TL Malzemelerde Parçacık Boyutunun Dozimetrelerin TL Hassaslığı Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi

Transkript

1 TL Malzemelerde Parçacık Boyutunun Dozimetrelerin TL Hassaslığı Üzerindeki Etkisinin İncelenmesi A.Necmeddin YAZICI ve V.Emir KAFADAR Gaziantep Üniversitesi, Fizik Mühendisliği Bölümü, Gaziantep Prof.Dr. A. Necmeddin YAZICI Gaziantep Üniversitesi Fizik Mühendisliği Bölümü mail: LUMIDOZ-IV, Eylül 2010 Gaziantep Üniversitesi

2 Nanokristal Nanokristallerde (nanomateriyaller) parçacık boyutu 1 nm ile 100 nm arasındadır. Kristallerde parçacık boyutu küçüldükçe, malzemenin fiziksel, kimyasal, elektriksel, optiksel, luminesans veya başka birçok özelliği değiştiği bilinmektedir. Özellikle parçacık boyutu küçüldükçe malzemenin elektronik enerji düzeyleri arasındaki fark değişmektedir. Bunun sebebi parçacık boyutu küçüldükçe kuantum boyut etkisinin azalması sonucu yasak bant aralığının (E g ) değişmesi (artması) olabilir.

3 Nonokristalin bazı kullanım alanları : New flat-panel displays with low energy excitation source Solar-energy converters Optical amplifiers Field emission display Catot ray tubes TLD Phosphors Genellikle geleneksel TL dozimetrelerde parçacık boyutu mikrometre mertebesindedir.

4 TL dozimetrelerde parçacık boyutunun dozimetrenin TL ışıma şiddeti üzerine etkisi ile ilgili ilk çalışmalar 1960 yılların sonunda G.D.Zanelli tarafından yapıldı. G.D.Zanelli farklı parçacık boyutlarına sahip LiF dozimetresinin monokromatik fotonlar ile ışınlandıktan sonra TL şiddetlerini inceledi ve bu malzemenin TL şiddetinin parçacık boyutu ile azaldığını belirtmiştir. G.D.Zanelli çalışmasında aynı zamanda parçacık boyutunun TL ışıma şiddeti üzerindeki etkisinin uygulanan radyasyon ışının enerjisine de bağlı olduğunu vurgulamıştır. d (μm) Enerji (kev) ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ± ±0.06 G.D.Zanelli, The Effect of Particle Size on the Thermoluminescence of LiF, Phys. Med.Biol., 13(3), p , (1968).

5 T. Nakajima (1970) gaz ortamında ısısal işlemlere tabii tutulan LiF dozimetresinin parçacık boyutu azaldıkça TL ışıma şiddetinin arttığını belirtmiştir. Fakat hava yada düşük vakumda ısısal işlemlere tabii tutulan dozimetrelerin parçacık boyutunun belli bir değerden sonra tekrar azalmaya başlamasına rağmen, örneğin argon gazı ile ısısal işlemlerde sürekli bir artış olduğu belirtilmiştir. Nakajima ışıma şiddetinin büyüklüğünü tanecikleri küresel düşünerek I=exp(3/grain size)-(s.a/v) gibi bir denklem ile ifade edilebileceğini yazmıştır. S.A=yüzey alanı; V=kristal hacmi T. NAKAJIMA, Effects of atmosphere and grain size on thermoluminescence sensitivity of annealed crystals, J. Phys. D: Appl. Phys , 1970.

6 Mutsuo TAKENAGA, Thermoluminescent Response to Thermal Neutrons of Mixture of CaSO 4 :Tm, and Non-Luminous 6 LiF, Journal of NUCLEAR SCIENCE and TECHNOLOGY, 14(4), , (1977).

7 M.Prokiç, Thermoluminescence Characteristics of Calcium Sulphate Solid Detectors, Radiat.Protect.Dosim., 37(4), , (1991).

8 A.H. Ranjbar, S.A. Durranib, K. Randlec, Electron spin resonance and thermoluminescence in powder form of clear fused quartz: e ects of grinding, Radiation Measurements 30 (1999)

9 M.W.Blair, L.G.Jacobsohn, B.L.Bennett, S.C. Tornga, E.G.Yukihara, E.A. McKigney, and R.E.Muenchausen, Luminescence and structural properties of oxyorthosilicate and Al 2 O 3 nanophosphors, P hys. Status Solidi A 206, No. 5, (2009).

