini alıp yeniden düzenlersek; T s E ln(n)-ln(n 0 )=- exp dt' β kt ' T o s n=n o exp T E exp dt olur. β T kt ' 0 17

32 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU Bulduğumuz n ifadesini 2.2 denkleminde yeniden yazarsak E I(T)=n 0 s exp kt exp s T E exp dt olur. (2.4) β T kt ' 0 Bu bağıntı, termolüminisans ışıma eğrisinin, biçim ve büyüklüğünü E ve s gibi tuzak parametrelerine, tuzaklanmış elektronların n 0 sayısına, T sıcaklık ve β ısıtma hızı gibi deney parametrelerine bağlayan Randall ve Wilkins in birinci mertebe TL ışıma şiddeti bağıntısıdır. Bu eşitliğe Randall ve Wilkins formülü de denir. di T=T M de =0 alınırsa, önemli bir ilişki elde edilir. Pratik amaçlar için, dt logaritmk türev ele alınır. Böylece, d (ln I) l = dt T di dt olur. Buna göre eşitlik 2.4 ün logaritmasını alırsak; T E s E In(I)=ln(n 0 s)- - kt β exp dt' olur. kt ' T o Buradan; d(ln I ) dt T= T M E s E - exp β =0 elde edilir. ktm = 2 kt M Bu sonuçtan; βe 2 kt M E =s exp ktm (2.5) 18

33 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU ifadesi elde edilir. Burada T M, ışıma eğrisinin en büyük değerine karşılık gelen sıcaklıktır. Kristalin ısıtma hızı arttırıldığında, T M nin yüksek sıcaklıklara kaydığı saptanmıştır(mc Keever, 1985). -E artarsa, veya s azalırsa TM yüksek sıcaklıklara doğru kayar. -E, s ve β nın sabit değerleri için tepenin maksimum yüksekliği, alınan radyasyon doz miktarının ölçüsü olarak kullanılabilir. -T M ve β ölçülerek s ve E değerleri hesaplanabilir. -Toplam ışık miktarına S dersek, S ifadesini aşağıdaki gibi yazabiliriz; dn S= Idt = c dt=-c dn = cn0 (2.6) 0 0 dt 0 n 0 Böylece, S, tuzaklanmış yüklerin başlangıçtaki sayısı ile orantılıdır ve ısıtma dizisinden bağımsızdır İkinci Derece Kinetik Tuzaklardan çıkan elektronların yeniden birleşme olasılığının, tekrar tuzaklanma olasılığına eşit olduğu varsayımından yola çıkan Garlick ve Gibson(1948), Randall ve Wilkins modelinde enerji ve frekans faktörü belirleme yönteminde farklı yöntemler izleyerek hesaplamalar yapmışlardır. İkinci dereceden kinetik ifadesi, yeniden tuzaklanmanın baskın olduğu bir durumu tanımlamak için kullanılır. Bu durumda aşağıdaki matematiksel ifade geçerlidir: dn = - dt E kt 2 ' n s exp (2.7) Bu ifade, yeniden birleşme olasılığının 1 e eşit olduğu birinci derece durumunda elde edilen sonuçtan farklıdır. Çünkü yeniden tuzaklanma mümkün değildir. Bu nicelik, ' s = s/n ile gösterilir ve ön-üstel faktör olarak adlandırılır. ' s, 19

34 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU 3 1 cm s boyutunda sabit bir değere sahiptir. N( Burada n 0, başlangıçta tuzaklanmış olan toplam elektron sayıdır. cm 3 ) ise tuzak yoğunluğudur. Eşitlik 2.7 nin, sabit T sıcaklığında integralini alırsak. n dn n =-s ' E exp 2 n kt 0 t 0 dt 1 n - 1 =-s ' E texp n kt 0 1 ' E n=n s n o t exp elde ederiz. (2.8) kt Buradan, I(t) ışık şiddeti: I(t)=- dn dt = 2 ' E n s exp kt 2 ' n0 s exp = 2 ' 1 + s tn 0 E kt E exp kt olur. (2.9) dt=dt/ β olarak alırsak. dn 2 n ' s = exp β E kt dt olur. Böylece; 20

35 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU n = exp 2 no dn n ' s β T T0 E kt dt 1 n 0 1 n ' s = β T T0 E exp kt ' dt ' ' T s n o E n=n exp β T kt 0 ' dt ' 1 (2.10) Tekrar I(T) ışık şiddetini düzenlersek; I(T)=- dn dt = 2 ' E n s exp kt 2 ' E n0 s exp I(T) = kt 2 ' T s n 0 E ' 1 + exp ' dt β T kt 0 elde edilir. (2.11) I(T) nin önce logaritmasını daha sonra türevini alıp sıfıra eşitlersek; ln(i)=ln(n 2 s ' o )- E kt ' s n 2 ln 1 + β 0 T T0 E exp kt ' dt ' ln I d dt T = TM = E kt ' s n β 2 ' s n0 1 + β 0 E exp ktm M E exp kt = 2 T M ' ' dt T 0 0 olur. Buradan; 21

36 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU E kt 2 M ' s n β = 2 ' s n 1 + β 0 E exp kt M E ' exp dt ' kt T M 0 T0 olur. Bu denklemi yeniden düzenlenirse; βe 2kT 2 M ' TM s n + o E 1 exp β T kt 0 ' dt ' = ' s n 0 exp E kt M bulunur. (2.12) Eşitlik 2.12, Eşitlik 2.5 ten aşağıdaki faktör ile ayrılır. ' T 1 s n M 0 E 1 + exp 2 β T kt 0 ' dt ' = ' s n s 0 (2.13) Sabit bir E değeri için β arttıkça veya s ' azaldıkça T M artar. Sabit bir β değeri için T M, E ile doğru orantılı bir sonuç verir. İkinci derece kinetiğin olduğu durumlarda, T M, %1 lik artış gösterir Genel Mertebeden Kinetik Deneysel yöntem ile çalışan ve genel mertebe kinetiği adı verilen TL teorisi, Randall ve Wilkins ın birinci mertebe ışıması ile Garlick ve Gibson ın ikinci mertebe ışıması dikkate alınarak kurulan TL teorilerinden yararlanılarak, birinci ve ikinci mertebe teorik çalışma eğrilerine deneysel ışıma piklerinin uymadığı durumlarda kullanılmak üzere geliştirilmiştir. Genel mertebeden kinetik tuzakların enerji seviyelerinin tek olduğu düşüncesi ile ele alınır. Tek bir enerji seviyesinde bulunan yük taşıyıcılarının n sayısının, n b ile orantılı olduğunu varsayalım. Tuzaklardan kurtulma olasılığını, May ve Padridge (1964) V.Ausin ve arkadaşları (1972): R.W.Ward ve arkadaşları (1972). 22

