Çukurova Üniversitesi BOR MİNERALİNİN DOZİMETRİK ÖZELLİKLERİNİN ÇALIŞILMASI Mehmet YÜKSEL Fizik Anabilim Dalı Doktora Öğrencisi
Bor ve Bor Mineralleri Deneysel Çalışmalar Termolüminesans Yöntemi İÇERİK Kristal Kusurları Dozimetreler Band Modeli 1/45
BOR ve BOR MİNERALLERİ Temel ve Fiziksel Özellikler Kimyasal sembol: B Periyodik cetvel: 3A grubu, [1s²2s²2p¹] Atom numarası: 5 Kütle numarası: 10.81 g/mol Yoğunluk: 2.34 g/cm³ Erime noktası: 2076 ºC Kaynama noktası: 3927 ºC Yarı metaldir. (Metaloid) 2/45
BOR ve BOR MİNERALLERİ Dünya nın kabuğunda düşük miktarda bulunur. Doğada element olarak bulunmaz. Alkali boratlar ya da borik asit gibi çok değişik bileşikler halinde bulunur. Kolemanit, Üleksit, Borik asit, Boraks, Kernit. Lazorit vb. Ticari olarak çok önemli bir elementtir. 3/45
Dünya Bor Rezervleri %72.1 i Türkiye de, % 8.4 ü Rusya da, %6.7 si ABD de %12.8 i Çin, Şili, Peru, Bolivya,Sırbistan, Arjantin vb. ülkelerde bulunmaktadır(eti Maden, 2010). Mineral Formülü % B 2 O 3 Bulunduğu Yer Boraks (Tinkal) Na 2 B 4 O 7 10H 2 O 36.60 Türkiye, ABD, Arjantin Kernit (Razorit) Na 2 B 4 O 7 4H 2 O 51.00 Türkiye, ABD, Arjantin Üleksit NaCaB 5 O 9 8H 2 O 43.00 Türkiye, ABD, Arjantin, Şili Probertit NaCaB 5 O 9 5H 2 O 49.60 Türkiye, ABD Kolemanit Ca 2 B 6 O 11 5H 2 O 50.80 Türkiye, ABD Pandermit Ca 4 B 10 O 19 7H 2 O 49.80 Türkiye Borasit Mg 3 B 7 O 13 Cl 62.20 Almanya Szaybelit MgBO 2 (OH) 41.40 Kazakistan, Çin 4/45
Türkiye Bor Rezervleri Eskişehir (Kırka) Boraks (Tinkal-Na 2 B 4 O 7 10H 2 O), Kalsine Tinkal Etibor-48 (Na 2 B 4 O 7 5H 2 O) Etibor-68 (Susuz Boraks-Na 2 B 4 O 7 ) Kütahya (Emet) Kolemanit (2CaO.3B 2 O 3 5H 2 O), Borik asit (H 3 BO 3 ) Balıkesir (Bigadiç, Bandırma) Üleksit (NaCaB 5 O 9 8H 2 O), Kolemanit, Borik asit, Boraks Boron oksit (B 2 O 3 ), Etidot-67 (Na 2 B 8 O 13 4H 2 O) 5/45
Türkiye Bor Rezervleri Bor Elementi Kolemanit Boraks Üleksit 6/45
Bor Minerallerinin Kullanım Alanları Cam Cam yünü, Cam elyaf, Panel ekranlar, Solar tüpler Laboratuvar ekipmanları Seramik Frit, Sır vb. ürünler Temizlik ürünleri Deterjan vb. ürünler Tarım sektörü Gübre, Böcek öldürücü, Ahşap koruma Diğer Uzay, Hava araçları, Nükleer uygulamalar, Askeri araçlar, Matalurji vb. alanlar. 7/45
Materyal Etibor-68 (Susuz Boraks) Susuz Boraks: Na 2 B 4 O 7 Eskişehir ili Seyitgazi ilçesi Kırka Beldesi Kırka Bor İşletmesi Müdürlüğü 8/45
Materyal Üleksit, Kolemanit Üleksit:NaCaB 5 O 9 8H 2 O Kolemanit: 2CaO.3B 2 O 3 5H 2 O Balıkesir, Bigadiç ilçesi Bigadiç Bor İşletmesi Müdürlüğü 9/45
KRİSTAL KUSURLARI Noktasal kusurlar Frenkel kusurları, Schottky kusuru Yerini Alma, Safsızlık Çizgisel kusurlar Düzlemsel kusurlar Hacimsel kusurlar 10/45