10 S.J.Dhoble and et.al., Lyoluminescence, thermoluminescence and photodecomposition in microcrystalline powder of KCl, KBr, KI and KI:KNO 3 crystals, Nuc. Inst. & Meth. Sec. B, 192, p , (2002).

11 Parçacık boyutunun birçok malzemenin TL ve OSL ışıma şiddeti üzerine etkisi en kapsamlı olarak son yıllarda A. Pandey, P. D. Share ve arkadaşları tarafından çalışılmıştır. Aşağıda bu bilim adamlarının yaptıkları çalışmadan bazı örnekler verilmiştir. Bu kişiler aşağıda çalışılan malzemelerin parçacık boyutunun özellikle parçacık nanometre boyutlarda ise kesinlikle TL ışıma şiddetini etkilediğini belirtmişlerdir. Kristal Parçacık Boyutu (nm) K 2 Ca 2 (SO 4 ) 3 :Eu 19 LiNaSO 4 :Eu 35 CaS:Bi 35 CaSO 4 :Dy LiF:Mg,Cu,P 28 K 3 Na(SO 4 ) 2 :Eu Ba 0.97 Ca 0.03 SO 4 :Eu BaSO 4 :Eu 30-50

12

13 A Pandey, R G Sonkawade and P D Sahare, Thermoluminescence and photoluminescence characteristics of nanocrystalline K 2 Ca 2 (SO 4 ) 3 : Eu, J. Phys. D: Appl. Phys. 35, , (2002). Numan Salah, S. P. Lochab, P. D. Sahare, Effect of Tb 3+ co-doping and particle size on K 2 Ca 2 (SO 4 ) 3 :Eu phosphor, Radiation Effects & Defects in Solids, 158, , (2003). N. Salah, P. D. Sahare, S. Nawaz and S. P. Lochab, Luminescence Characteristics of K 2 Ca 2 (SO 4 ) 3 :Eu,Tb Micro- and Nanocrystalline Phosphor, Radiation Effects & Defects in Solids, 159, , (2004). N. Salah, S. P. Lochab, D. Kanjilal, R. Ranjan, S. S. Habib, A. A. Rupasov, and V. E. Aleynikov, Nanoparticles of K 2 Ca 2 (SO 4 ) 3 :Eu as effective detectors for swift heavy ions, Journal of Applied Physics, 102, , (2007).

14

15 A Pandey, P D Sahare, J S Bakare, S P Lochab, F Singh and D Kanjilal Thermoluminescence and photoluminescence characteristics of nanocrystalline LiNaSO 4 :Eu phosphor, J. Phys. D: Appl. Phys. 36, , (2003). A Pandey and P D Sahare, Pyroelectroluminescence in LiNaSO 4 :Eu (particle size effect), J. Phys. D: Appl. Phys. 37, , (2004).

16 V. Kumar, R. Kumar, S P Lochab and N. Singh, Thermoluminescence studies of CaS:Bi nanocrystalline phosphors, J. Phys. D: Appl. Phys. 39, , (2006).

17 N. Salaha, P.D. Sahare, S.P. Lochab, P. Kumar, TL and PL studies on CaSO 4 :Dy nanoparticles, Radiat. Measurements 41, 40 47, (2006).

18 N. Salaha, P.D. Sahare, A.A. Rupasov, Thermoluminescence of nanocrystalline LiF:Mg,Cu,P, J. Luminescence, 124, , (2007). N. Salah, S. S. Habib, Z. H. Khan, S. P. Lochab, D. Kanjilal, R. Ranjan, V. E. Aleynikov, and A. A. Rupasov, Nanorods of LiF:Mg,Cu,P as Detectors for Mixed Field Radiations, IEEE Transactions on Nanotechnology, 7(6), , (2008).

19 P D Sahare, Ranju Ranjan, Numan Salah and S P Lochab, K 3 Na(SO 4 ) 2 :Eu nanoparticles for high dose of ionizing radiation, J. Phys. D: Appl. Phys. 40, , (2007).