37 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU dn dt = '' E s n b exp kt eşitliğini elde etmişlerdir. (2.14) Eşitlik 2.14, genel mertebeden kinetik olarak adlandırılır. Birinci ve ikinci mertebe kinetikler için b sabiti sırasıyla 1 ve 2 değerlerini almaktadır. Genel mertebe kinetik durumunda ise b, 1 ile 2 arasında herhangi bir değer alabilir (Fleming, 1968; Keating, 1961). Burada s n, ön-üstel faktördür. s n ön-üstel faktörü, cm 3( b 1) s 1 boyutunda ifade edilir. s n nün boyutları b mertebesi ile değişir. b=2 olduğunda, s '' ',s ne indirgenir eşitliğinden termolüminesans (TL) yayınımını açıklayan ifadeyi elde edebiliriz. Eşitlik 2.14 ü tekrar düzenlersek: dn b n = '' E s exp dt olur. (2.15) kt Eşitlik 2.15 ün integralini alırsak, n b = '' n dn s exp n0 0 t E kt dt n + '' 1 s n 1 b = 1 b b 1 n0 0 ( b 1) t exp E kt n = n o 1 + ( E 1 b 1) exp 1 s b t kt olur. (2.16) s = s '' n (2.17) b 1 0 s nin birimi saniye 1 dir. Verilen bir doz için s sıklık faktörü sabittir. Fakat doz değişken olduğunda s de değişir. Bundan dolayı, I(t) ışınım şiddeti, 23

38 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU I(t) = - dn dt = '' E s n b exp kt E E 1 b = sn 0 exp s b t kt 1 + ( 1) exp kt (2.18) olur. Kristali ısıtma hızını dt= β dt varsayarsak, Eşitlik 2.18 den 1 1 n b 1 n o 1 b b n T s E = - exp dt ' ' β kt To n 1 b = n 1 b o '' b 1 T s ( b 1) no E 1 + exp β T kt o aşağıdaki eşitlikleri elde ederiz. ' dt ' Yukarıdaki denklemde her iki eşitliğin kök türevi alınıp ve s = s dönüşümü yapılırsa '' n b 1 0 n = n o elde edilir. T s( b 1) E 1 + exp β T kt 0 ' ' dt 1 1 b (2.19) Buradan termolüminesans ışıma şiddeti I(t), I(t) = sn 0 exp E kt olarak elde edilir. s( b 1) 1 + β T T0 E exp kt ' dt ' b b 1 (2.20) 24

39 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU I(t) nin logaritmasını alırsak ln [ I (T )] =ln(sn 0 )- E kt b s( b 1) ln 1 + b 1 β T T0 E exp kt ' dt ' olur. Bu eşitliğin T ye göre türevini alıp sıfıra eşitlersek d(ln I ) dt T = TM E = kt 2 M b s( b 1) 1 + b 1 β TM T0 E exp kt ' dt ' 1 s( b 1) exp β E kt M = 0 dir. Buradanda, 2 kt M bs exp βe E kt M s( b 1) = 1 + β T M T0 E exp kt ' dt ' (2.21) elde ederiz. Sonuçta, Eşitlik 2.20, Eşitlik 2.11 de verilen ikinci mertebeden (b=2) kinetikteki sonucu içerir. b= 1 durumu için geçerli olmayan 2.20 b 1giderken, Eşitlik 2.4 e indirgenir. Eşitlik 2.14, tamamen deneysel bir sonuçtur. yoğunluğunu içermez. denklemi Eşitlik 2.5, n o başlangıç Bu nedenle, birinci dereceden tepe noktasının, ışıma dozlarının bir fonksiyonu olarak değişmesi beklenemez. Eşitlik 2.12 ve 2.21 den b 1 durumunda, s, n o a bağlı olduğu için T M nin, uyarılma dozuna bağlı olduğu bilinir. 25

40 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU Sıfırıncı Mertebe Kinetiği Partridge ve May (1965), birinci dereceden (b 1) daha küçük mertebe kinetik ile ilgili bazı gözlemleri yayınladılar. Tek bir süreç ele alındığında, dn I= - = c b n (2.22) dt denklemi yazabiliriz. Burada b, 1 den daha küçük ise, Partridge ve May, birinci mertebe ışınımlı ve sıfırıncı mertebe ışınımsız geçişlerin karşılaştırılmasını yaptılar. c, sabit bir orandır. Böyle bir model için, dn = (2.23) dt - c1n + c2 eşitliği yazabiliriz. c 2, sıfırıncı mertebeye dahil sabit bir orandır. Eşitlik 2.23 ün integralini alırsak dn - = + dt c n c d( c1n + c2 ) - = + dt c n c c1 1 2 olur. Buradan 1 ' - ln( c1n + c2 ) = t + k (2.24) c 1 k ', integral sabitidir. Işınım yoğunluğu 26

41 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU şeklinde olur. I=c 1 n (2.25) Eşitlik 2.24 ve 2.25 birleştirildiğinde, '' - In ( I + c = c t + k eşitliği ortaya çıkar. (2.26) 2 ) 1 Partridge ve May(1965), izotermel azalma deneylerinde bazı verilerin Eşitlik 2.26 ya uyduğunu göstermişlerdir Tuzak Paremetrelerinin Belirleme Yöntemi Bir termolüminesans çalışmanın en önemli amaçlarından biri, deneysel ışıma eğrisinden elde edilen bilgilerin, incelenmekte olan madde içindeki yük geçişleri ile ilgili parametrelerin değerlerini hesaplamada kullanılmasıdır. Bu parametreler tuzak derinliği (E), frekans faktörü (s), yakalanma tesir kesitleri ve termolüminesans ışımada rol alan çeşitli tuzak ve yeniden birleşme merkezlerinin yoğunluklarıdır. Bu parametrelerin değerlerinin belirlenmesinde kullanılan yöntemlerin bazıları verilmiştir Farklı Isıtma Hızları Yöntemi Randall ve Wilkins, bir numunenin farklı iki lineer ısıtma hızıyla ( β 1 ve β 2 ) ısıtıldığı zaman, T M pik sıcaklığı farklı olacaktır. Farklı en yüksek sıcaklıklara karşılık gelen pik sıcaklıklarının ( TM1ve T M 2 ) yardımıyla tuzak derinliğinin hesaplanabileceğini göstermişlerdir (Şekil 2.10). Hoogenstraaten (1958) ise birkaç lineer ısıtma hızı önererek ve (2.15) denklemi yeniden düzenleyerek 2 T In M β E = -In kt M E ks (2.27) 27

