LÜMİNESANS MATERYALLER Temel Prensipler, Uygulama Alanları, Işıldama Eğrisi Özellikleri Prof. Dr. Niyazi MERİÇ Ankara. Üniversitesi Nükleer Bilimler Enstitüsü meric@ankara.edu.tr
Enerji seviyeleri Pauli exclusion kuralı: 2 tane elektron yörünge içerisinde aynı yerde bulunamaz.her bir yörünge birbirinin tersi spine sahip iki elektrona sahiptir. Bir Na atomu 3s yörüngede bir elektrona sahiptir. 4 adet Na atomunda 4 elektron Pauli prensibine göre aynı yörüngede bulunamaz. Bu nedenle 3s yörüngeleri arasında hafif seviye farkı vardır. Aynı zamanda delokolize olan bu 4 elektron çok hareketlidir ve 4 farklı Na atomları tarafından paylaşılır. Bu elektronlar aynı zamanda Na atomlarını bir arada tutacak bir bağ oluştururlar. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 2
Bu komşu yarı dolu 3s yörüngeleri arasındaki mesafe çok küçüktür ve bir enerji bandı (valans bandı) oluştururlar. Bu bant içerisindeki yüksek hareketliliğe sahip bu elektronlar valans elektronları olarak adlandırılırlar ve elektron bulutu oluşturarak katı malzeme içerisinde sürekli hareket edebilirler. Sonuç olarak bu yapıya sahip olan metallerin elektrik iletkenlikleri yüksektir. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 3
Fermi enerji seviyeleri 0 o K sıcaklıkta valans bandının sahip olabileceği en yüksek enerji Fermi seviyesi olarak adlandırılır. 0 o K de Ef in üzerinde enerjiye sahip elektron bulunmadığı için malzeme iletken değildir.bu nedenle belli bir seviyede, ısı gibi, dış enerjiye ihtiyaç vardır. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 4
Elmas gibi kovalent bağa sahip malzemelerde elektronların valans bantından iletkenlik bantına geçmesi için yenmeleri gereken bir enerji aralığı (Eg) söz konusudur. ~6eV Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 5
Yalıtkanlar E g si 5 ev dan daha büyük (cam, tahta, porselen ) malzemelerdir. Bant aralığının büyüklüğü yalıtkanlarla yarıiletkenler arasındaki farkı belirler. Yalıtkanlarda termal uyarma işlemi erime sıcaklığına gelinse dahi bir elektronu iletkenlik bandına transfer etmek için yetmez. Yine çok yüksek E bile elektronu iletkenlik bandına transfer edemez. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 6
Yalıtkanlar 0K de alt bandı tamamen elektronlarla dolu, üst bandı tamamen boştur. Yalıtkanların enerji aralığı büyüktür( 5 10eV ). Oda sıcaklığındaki kt değeri (=0,025eV) ile yalıtkanın enerji aralığı karşılaştırıldığında oldukça küçüktür. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 7
Yarıiletkenler Enerji aralığı 1eV mertebesindedir. T=0K de bütün elektronlar değerlik(valans) bandındadır ve iletim bandında hiç elektron yoktur. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 8
Metaller İletkenlik ve değerlik bantları arasında aralık yoktur. İletkenlik bandı ile değerlik bandı bitişik ya da içiçe geçmiş şekildedir. Isıyı ve elektriği çok iyi iletirler. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 9
Enerji Band Modeli E Yalıtkan Yarıiletken İletken Eg=3-10eV Eg=1eV Eg=0 Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 10
Belli bir sıcaklıkta küçük E değerli merkez, büyük E değerli merkezden tuzak almaya daha yatkındır. Bu nedenle yeniden birleşme merkezleri yasak band aralığının ortalarına doğru yer alırken, elektron ve hol tuzakları kıyılara daha yakındır. Ayrıca belli bir sıcaklıkta tuzak olan merkez, düşük sıcaklıkta yeniden birleşme merkezi gibi davranabilir. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 11
Elektron tuzakları için; iii. Geçişinin olasılığı, iv. Geçiş olasılığından büyük ise, bu enerji seviyesine TUZAK denir. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 12
Lüminesans Lüminesans (Işıldama); kuvars, elmas, kalsit ve feldispar gibi iletken olmayan birçok kristal yapıdaki mineralin dışarıya görünür bölgede ışık (foton) yayması olayıdır. Bu tür malzemelere lüminesans malzeme veya fosfor malzeme olarak adlandırılır. Lüminesansın, kara cisim (fon) ışımasından temel farkı, lüminesans için mineralin öncelikle dış bir kaynaktan (örneğin radyasyondan) enerji alması ve aldığı enerjinin bir kısmını elektromanyetik ışınım olarak salması gereklidir. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 13