20 S P Lochab, P D Sahare, R S Chauhan, N. Salah, R. Ranjan and A Pandey, Thermoluminescence and photoluminescence study of nanocrystalline Ba 0.97 Ca 0.03 SO 4 :Eu, J. Phys. D: Appl. Phys. 40, , (2007). S. P. Lochab, D. Kanjilal, N. Salah, S. S. Habib, J. Lochab, R. Ranjan, V. E. Aleynikov, A. A. Rupasov, and A. Pandey, Nanocrystalline Ba 0.97 Ca 0.03 SO 4 :Eu for ion beams dosimetry, Journal of Applied Physics, 104, , (2008).

21 N. Salah, Carbon ions irradiation on nanoand microcrystalline CaSO 4 :Dy, J. Phys. D: Appl. Phys. 41, , (2008).

22 N. Salah, S. S.Habib, Z. H.Khan, S. Al-Hamedi, S.P.Lochab, Nanoparticlesof BaSO 4 :Eu for heavy-dosemeasurements, Journal of Luminescence, 129, , (2009).

23 M.Mendoza-Anaya ve arkadaşları SiO 2 nin içine numune büyütme esnasında nanoparçacık boyutunda safsızlık atomları (Fe ve Cu gibi) yerleştirildiğinde termoluminesans ışınım şiddetinin oldukça arttığını gözlemlediler. Buartışın sebebini nanometre boyutlarındaki parçacıkların yüzeyindeki yüzey elektronik state lere (tuzaklara) bağlı olabileceğini belirttiler. Küçük boyutlu parçacıkların daha fazla yüzey/hacim (bulk) oranına sahip olduğunu bu nedenle daha fazla yüzey tuzaklarına ve dolayısı ile daha fazla yük taşıyıcısına sahip oldukları bilinmektedir. Isıtma esnasında bu yüzey tuzaklarından serbest hale geçen taşıyıcıların zıt işaretli taşıyıcılar ile birleşmesi sonucu TL ışıma şiddetinin artabileceği vurgulanmıştır. Bu nedenle de daha şiddetli ışıma şiddetine sahip olacaklarını vurgulamışlardır. Bununla birlikte elektron ve hole dalga fonksiyonlarının da parçacık boyutu azaldıkça üst üste binmeye başlayacaklarını ve taşıyıcı birleşme oranın parçacık boyutunun azalması ile artacağını bu nedenle de TL ışıma şiddetinin artabileceğini vurgulamışlardır. Yüzeylerdeki tuzakların tuzak derinliklerin parçacık boyutuna bağlı olmadığı yine bu çalışmada belirtmişlerdir.

24 [1] DMendoza-Anaya, C. Angeles, P Salas, R Rodriguez and V M Castano, Nanoparticle-enhanced thermoluminescence in silica gels, Nanotechnology 14 (2003) L19 L22. [2] G Villa-Sanchez, D Mendoza-Anaya, C Gutierrez-Wing, R Perez-Hernandez, PR Gonzalez-Martinez and C Angeles-Chavez, Ag nanoparticle effects on the thermoluminescent properties of monoclinic ZrO2 exposed to ultraviolet and gamma radiation, Nanotechnology 18 (2007)

25 Parçacık boyutunun yarıiletken tabanlı malzemelerin TL ve OSL ışıma şiddeti üzerine etkisi de özellikle son yıllarda yoğun olarak çalışılmaya başlanmıştır. Cruz ve arkadaşları ZnO kristalinin TL ışıma şiddetinin bu malzeme 500 o C ile 700 o C arasında tavlandıkça arttığını ve artışın yüksek sıcaklıklarda daha fazla olduğunu belirtmişlerdir. Tavlama esnasında daha düzgün bir kristalleşme olduğu SEM görüntüleri ile açığa çıkarmışlardır. Parçacık boyutu tavlama sonucu nanometre mertebesinde olan bu kristalinin daha önce geliştirilen kristallerden 100 kat daha fazla TL ışıma yaptığı belirtilmiştir. Bu nedenle de bu malzemenin güzel bir TL ve OSL dozimetresi olabileceği vurgulanmıştır.

26

27 [1] C. Cruz-Vazquez, R. Bernal, S.E. Burruel-Ibarra, H. Grijalva-Monteverde, M. Barboza-Flores, Thermoluminescence properties of new ZnO nanophosphors exposed to beta irradiation, Optical Materials 27, , (2005). [2] C. Cruz-Vazquez, S.E. Burruel-Ibarra, H. Grijalva-Monteverde, V. Cherov, R. Bernal, Thermally and optically stimulated luminescence of new ZnO nanophosphors exposed to beta particle irradiation, Radiation Effects & Defects in Solids, 162, , (2007). [3] C.E. Secu and Mariana Sima, Photoluminescence and thermoluminescence of ZnO nano-needle arrays and films, Optical Materials 31, , (2009). [4] U. Pal, R. Melendrez, V. Chernov, and M. Barboza-Flores, Thermoluminescence properties of ZnO and ZnO:Yb nanophosphors, Applied Physics Letters 89, , (2006).