42 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU şeklinde yazmıştır. Farklı ısıtma hızlarına göre çizilen doğrunun (In 2 T M / β nın 1 E ye göre) eğimi yı verir. Bu doğrunun düşey ekseni kestiği noktadan da s k T M değeri bulunabilir. Chen ve Winer genel mertebe kinetik eşitliğini kullanarak farklı ısıtma hızları yöntemini incelemişlerdir (Chen and Winer, 1970).Ayrıca (2.27) bağıntısının her ısıtma hızı β için doğru olduğunuda göstermişlerdir. Buna göre gerekli yaklaşımlar sonucunda, T To exp( E / kt ) dt = kt E 2 exp( E / kt )(1 ) (2.28) integral alındığında eşitliği elde edilir. Burada = 2kT / E şeklinde verilmiştir. di ( t) (2.27) eşitliğinin sıcaklığa göre türevi alınıp sıfıra eşitlenirse, = 0, dt T = T M ( b 1) s β T To s. b. kt exp( E / kt ) dt + 1 = βe 2 M exp( E / kt M ) (2.29) eşitliği elde edilir. (2.28) ifadesi (2.29) da yerine yazılıp gerekli düzenlemeler yapıldıktan sonra, β T sk = [ + ( b 1) ] exp( E kt ) 2 1 M / M ) M E (2.30) eşitliği bulunur. Burada M = 2kT M / E olarak verilmektedir. TM değeri β nin en büyük değerine karşılık yüzde birkaç mertebesinde değişmektedir. Bu nedenle 28

43 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU çok az değişeceğinden [ + ( 1) ] M (2.30) eşitliği aşağıdaki şekli alır: 1 b M sabit olduğu farz edilebilir. Bu nedenle 2 TM E 1 In = sabit + β k T M (2.31) 2 T In M β değerlerine karşılık 1/ T M grafiği çizildiği takdirde doğrunun eğimi E/k yı verecektir. Buradanda E değeri bulunabilir. (2.30) eşitliğini kullanarak s frekans faktörü β T E s= [ ] 1 E exp 1+ ( 1) 2 b M k ktm M (2.32) şeklinde bu hesaplanabilir İzotermel Bozunum Yöntemi Herhangi bir ısıtma döngüsü kullanmayan bir yöntem olan İzotermel bozunum yöntemi doğrudan doğruya TL yöntemi değildir. Yine de E ve s i belirleyen bir yöntemdir. Garlick- Gibson(Garlick- Gibson, 1948) tarafından birinci derece tepe için bir yöntem geliştirilmiştir. S o = n o Başlangıçta ışık çıkışı S o iken bir t i anındaki ışık çıkışı S ti olsun. S exp( ) t1 = n1 = no pt1 29

44 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU S tn = n = n exp( pt ) T=sabit (2.33) n o n In( St1 / S o ) = ( pt1) In(S tn / S ) = pt (2.34) o n T sıcaklığında elde edilen veri için In( S S ) sıcaklıklar kullanılarak eğimleri, ti / o nin t i ye karşı grafiği çizilir. Farklı m i = s exp( E / kt ) (2.35) a i olan doğrular elde edilir. In ( m ) = In( s) E / kt (2.36) i a i In(m) in 1/T ye karşı grafiğin eğimi - E a / kt ve ordinatı In(-s) olan bir doğrudur. Deney iki farklı sıcaklıkla ( T, ) yapılırsa iki farklı eğim m, ) elde edilir. ( T 1 2 ( m 1 2 m1 = s exp( Ea / kt1 ) m2 = s exp( Ea / kt2 ) In( m m ) = Ea / k(1/ T 1/ ) (2.37) 1 / 2 2 T1 Bu elde ettiğimiz denklemden E aktivasyon enerjisi hesaplanır. Aktivasyon enerjisi değeri (2.35) denklemine yerleştirilerek s frekans faktörü hesaplanır. Bu yöntem May ve Partridge (May ve Partridge, 1964) tarafından genel dereceye uygulanmıştır. Buradan kinetik derece b yi belirlemek mümkündür. 30

45 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU I TL b ' = n s exp( E t / kt ) Bu denklemin integralini aldığımızda, n t b ' dn / n = s exp( E / kt ) dt (2.38) no 0 t -1/(b-1) n ( b 1) I = s'exp( E / kt t n no t ) ( b 1) n ' -1/ n I = ( b 1) s exp( E / kt ) t no t ( b 1) ( b 1) ' -1/ n + 1/ n = ( b 1) s exp( E / kt ) t o t n ( b 1) n ( b 1) o ' = ( b 1) s exp( E / kt ) t t (2.39) a= ( b 1) n o ' c=(b-1)s exp( / kt ) (2.40) E t 1/1 b n= ( a + ct) (2.41) (2.41) in türevi alındığında ( b /1 b ) dn/dt=c/(1-b) ( a + ct) (2.42) ( b /1 b ) I = -dn/dt= -c/(1-b) ( a + ct) (2.43) b I= n s ' exp( ( b /1 b) Et / kt ) = c /(1 b)( a + ct) (2.44) 31

46 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU I 1 b / b = n 1 b ( s ' exp( E t / kt )) 1 b / b = c /(1 b)( a + ct) I 1 b / b = ( n 1 b o ' ' + ( b 1)( s exp( E / kt ))( s exp( E t t / / kt )) 1 b / b I = I ( T ) = n s exp( E / kt )exp( s / β exp( E / kt ) dt (2.45) m m o m Tm To I = I T ) = n s exp( E / kt ) exp( s / β exp( E / kt ) dt (2.46) m2 ( 1 o 1 Bu iki denklemi oranlayalım, 1/2 =exp [ E k(1/ T 1/ T )] T1 To T m / 1 m exp s E kt dt T / β exp( / ) (2.47) 1 T exp( E / kt ) dt = kt T o Bu seride ilk terimden sonraki terimler ihmal edilir. Tm To exp( E / kt ) dt = T exp ( kt / E) α α = 1 ( 1) α 1 α! Tm To 2 2 exp( E / kt ) dt = ktm exp( E / ktm ) kt1 exp( E / kt1 ) 1/ 2 2 = exp( E / k(1/ T 1/ T ) exp( s / β kt / E exp( E / kt ) 1 m m m 2 s / β kt exp( E / kt ) (2.48) 1 m In(1/2)=In(exp(-E/k(1/T 1-1/T m )exp( s / β kt / E exp( E / ) 2 m kt m 32