Malzeme yalıtkan veya yarıiletken olmalı, metaller lüminesans olayı göstermezler. Malzeme iyonize radyasyon kaynağı ile ışınlanırken yeterince enerji soğurmalıdır. Bir TL malzemede okunduktan sonra ışınlanmadan tekrar okunursa ikinci bir kez ışık yayma olayı gözlenmez. TL malzemeden tekrar ışık yayılması için bu malzemenin her okunma sonrası tekrar iyonize radyasyon kaynağı ile ışınlanması gereklidir. TL malzemenin radyasyon enerjisini soğurma kabiliyeti onun dozimetrik uygulamalarda kullanımını belirleyen en önemli parametrelerden biridir. TL olayında ışıma ısı ile tetiklenir. TL olayı için Genelde yüksek sıcaklıklarda (T>400 C); katı malzemeler ısıtılma esnasında kızıl ötesi ışık yaymaya başlarlar. Bu olay kara cisim ışıması olayı olarak bilinir ve TL olayı ile karıştırmamak gerekir. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 14
Elektron tuzağında tuzaklanmış bir elektronun bu tuzaktan birim zamanda kurtulma olasılığı Arrhenius denklemi ile açıklanır. Denk.1 burada p birim zamanda kurtulma olasılığı, s frekans faktörü veya tuzaktan kaçmaya girişim faktörü, T sıcaklık ve E aktivasyon enerjisi (tuzak derinliği) olarak ifade edilir. Genelde, s sıcaklıktan bağımsız örgü titreşim frekans mertebelerinde 10 12-10 14 s 1 bir sabit olarak ele alınır. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 15
Şayet tuzak derinliği E>>k T 0 ise (T 0 ışınlama sıcaklığı genelde oda sıcaklığı), tuzaklanmış bir elektron oldukça uzun süre burada kalır. Bu nedenle ışınlama sonrası elektron tuzaklarında tuzaklanmış çok sayıda elektron oluşur. Sığ tuzaklar daha az enerji ile boşalır Derin tuzakları boşaltmak için daha fazla enerji vermek gerekir. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 16
Elektronların tuzaktan kurtulması için malzemenin sıcaklığını ışınlama sıcaklığının üstüne çıkarmak (T> T 0 ) gereklidir. Malzemenin sıcaklığı arttıkça, elektronların tuzaktan kurtulma olasılığı artacak ve tuzaklanmış elektronlar tekrar iletkenlik bandına geçeceklerdir. İletkenlik bandına geçmiş elektronlar, burada bir birleşme merkezindeki boşluklar ile birleşene kadar hareketlidirler. Birleşme merkezleri, lüminesans merkezleri olarak da adlandırılır ve lüminesans merkezlerinin uyarılmış seviyesine geçen elektronlar buradan taban seviyesine geçerek deşik ile birleşmesi sonucu dışarıya hv gibi bir foton yani ışık yayarlar. Bu olay TL olarak adlandırılır. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 17
Şekil: Oda sıcaklığında 50 Gy doz uygulanmış doğal kuvars kristalinin ışıldama eğrisinin CGCD proğramı ile analiz edilmiş hali. β = 5 C s 1. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 18
TERMOLÜMİNESANS DOZİMETRE (TLD),x ýþýnlarý ÝLETKENLÝK BANDI ÝLETKENLÝK BANDI ÝLETKENLÝK BANDI YASAK ENERJÝBÖLGESÝ ELEKTRON TUZAKLARI HOL TUZAKLARI E TL FOTONU VALANS BAND VALANS BAND VALANS BAND ( a ) ( b ) ( c ) (a) Tek kristal yapıya sahip katının enerji band diyagramı. (b) Radyasyon ile uyarılan kristalde oluşan serbest elektronlar ve hollerin tuzaklanması. (c) Isıtma sonucu yeterli termal enerji alan tuzaklanmış elektronların daha düşük enerji urumlarına dönmeleri halinde ışık fotonu yayınlanması Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 19
TLD DOZİMETRİLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ Fototüp DOZ x-ışınları ışık TLD ısı Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 20
TL SİSTEMİ Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 21
Riso TL/OSL sistemi ELSEC, 9010 OSL sistemi Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 22
1. pikin yarı ömrü on dakikadır. 2. pikin yarı ömrü on saat, 3. pikin yarı ömrü altı ay 4. pikin yarı ömrü yedi yıl 5. pikin yarı ömrü seksen yıldır. 190 0 5 4 IÞIK YAYINIMI ( TL ) 105 0 2 3 1 0 8 16 24 ZAMAN ( sn ) Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 23
LiF 100 Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 24
TLD okuyucusunun zaman-sıcaklık değerlerine göre davranışı SICAKLIK ( 0 C ) 400 0 C 300 0 C 100 0 C TAVLAMA SICAKLIÐI MAKSÝMUM SICAKLIK ISITMA HIZI (10 0 C/sn) ORTAM SICAKLIÐI ÖN TAVLAMA OKUMA TAVLAMA SOÐUMA 12 sn 30 sn 3600 sn 1200 sn ZAMAN Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 25
TLD fosforlarının kalibrasyonu 1) 2) x-ışınları Kaynağı 3) x-ışınları Kaynağı R R D H = 0.873. X (Rad) TLD = A (nc) x-ışınları Kaynağı 4) 5) A (nc) D H (Rad) R Y (nc) D (Rad) TLD = Y (nc) D D ( Rad)* Y( nc) H ( Rad) A(nc) Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 26
OSL sistemi TL/OSL okuyucularda kullanılan filtreler Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 27
Termolüminesansın Uygulama Alanları Termolüminesansın Uygulama Alanları Arkeloji Jeloji Katıhal Fiziği Bioloji Radyasyon Dozimetreleri Biokimya Uzay bilimleri Spektroskopik Analizler TL-Photography Tıp Bilimleri Dünya yüzeyinden Radyoaktiv malzemenin analizinde Petrol ürünlerinin analizinde Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 28
Teşekkürler... Prof. Dr. Niyazi MERİÇ Ankara. Üniversitesi Nükleer Bilimler Enstitüsü meric@ankara.edu.tr Prof. Dr. Niyazi MERİÇ 29