28 Chen ve arkadaşları tarafından yapılan bir araştırmada ZnS kristalinin parçacık boyutu azaldıkça optiksel soğurma bandının kuvvetlendiği ve maviye doğru kaydığı gözlemlenmiştir. Aynı zamanda bu çalışmalarda parçacık boyutu azaldıkça TL ışıma şiddetinin arttığı belirtilmiştir. [1] Chen W, Wang Z, Lin Z and Lin L 1997 Appl. Phys. Lett. 70, [2] ChenW,Wang Z, Lin Z and Lin L 1997 J. Appl. Phys

29 GAZİANTEP ÜNİVERSİTESİNDEKİ DENEYSEL ÇALIŞMALAR Gurubumuz tarafından Cu katkılı ZnS (E g =3.7 ev, Z eff =25.98) kristali TL özellikleri üzerine yatığımız çalışmada bu malzeme parçacık boyutunun kristal büyütülürkenki taban sıcaklığına oldukça bağlı olduğu görülmüştür. Geliştirilen ZnS:Cu kristalinin parçacık boyutu XRD ve SEM sonuçları ile bulunmuştur A.N. Yazici et al., Optical Materials 29 (2007)

30 Fig. X-ray diffractogram patterns of ZnS(Cu) nanoparticles at various substrate temperatures. Fig. SEM images of ZnS(Cu) nanoparticles prepared at different substrate temperatures: (a) 400 C, (b) 500 C.

31 Fig. Glow curves of Cu-doped ZnS nanophosphors obtained after different substrate temperatures (dose level 55 Gy). Fig. The glow curve of ZnS:Cu nanophosphors after various radiation doses. Doses were varied by irradiation duration at a rate of Gy/s.

32 Fig. (a) The variation of peak temperatures of glow peaks of ZnS:Cu nanophosphors as a function of exposed dose level, (b) the dose response of glow peaks determined by the peak height of glow peaks, (c) the TL dose response function (f(d)) of glow peaks.

33 SONUÇ-1 Parçacık boyutunun azalması dozimetrede hacim (volume)/yüzey alan (surface area) oranının azalmasına neden olmaktadır. Şayet katkılanan element (iyon) sadece kristalin taneciğinin içinde hata merkezleri (defects) oluşturuyorsa ve parçacık yüzeyinde (surface area) oluşturmuyorsa kristaldeki hata merkezlerinin sayısının azalmaya neden olduğu ve bu nedenle bu malzemelerin TL ışıma şiddetlerinde bir azalmaya neden olabileceğini belirtmişlerdir. Parçacık boyutunun azalması sonucu radyasyonun tesir etkisi azalmış olabileceği bu nedenle de kristal içinde (hacminde) daha az hata merkezleri oluşmuş olabileceği bu nedenle de TL ışımasının azalabileceği. Özellikle yarıiletkenlerde TL ışımasının yüzey tuzaklarından (surface state) meydana geldiğini ve parçacık boyutun azalması ile yüzey/hacim oranın artığı için yüzey tuzaklarının sayısının da artacağı ve bu nedenle TL ışınım şiddetinin artabileceğini düşünülmektedir. Oksijen iyonlarının yoğun miktarda yüzey tuzakları oluşturması sonucu özellikle tavlama sonucu yada kristal büyütme esnasında yüzey tuzaklarının sayısı artmaktadır ve bu nedenle TL ışıma şiddetinin arttığı düşünülmektedir.