47 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU s / β kt / E exp( E / kt 2 1 m ) = E / k(1/ T 1/ T ) + s / β kt / E exp( E / kt ) 1 m m m s / β kt / E exp( E / kt 2 1 m ) E E / kt (2.49) 2 / k(1/ T1 1/ Tm ) = 1 ( T1 / Tm ) exp( E / kt1 + m s / β 7 10 den büyük ise (T 1 /T m ) 2 ihmal edilebilir. Çünkü bu terim E yi % 2 den daha az etkiler. E=1.51k ( T T / T T m 1 m 1 ) (2.50) Değişken Doz Oranları Yöntemi Bu yöntem ışıma eğrisindeki her ışıma tepesinin kinetik derecesini belirlemek için kullanılır. Birinci derece kinetiğinde yani TL teorisinde, ışıma tepelerinin maksimum sıcaklıkları sadece ısıtma oranı değiştiği zaman değişir. Isıtma oranı sabit ise maksimum yayınım şartında başlangıçta tuzaklanan elektron sayısı n o olmadığından maksimum sıcaklık doz oranıyla değişmez. Ayrıca deneysel hata limitleri içerisinde ( ± 2 o C ) sabit kalır. Genel derece kinetiğinde ise tepe sıcaklıkları artan doz oranı ile düşük sıcaklıklara doğru kayar. Doz oranı f çarpanı kadar arttığı takdirde tepe maksimumdaki kayma T = T T = T T k( i 1) / EInf bağıntısıyla elde edilir T 1 = Tm ise orijinal tepe konumudur. 33

48 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU - T 1 > T2 ise doz artışından sonraki tepe konumudur(bos, Dieldorf,1991) Tm Tstop Yöntemi Işıma eğrisindeki tepelerin kinetik dereceleri T T yöntemi ile de m stop belirlenebilir. Bu yöntemde örnek ışınlandıktan sonra ilk tepenin düşük sıcaklık kısmına karşılık gelen bir sıcaklığa T stop ısıtılır. Daha sonra da oda sıcaklığına soğutulur. Işıma eğrisinin geri kalanını elde etmek için örnek aynı ısıtma oranında yeniden ısıtılır. Böylece Tm belirlenir. T T grafiği merdiven basamağı şeklindedir. Ayrıca bu yöntemle tepelerin sayıları da belirlenir ve her plato bölgesi her tepenin yaklaşık konumunu yani tepenin hangi sıcaklıkta oluştuğunu belirler. m stop Şekil 2.3.Tstop-Aktivasyon enerjisi grafiği İlk Yükselme Yöntemi Bu yöntemde Garlick-Gibson diğerlerinden daha genel bir yöntem vermişlerdir. Buna ilk yükselme yöntemi denir. Bu yöntemde örnek yeterince düşük 34

49 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU bir sıcaklığa kadar ısıtılacak olursa, çok az yeniden tuzaklanmanın oluşabileceği duruma karşılık gelen n in yaklaşık sabit kalacağı düşük değerler için, eğrinin ilk yükselme bölgesine karşılık gelen ışıma şiddetli ifadesi, I(T)=Sabit x exp(-e/kt) Böylece InI(T), 1/T nin fonksiyonu olarak çizilirse bu bölgede bir doğru elde edilir (SOLAK, 2003). Bu doğrunun eğimi E/k dır. Böylece ışıma eğrisinin ilk yükselmeye başladığı etek üzerinden ışıma şiddeti sıcaklığa bağlı olarak ölçülerek E için uygun olan tuzak derinliği tayin edilmektedir. Bu yöntemde n değeri tuzaklanmış elektron sayısının deney süresince sabit kaldığının kabul edilmesidir. n değeri T i noktasından itibaren yani ışıma eğrisi pikinin ilk yükselme bölgesinden pikin son noktasına T s a kadar olan alan değeriyle tahmin edilebilir. Bu konu üzerinde yapılan çalışmalar ilk yükselme yönteminin uygulanabilirliği için, 1/T ye karşılık gelen InI(T) nin çizilen grafiğinde elde edilen doğrunun bir kriter olmadığını ortaya koymuş. T s tepe sıcaklığından oldukça düşük bir T i kritik sıcaklığının olması gerektiğini göstermiştir (McKeever, 1985). Sonraki yıllarda yapılan araştırmalar T i sıcaklığının, maksimum pik şiddetinin yaklaşık %10-15 ine karşılık gelen bir sıcaklık olabileceğini göstermiştir (Kivits ve Hagebeuk, 1972). Tek ve ayrılmış bir ışıma pikinin elde edilmediği durumlarda uygulanabilen çeşitli pik ayırma yöntemleri geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın olanı termik temizleme yöntemidir (Nicholas ve Woods,1964). Isıtılan kristalin birden fazla TL ışıma piki olduğunda, ilk pik üzerinde ilk yükselme yöntemi uygulandıktan sonra, ikinci ve diğer piklere yöntemin uygulanabilmesi ışıma eğrisinin ilk pikinin tepe noktasının çok az ötesine denk gelen bir sıcaklığa kadar örnek ısıtılarak bu pike ait tuzaklar boşaltılmış olur. Uygun ısıtma ve soğutma çevrimleriyle tuzakların spektoskopisi elde edilir. Bu işlemler böylece tüm ışıma eğrileri için tekrarlanır. Bu yöntemde basamak, basamak daha düşük sıcaklık pikleri yok edilerek, bir sonraki pik için, ilk yükselme yöntemi uygulanır. 35

50 2. TERMOLUMİNESANS TEORİSİ Ceyda HABİBOĞLU 0 1 1/Sıcaklık( K ) Şekil 2.4.İlk yükselme grafiği. Sıcaklık( 0 K) Şekil 2.5.Işıma tepesinin başlangıçta yükselen kısmı. 36

51 3.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ceyda HABİBOĞLU 3.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 3.1. Termolüminesans ile İlgili Önceki Çalışmalar Taylor ve Lilley (1978), LiF: Mg, Ti (TLD100) ünışıma tepeleri analizi adlı çalışmalarında LiF: Mg, Ti kristalindeki 2-5 ışıma tepelerinin aktivasyon enerjilerini ve frekans faktörlerini belirlemek için üç farklı yöntem kullanmışlardır. a) Toplam ışıma tepesi yöntemi, b) Değişken ışıma yöntemi c) İzotermal bozunum yöntemidir. Bu üç yöntemle elde edilen tuzak parametresi değerleri birbiriyle uyum içerisindedir. El Kolaly ve arkadaşları (1981), doğal ve Seryum (Ce), Gadolinyum (Gd), Terbiyum (Tb), Disprosyum (Dy) katkılı CaF 2 kristallerinin oda sıcaklığından 650 C ta kadar termolüminesansı ile ışıma tepelerini gözlemlemişlerdir. Gd yayınımı, oda sıcaklığından istenilen sıcaklığa doğru keskince düşmüştür. Dy yayınımı yaklaşık 200 C ta kadar yükselmiş sonra düşmüştür. Ce ve Tb yayınımı, oda sıcaklığından 100 C ta kadar bir azalma gösterip sonra 100 C den ve 320 C ye kadar bir yükseliş ve ondan sonra sürekli bir düşüş göstermiştir. Erdoğmuş (1981), termolüminesans yöntemiyle BeO kristalinde tuzak derinliği tayini adlı çalışmasında deneysel verilere dayanılarak BeO in ışıma eğrisi çizilmiştir. Işıma eğrisi 180 C ve 280 C lerdeki iki tepeden oluşmaktadır. 280 C deki tepe incelemeye uygun seçilmiştir. Ve bu tepenin tek bir tuzaktan oluştuğu varsayılmıştır. Tuzak derinlikleri ve frekans faktörü dört ayrı termolüminesans yöntemi kullanılarak belirlenmiştir. Bunlar farklı ısıtma yöntemi, izotermal bozulma yöntemi, tepe şekli yöntemidir. Driscoll ve Mundy (1981), termolüminesans özellği taşıyan borat ın duyarlılık ve azalma karakteristiği adlı çalışmalarında magnezyum borat ın özelliklerini taşıyan yeni bir dozimetrenin termolüminesans özellikleri incelenmiş ve diğer dozimetrelerle karşılaştırılmıştır. Ve magnezyum borat ın duyarlılığının LiF çiplerinin (Harshaw) 12 katı olduğu bulunmuştur. Hasan (1985), 50 Mrad değerine kadar CaF 2 nin davranışını incelemiş ve çalışmasında 50 C ve 520 C arasındaki sıcaklıklarda tek tepelerin ve toplam TL nin doz oranına karşılığına bakmıştır. Dozun yeterli düşük değerleri için yanıtın lineer, yüksek değerleri için supralineer olduğunu ve çok daha yüksek doz değerlerinde 37

52 3.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ceyda HABİBOĞLU benzer biçimli ışıma eğrisi ile sabit bir düzeye yaklaştığını gözlemlemiştir. Fosfor ile alınan dozun etkileri sonradan okuma ve tavlama ile aydınlatılmıştır. Driscoll ve McWhan (1985), LiF çiplerinin duyarlık ve TL azalmasının karakteristik özelliklerinin karşılaştırmalı çalışması adlı makalelerinde Vinten Instruments Ltd. tarafından yeni hazırlanan LiF çipinin termolüminesans özelliklerinin Harshaw ın hazırladığı LiF çipininkiyle karşılaştırılmıştır. Yeni materyalin TL duyarlığı ve fon şiddeti Harshaw ınkiyle karşılaştırılmıştır. TLD- 700 ün ışınlama çalışmalarının TLD-700 ün ısısal nötrona tepki gösterdiği belirtilmiştir. Driscoll (1987), LiF:Mg,Cu,P ün dozunun yeniden tahmin edilmesi adlı çalışmalarında foto-termolüminesansla LiF:Mg,Cu,P ündoz oranının yeniden tahmin edilme olasılığını tanımlayan deneysel bir inceleme tanımlanmıştır. LiF:Mg,Ti (TLD-100): de her zaman kullanılan ile aynı dalga boyu ve mor ötesi ışınla ışınlama parametreleri kullanıldığında, 200 den 1500mGy e kadarki soğurulan doz oranlarında LiF:Mg,Cu,P le elde edilen yeniden tahmin edilen sinyalleri TLD100 ünkinin %3 ü kadardır. Ogunleye ve Richmond (1987), düşük doz ölçümlerinde birçok kez kullanıdıktan sonra LiF TLD-100 ün duyarlığı üzerinde ısıtmanın etkisi adlı çalışmada 100 kez tekrar tekrar kullanılan LiF TLD-100 ün duyarlığındaki değişimler incelenmiştir. Wang ve Hsu (1987), CaSO 4 :Dy fosforu kulanılarak ışınlama ve ışınlama sonrası geçen zamanın aynı anda belirlenmesi için olasılığını çalışması adlı çalışmalarında ışınlama ve ışınlama sonrası geçen zamanın aynı anda belirlenebilmesinin olasılığını çalışmak için CaSO 4 :Dy fosforundan yapılmış örnekleri incelemişlerdir. Bhasin ve Kalyane (1987), dozun yeniden belirlenebilmesinde küçük LiF:Mg,Ti topraklarının mor ötesi ışınlara asıl tepkisinin girişimi adlı çalışmalarında mor ötesi ışına (257.3nm) asıl tepkileri ilgilendirdiği müddetçe eritilerek yapıştırılmış LiF:Mg,Ti topraklarının termolüminesans davranışı LiF:Mg,Ti TLD-100 (Harshaw) fosforunkinden farklı olduğu gözlenmiştir. 38

53 3.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ceyda HABİBOĞLU Pradhan ve Bhatt (1987), CaF 2 : Tm nin ışıma tepeleri ve TL yayınım spektrası adlı çalışmalarında CaF 2 : Tm nin 150 C ve 240 C ışıma tepelerinin tanımlanamayan yayınım spektrası bulunmuştur. Fasasi ve Jung (1988), Kadmiyum tellürle ısısal nötron dozimetresi adlı çalışmalarında oda sıcaklığında yüksek Z ye sahip bir yarı iletken bileşik, kadmiyum tellür gama ışını dedektörü olarak kullanılmıştır. Miller ve Endres (1988), CaF 2 : Mn deki soğutulmuş optiksel olarak uyarılmış lüminesans adlı çalışmalarında CaF 2 : Mn termolüminesans özelliği taşıyan materyalin okunması için yeni bir optiksel olarak uyarılan ışıma tekniği geliştirilmiştir. Bos ve Dieldorf (1991), CaF 2 : Tm (TLD-300) nin ışıma tepelerinin analizi adlı çalışmalarında CaF 2 : Tm (TLD-300) nin ışıma tepelerinin sayısı, tepelerin kinetik derece, aktivasyon enerjisi E ve kaçmaya teşebbüs frekansı s i belirlemek için bilgisayarla ışıma eğrisi uyarlama yöntemi, değişken ısıtma oranı yöntemi, Tm-Tstop yöntemi ve değişken doz oranı töntemi kullanılmıştır. Romero (1995), Kalsiyum Florit adlı çalışmasında kalsiyum floritin fiziksel ve optiksel özellikleriyle beraber termolüminesans özelliklerini incelemiştir. Araştırmasında kalsiyum floritin örgü parametrelerini, elektronik enerji-band biçimlerini ve renk merkezlerini göz önünde bulundurarak termolüminesans özelliklerini araştırmıştır. Engin (1996), Doğal Kalsit Mineralinin Termolüminesans ve ESR Yöntemleriyle İncelenmesi ve Tarihlendirilmesi başlıklı doktora tezinde, Denizli ve Çankırı Bölgelerinden alınan kalsit yapısındaki traverten örnekleri, Termolüminesans (TL) ve Elektron Spin Rezonanas (ESR) metodlarıyla araştırılmıştır. Yazıcı ve Öztürk (1999), Geliştirilen basit bir modelle LiF:Mg,Ti nin termolüminesans yayınım bandlarının incelenmesi adlı çalışmalarında kristalleşmiş katıların termolüminesans yayınım bandlarının şeklini tanımlayan yeni bir model geliştirmişlerdir. Geliştirilen bu yönteme göre yayınım bandlarının şeklini tanımlayan yeni bir yöntem geliştirmişlerdir. 39