34 SONUÇ-2 Nanokristal malzemelerde kristal alan etkisinin (crystal field effects (strength)) azalması nedeni ile malzemenin bant aralığında artışa neden olduğu bilinmektedir. Bir başka ifade ile nanomateryallerde yasak bant aralığının artması tuzak derinliklerinin mikrokristallere göre daha farklı olmasına neden olmaktadır. TL tuzaklama ve birleşme mekanizması yasak bant aralığındaki değişikliklere son derece bağımlıdır. Çoğu nanomateriyallerde oluşan tuzaklar daha sığ (derinliği daha az) olduğu görülmüştür. Bu nedenle de parçacık boyutu küçüldükçe daha düşük sıcaklıklarda yeni ışıldama pikleri oluşabilir. Yüksek dozlara ışıldama piklerinin doyuma ulaşması (saturation) TL çalışmalarında istenmeyen bir davranıştır. Yapılan TL çalışmalarında parçacık boyutları mikrometre boyutlarında olan geleneksel dozimetrelerin ışıldama pikleri daha düşük dozlarda doyuma ulaşmasına rağmen, parçacık boyutu nanometre boyutlarında geliştirilen dozimetrelerin ışıldama pikleri daha yüksek dozlara kadar doğrusallığını devam ettirmektedirler. Geleneksel TL dozimetrelerde doz cevap ilişkisi daha sınırlı bölgede doğrusallık göstermesine rağmen, parçacık boyutu nanometre mertebesinde olan dozimetrelerin doz cevap ilişkisi daha geniş bölgede doğrusaldır. Bu durumda parçacık boyutu nanometre boyutunda olan dozimetrik materyallerin yüksek doz dozimetresi olarak kullanılabileceğine işaret etmektedir. Nanometre boyutlarında geliştirilen bu tür malzemelerin bu olağandışı davranışı track interaction modeli (TIM) ile açıklanabilir.

35 SONUÇ-3 Hızlı ağır iyonlar tarafından ışınlanan TL dozimetrelerin TL özelliklerinin X- yada gamma ışınları ile ışınlanan dozimetrelerden farklı olduğu bilinmektedir. Kanser tedavilerinde hızlı ağır iyonlar, geleneksel X- yada gama ışınlarının yerine kullanılmasının birçok avantajları olduğu bilinmektedir. Bu nedenle artık birçok gelişmiş radyoterapi merkezinde hızlı ağır iyonlar kanser tedavisinde daha yayın kullanılmaya başlanmıştır. Hızlı ağır iyonlar ile ne kadar doz uygulandığını önceden bilmek oldukça önemlidir. Bunun için yine TL dozimetreler kullanılır. Fakat özellikle ağır iyonlar ile ışınlanan geleneksel TL dozimetreler çok çabuk doyuma ulaşırlar. Bu nedenle bu dozimetreler ile yüksek doz ölçümleri sağlıklı yapılamaz. Yüksek dozlarda doyum etkisinin iyon izlerinin (ion tracks) üst üste binmesinden kaynaklandığı düşünülmektedir.

36 SONUÇ-4 Parçacık boyutu nanometre boyutlarındaki dozimetrelerin TL ışıldama eğrilerinin daha geç doyuma ulaşmasından yola çıkılarak N.Salah ve arkadaşları yaptıkları çalışmalar ile hızlı ağır iyonlar ile ışınlanan parçacık boyutu nanometre mertebesinde olan TL dozimetrik materyallerin parçacık boyutu mikrometre mertebesinde olan geleneksel TL dozimetrelerden daha iyi ağır iyon dozimetresi olarak kullanılabileceğini göstermişlerdir. Buna rağmen nanometre boyutundaki TL dozimetrelerin TL ışıldama şiddetinin hızlı ağır iyonların atom numarası arttıkça (örneğin Li 3+ O 7+ ) azaldığı görülmüştür. Bunun nedeni atom numarası arttıkça, iyonun malzeme içine giriciliğinin azalmasından daha düşük TL ışıması verdiği düşünülmektedir. Yani daha hafif iyonlar ile ışınlanan nanometrik dozimetrelerin doz cevap ilişkisi çok daha yüksek dozlara kadar doğrusal olarak devam etmektedir. Ağır iyonlar nanometre boyutlarındaki dozimetrelerde daha derinlere nüfuz edebilmelerine rağmen parçacık boyutu mikrometre boyutlarında olan dozimetrelerde iyon daha ziyade yüzey ışınlanmasına neden olmaktadır. Bu nedenle daha çok malzemenin yüzeyinde iyonlaşma meydana gelip bu iyon izlerinin (bölgelerinin) dalga fonksiyonları daha çabuk üst üste bindiği için malzeme daha hızlı doyuma ulaşmaktadır.

37 TEŞEKKÜRLER