54 3.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ceyda HABİBOĞLU Kırıkkaya (2002), Kocaeli (Kullar-yaylacık) Fayından Alınan Kuvars Örneklerinin Optik Uyarılmalı Lüminesans (OSL) termolüminesans (TL) Yöntemleri ile İncelenmesi ve Tarihlendirilmesi başlıklı doktora tezinde, Kocaeli depreminin oluşturduğu yüzey fayının Kullar-yaylacık bölgesinde açılan bir hendekten alınan sediman örneklerinde, Optik Uyarılmalı Lüminesans (OSL) Termolüminesans (TL) Yöntemleri ile karşılaştırılmalı olarak yaş tayinleri yapılmıştır. Duran (2002), Orta Anadolu Floritlerinin Termolüminesans Özellikleri adlı yüksek lisans tezinde, Orta Anadolu Pöhrenk, Akçakent, Bayındır, Alişar, Durmuşlu, Eşrefli ve İsahocalı doğal floritlerinin (CaF 2 ) granitik masiflerinde görülen damar tipli florit yataklarından alınan örneklerin termolüminesans özelliklerini incelemiştir. Ogundare ve ark., (2003), Nijerya nın bir bölgesine ait doğal bir florit örneğinin, iki yüksek sıcaklıktaki ışıma tepelerinin kinetik parametrelerini Chen nin tepe şekli (Peak Shape, PS) başlangıçtaki artış (Initial Rise, IR) yöntemleri kullanımıştır. Kafadar (2004), Sentetik Kuvars Kristalinin Dozimetrik ve Termolüminesans özelliklerinin İncelenmesi adlı yüksek lisans tezinde CaSO 4 :Dy (TLD-900) ve sentetik kuvars kristalinin dozimetrik ve termolüminesans özelliklerini incelemiştir. Ogundare ve ark., (2005), Isıtma Hızının Floritin Termolüminesans (TL) Üzerindeki Etkileri başlıklı bildirilerinde, farklı ısıtma hızlarının, bir Nijerya florit örneğinin, iki yüksek sıcaklık ışıma tepesinin TL ışıma tepesi sıcaklığına, yüksekliğine ve integre edilmiş TL yoğunluklarına etkisini incelemişelerdir. Elde edilen veriler, ışıma tepesi sıcaklıklarının ısıtma hızıyla yükseldiğini göstermişlerdir. Topaksu ve ark., (2005), Kubad Abad a (Konya) ait Selçuklu Seramik ve Çinilerinin Termolüminesans (TL) Tarihlendirilmesi, Yapısının Belirlenmesi ve Teknolojinin Açıklanması adlı çalışmada; Beyşehir (Konya) gölünün güneybatı kıyısında yer alan Selçuklu sarayı olan Kubad Abad tan toplanan eski çini seramiklere termolüminesans (TL) tarihlendirilme metodunu kullanmışlardır. 40

55 3.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ceyda HABİBOĞLU Alçiçek ve ark., (2006), 59. uncu Türkiye Jeoloji Kurultayı nda bildirdiklerine göre; güneybatı Türkiye de, Denizli travertenleri içinde bulunan ilk insan fosili ve yataklık eden travertenler termolüminesans (TL) metodu ile tarihlendirilmiştir. Topaksu ve Yazıcı (2007), Doğal CaF 2 nin Dozimetrik Termolüminesans Işıma Tepelerinin Analizi adlı bildirilerinde, Orta Anadolu Masifi nden alınan doğal CaF 2 nin TL özelliklerini çalışmışlardır. Bu çalışmada, doğal CaF 2 nin oda sıcaklığında (RT, Room Temperature ) beta ışınlamasından sonra TL özellikleri incelenmiştir CaF 2 :Dy Kristalinin Tuzak Parametrelerinin Termolüminesansıyla İlgili Önceki Çalışmalar Merz ve Pershan (1967), CaF 2 : Dy kristalinin 77 C ın altında oluşan tepeler için Ea ve s değerlerini hesaplamışlardır. Binder ve Cameron (1969), CaF 2 : Dy kristalinin dozimetrik özellikleri ile beraber ışıma eğrisinin 120, 140, 200 ve 240 C lerde üst üste binen dört düşük sıcaklık tepesi (1-4) ile 340 ve 400 C de iki yüksek sıcaklık tepesinden oluştuğunu gözlemlemişlerdir. Hsu ve Wang (1986), CaF 2 :Dy (TLD-200) ün Isıtma Yöntemi adlı çalışmalarında depolama için farklı yöntemleri kullanarak CaF 2 :Dy (TLD-200) dozimetresinin TL karakteristiğini detaylı bir şekilde incelemişlerdir. Deneysel sonuçlardan 20 dakika 450 C de ısıtma yönteminin yeterli olduğunu belirtmişlerdir. Düşük sıcaklık uygulamaları gerekli bulunmamıştır. Yazıcı ve ark., (2000), Değişik Deneysel Parametrelerin CaF 2 :Dy ün Tuzak Parametrelerinin ve Işıma Tepeleri Üzerindeki Etkileri adlı bildirilerinde CaF 2 :Dy kristalinin termolüminesans ışıma eğrisinin 27 ile 277 C arasındaki sıcaklık bölgesi detaylı bir şekilde incelenmiştir. Bilgisayarla ışıma eğrisi uyarlama, tepe şekli ve izotermal bozunum yöntemleri kullanarak tepelerin sayısını ve tuzak parametrelerini (E,s,b) belirlemişlerdir. Buna ek olarak birinci ve genel derece denklemlerini ve CGCD yöntemini kullanarak doz oranları, ısıtma oranları ve oda sıcaklığında 41

56 3.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ceyda HABİBOĞLU depolama sürelerinin tuzak parametreleri üzerindeki etkilerini deteylı bir şekilde incelemişler ve bu deneysel parametrelerin CaF 2 :Dy ün ışıma tepelerinin tuzak parametreleri üzerinde belirgin etkileri olduğunu belirlemişlerdir. Yazıcı ve Öztürk (2001), CaF 2 :Dy ün145 C de ışınlama sonrası ısıtma işlemiyle ayrılan Tepe 6 nın analizini yapmışlardır. 145 C de ışınlama sonrası ısıtma işleminin süresinin bir fonksiyonu olarak Bilgisayarla Işıma Eğrisi Ayrıştırma (CGCD-Computerised Glow Curve Deconvolution), Tepe şekli (PS-Peak Shape) ve izotermal bozunum metodlarını kullanarak CaF 2 :Dy kristalindeki Tepe 6 nın genel kinetik parametrelerini hesapladılar. Bu üç farklı yöntemle Tepe 6 nın genel kinetik mertebe olduğunu ve Ea, s ve b nin ışınlama sonrası ısıtma işleminin süresinden etkilendiğini gözlemlemişlerdir. Pradhan (2002), Isıtma oranının CaF 2 :Dy, CaF 2 :Mn, CaF 2 :Tm, CaF 2 :Cu nın şiddetleri üzerindeki etkileri adlı bildirilerinde 270 C civarında CaF 2 :Dy, CaF 2 :Mn, CaF 2 :Tm, CaF 2 :Cu kristallerinin TL ışıma tepelerinin şiddetlerini araştırmışlardır. CaF 2 :Mn haricinde diğer bütün TLD lerin şiddetlerinde 1 C/s den 50 C/s ye artan ısıtma oranı ile küçük bir artış gözlemlemişlerdir (%10-15). Işıma eğrisinden elde edilen ışıma eğrilerinin şekli, konumu ve parametrelerinin yüksek ısıtma oranlarında TL veriminin azalmasıyla serbest kalan yük taşıyıcılarının hareketinin hiçbir ilgisi olmadığı gözlenmiştir. Nambi ve ark., (2002), belirli bir limitin ötesinde paleoalfa doz almış örnekleri tarihlendirmede, TL tekniğinin başarısız olduğunu hipotezini araştırmak için safsızlık olarak eklenen uranyum (U) ağırlık düzeyi ile 1600 ppm içeren laboratuarda geliştirilmiş 9 yaşındaki CaF 2 ye TL tarihlendirmesi uygulamışlardır. 42

57 4. MATERYAL VE METOD Ceyda HABİBOĞLU 4. MATERYAL VE METOD 4.1. Materyal Bu çalışmada florit (CaF 2 ) örneğinin dozimetrik özellikleri üzerinde çalışılmıştır. Çalışılan bu örnek Orta Anadolu bölgesinde yer almaktadır. Bu çalışmada Orta Anadolu floritlerinin Termolüminesans (TL) özelliklerinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Akçakent ilçesinden alınan florit örneği şekil 4.1 de gösterilmektedir. Şekil 4.1. Orta Anadolu bölgesinden alınan florit örneği Floritin Jeolojisi Kalsiyum florit, doğal ve sentetik olmak üzere ikiye ayrılır (Polymeris ve ark.,2006). Doğal CaF 2, TL dozimetre olarak ilk kullanılan materyallerden biridir. TL materyalinin kullanılmasının amacı, yüksek TL duyarlılğı göstermesidir. Eski Romalıların, Orta Doğu dan getirdikleri ve yarı kıymetli süs taşı saydıkları florit, flüospat, flüorspar veya kalsiyum florit adıyla bilinirler. Eski Romalıların floritten yaptıkları zarif bardak ve vazolar müzelerde bulunmaktadır. 43

58 4. MATERYAL VE METOD Ceyda HABİBOĞLU Florit ince kesitte çoğunlukla renksizdir. Floresans ve renk özelliğini etkileyen az bulunan toprak elementleri genelde floritin içinde bulunur. CaF 2 formülü, florit kalsiyum ve fluor bileşiğinden oluşur. Kalsiyum atom ağırlığı 40, florun 19 dur. Florit ışık kırma indisinin çok küçük oluşu, çok iyi dilimin göstermesi ve ayrıca izotrop oluşu ile diğer minerallerden kolayca ayırt edilebilir. Florit CaF 2, saydam ve yarı saydam, sarı, yeşil, mor, kırmızı, kahverengi veya renksiz bir mineraldir. Florit en fazla renk çeşitliliğine sahip minerallerden biridir. Florit saflık derecesine göre, kimya endüstrisi, seramik ve cam endüstrisi, optik ve çimento endüstrisi gibi birçok alanda kullanılmaktadır Şekil 4.2. Orta Anadolu Bölgesindeki Florit Örnekleri. Masif içerisinde Akçakent ve Kaman bölgelerinde florit damar şeklindedir. Fakat tersiyer yaşlı örtü birimlerinde karstik dolgular şeklindedir. 44

59 4. MATERYAL VE METOD Ceyda HABİBOĞLU Şekil 4.3. Florit örneğinin alındığı Orta Anadolu Bölgesi. Organik bileşiklerden veya kristalleşme sırasında kristal yüzeylerindeki ince şeritlerde biriken nadir toprak bileşiklerinden dolayı florit birçok renk almaktadır. Peryodik cetvelde II. Grubun atom numaraları 57 den 71 e kadar olan elementlere Nadir Toprak Elementleri veya Lantanitler denir. Bu elementler aşağıda yer almaktadır. Grup Lantanitler La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Tablo 4.1. Peryodik cetvelde Lantanitler grubu 4.2.Metod Termolüminesans (TL) Sistemi Termolüminesans dozimetre (TLD) okuyucuları, araştırma amaçlı, ticari ve amaca göre tasarımlı sistemler olmak üzere üç grupta toplanabilir. Bütün TLD okuyucularına aynı gelen tasarım ilkeleri uygulanmasına karşın belli bir uygulama alanının gereksinimlerine göre okuyucuya özgü ayrıntılar değişir. Araştırma amaçlı 45

60 4. MATERYAL VE METOD Ceyda HABİBOĞLU okuyucuların tasarımları sayılarının çokluğu kadar çeşitlidir. Ticari TLD okuyucuları, belli bir dozimetre yapısına göre ve çeşitli dozimetre biçimleri ile ışıyıcı (fosfor) tipine göre tasarlanmış sistemler olarak ikiye ayrılır. Aynı zamanda birçok ticari okuyucu araştırma amaçlı olup, bazıları değişken ısıtma programlıdır. Amaca göre tasarımlı otomatik sistemler, sayıca az uygulama alanları çok özeldir. Bunlar büyük işletmelerde personel dozimetresi amaçları için, bir tip dozimetreye göre tasarlanmıştır. Bütün TLD okuyucuları için ortak olan özellikler şu şekilde sıralanabilir. - Fosforu ısıtma sistemi - Işığı toplama ve dedeksiyon sistemi - Elektronik ölçme sistemi - Görüntüleme ve kayıt sistemidir. Şekil 4.4 de bir TL okuyucusunda bulunan temel birimler ile okuyucunun genel görünümü gösterilmiştir. - Her TL ölçme sistemi aşağıda sıralanmış birkaç temel düzenekten meydana gelmiştir. 46

61 4. MATERYAL VE METOD Ceyda HABİBOĞLU Doğru akım ampermetresi Fotoçoğaltıcı tüp Yüksek gerilim kaynağı X-Y kaydedici Optiksel filtreler pano Isıtıcı güç kaynağı Termoçift Şekil 4.4. Termolüminesans okuyucudaki temel birimler Ölçme sistemi, foton çoğaltıcı tüp ile sayıcı veya X-Y kaydediciden oluşur. X-Y kaydedicisinin kullanılabilmesi için TL okuyucusu çıkışı ile X-Y kaydedici arasına doğru akım yükselticisi konmuştur. Genellikle doğru akım yükselteci X-Y kaydedici kullanıldığı zaman gerekir. Elektronik sayıcılar kullanıldığı zaman doğru akım yükseltecine ihtiyaç duyulmaz. Işıma eğrisi görülmek istenildiğinde ossiloskoplar kullanılabilir. Okuma sisteminde kristalle fotoçoğaltıcı tüpün foto katodu oldukça yakın alınmıştır. Aksi takdirde ışık şiddeti uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azaldığından ışık verimi azalır. Kalibrasyon hatalarından kurtulmak için ışık kalibratörleri cihazın içerinse konmuştur. Işık kalibratörleri radyoaktif kaynak, plastik sintilator veya inorganik fosforlar içerir. Sistemin kalibrasyonu günde bir kez bu kalibratörlerle kontrol edilir. 47

62 4. MATERYAL VE METOD Ceyda HABİBOĞLU Isıtma sisteminde kırmızı ötesi ışınları tutmak için filtre kullanılmıştır. Foton çoğaltıcı tüpte okunan meydana gelen akım çok duyarlı bir ampermetreyle okunur. Toplam akım değeri ışıklı panoda dijital teknikle sayı olarak gösterilir. Panoda okunan sayı fotoçoğaltıcıda meydana gelen akım değeriyle orantılıdır. TL okuyucusunun en önemli kısmı fotoçoğaltıcı tüp olup TL ışımanın akıma dönüşmesini sağlamaktadır Foton çoğaltıcı Tüp (PMT) Bütün ticari okuyucularda TL salımını dedekte edebilmek için bir PM tüp kullanılır. Numunenin ısıtılmasıyla ortaya çıkan TL fotonları, çoğaltıcı tüpünfotokatodunda durdurularak fotoelektrik olay sonucu elektronlar meydana getirirler. Bu ilk elektronlar dynodlarda çoğaltılarak tüp anotunda voltaj pulsu meydana getirirler. Elektron çoğaltıcı olarak görev yapan fototüpte, katottan salınan her elektron için anotta milyon civarında elektron toplanır. Bu sayı veya çıkış voltaj pulsunun büyüklüğü, katota çarpan TL fotonu sayısı ile orantılıdır. Her dynoddaki artış, voltaj farkına bağlı olduğu için yüksek voltajdaki herhangi bir değişme çıkış pulslarındaki değişimlere neden olacaktır. Bu yüzden yüksek voltaj kaynağının kararlı olması gereklidir. Foton çoğaltıcı tüplerde önemli üç tip elektron ışıması vardır. Bunlar fotoelektrik ışıma, ikincil ışıma ve termoiyonik ışımadır. - Fotoelektrik ışıma: Fotoelektrik olayın ilk araştırılması sırasında iki genel kural görülmüştür. Bunlardan birincisi emisyon akımı, gelen ışığın frekansıyla orantılıdır. İkincisi ise emisyon akımı, gelen ışığın toplam miktarıyla değişmez. -İkincil ışıma: Eğer kademeli katı yüzeyler arasında 100 er voltluk potansiyel farkları varsa ve bunlar elektronlarla bombardıman edilirse, yüzeylerden elektronlar sökülür. Yüzeyden çıkan bu ikincil elektronların sayıları yüzeyin cinsine, gelen elektronların enerjilerine ve geliş açılarına bağlıdır. - Termoiyonik ışıma: Fotokatod maddeleri oldukça düşük iş fonksiyonu enerjilerine sahiptirler. Bu nedenden oda sıcaklığında bile emisyon olmaktadır. Düşük ışık seviyelerinde ihmal edilmesi imkansızdır. Fotoçoğaltıcı tüpte az ve düşük 48

63 4. MATERYAL VE METOD Ceyda HABİBOĞLU seviyede görünen bu ışıma yükselteçlerde oldukça fazla yükseltilip yanlış okumalara sebep olmaktadır. Termoiyonik ışımanın önüne geçmek için tüpler soğutulmaktadır Tavlama Fırını Tavlama, kristallerin içinde bulunan tuzakların, elektronlardan tümüyle boşaltılması için yapılan bir işlemdir. Bu nedenle farklı sıcaklıklarda ayrı ayrı tavlama işlemine tutulmasının sebebi, daha önceden tuzaklarda yakalanmış elektronların en uygun kurtulma sıcaklıklarının belirlenmesini hedeflemektedir. Ölçme yaparken kristallerin öz geçmişlerinin aynı olmasına ya da daha önceden geçirmiş oldukları ışıma ve ısıl işlemlerin bilinmesine ihtiyaç vardır. Şekil 4.5. Tavlama Fırını TL çalışmalarıyla ilgili tüm ısıtma işlemleri özel olarak tasarlanmış mikroişlemci kontrollü bir Nabertherm GmbH tip elektrikli fırınla yapıldı. Fırın içi tuğla ile kaplı olduğu için geç ısınma ve geç soğuma özelliği vardır. 0 ile 300 C sıcaklık aralığında fırının sıcaklık hassaslığı ±2 C dir. Bu fırın 300 C ve 3000 C arasındaki yüksek sıcaklık ısıtma işlemlerinde kullanılırsa sıcaklık hassaslığı 49

64 4. MATERYAL VE METOD Ceyda HABİBOĞLU ±5 C dir. Her ısıtma işleminden sonra örnek soğuk bir camın üzerine konulur ve örneğin oda sıcaklığına kadar soğuması beklenir Riso TL/OSL Lüminesans Okuyucu: Model TL/OSL-DA-20 Birleştirilmiş TL/OSL okuyucusu Riso Ulusal Laboratuarlarında (Model Riso TL/OSL-DA-20 tasarlanmış ve üretilmiş olup yeni jenerasyon TL/OSLlüminesans okuyucusudur ve uzun süren araştırma ve geliştirme çalışmalarını sonucudur (Şekil 4.6). Şekil 4.6. Riso TL/OSL-DA-20 Model TL/OSL okuyucu sistemi Riso TL/OSL otomatik ölçüm sistemi hem TL hem de OSL ölçümlerini yapabilmektedir. Sistem 48 örneğin (Şekil 4.6), aynı anda - Oda sıcaklığıyla 700 C arasında herhangi bir sıcaklığa kadar bağımsız olarak ısıtılmasını sağlamakta, 50