KRİSTAL KUSURLARI Frenkel kusurları Noktasal kusurlar 11/45
KRİSTAL KUSURLARI Schottky kusuru Noktasal kusurlar 12/45
KRİSTAL KUSURLARI Yerini alma kusuru Noktasal kusurlar 13/45
KRİSTAL KUSURLARI Safsızlık kusuru Noktasal kusurlar 14/45
KRİSTAL KUSURLARI Kayma kusuru Çizgisel kusurlar 15/45
KRİSTAL KUSURLARI Düzlemsel (Tane sınırları) kusurlar 16/45
KRİSTAL KUSURLARI Hacimsel kusurlar 17/45
DOZİMETRELER Canlı bir organizmanın ya da bir materyalin maruz kaldığı radyasyon dozunu belirlemeye yarayan ölçü aletlerine Dozimetre adı verilir. Dozimetre çeşitleri Film dozimetreler Termolüminesans dozimetreler Gazlı sayaçlar İyonizasyon odaları, Orantılı sayıcılar, Geiger Müller sayıcıları Sintilasyon dedektörleri 18/45
DOZİMETRELER Dozimetrelerin Kullanım Alanları 19/45
Termolüminesans Dozimetreler Doku eşdeğeri olarak bilinen ve en çok kullanılan dozimetrelerdir. (Özellikle TLD-100, Lityum fluorit) Radyasyona maruz kalan TLD ler absorbe ettiği enerjiyi ısı uygulanana kadar depo eder. Doz ölçümü bittikten sonra tekrar kullanılabilmektedir. Toplam doz hesabında ve personelin maruz kaldığı dozun takibinde kullanılabilmektedir. Küçük bir parça ya da toz şeklinde muhafaza edilir. 20/45
Termolüminesans Dozimetreler Vücut boşluklarına yerleştirilebildiklerinden radyoterapide ya da araştırmalarda rahatlıkla kullanılabilmektedirler. Film dozimetrelere göre daha uzun süreli kullanılabilip daha duyarlıdırlar. 5 mrem e kadar düşük dozlar hesaplanabilmektedir. TLD-100 çipleri 21/45
Termolüminesans Dozimetreler TLD lerin kullanımı 22/45
BAND MODELİ a) Yalıtkan b) Yarı iletken c) İletken 23/45
TERMOLÜMİNESANS (TL) YÖNTEMİ Bazı yalıtkan ve yarı iletken maddeler ısıtıldıkları zaman ışıma yaparlar. Bu fiziksel olaya ıstma ile ışıma anlamına gelen Termolüminesans denilmektedir. Termolüminesans teoremi ilk kez 1664 yılında Robert Boyle tarafından gözlenmiştir. Teknolojik gelişmelerle birlikte kullanımı zamanla artmıştır. Dozimetrik ölçüm ve arkeolojik yaş tayini gibi birçok alanda başarılı bir şekilde uygulanmaktadır. 24/45
TERMOLÜMİNESANS (TL) YÖNTEMİ Tuzaklanmış elektronların boşalması 25/45
TERMOLÜMİNESANS (TL) YÖNTEMİ 1. evre 2. evre tuzak Işıma Şiddeti Lüminesans merkezi Sıcaklık ( C) 26/45
Termolüminesans Ölçüm Sistemi Riso TL/OSL Model Da-20 okuyucu kullanıldı. Beta kaynağı: 90 Sr 90 Y Kaynak maksimum 2.27 MeV luk Beta parçacıkları yaymaktadır. Kaynağın yarılanma ömrü 30 yıldır. Kaynağın doz soğurma oranı, 6.689 Gy/dakika dır. 27/45
DENEYSEL ÇALIŞMALAR XRD analizleri, Diferansiyel Termal Analiz (DTA), TL hassasiyetlerinin karşılaştırılması, Tekrarlanabilirlik, Doz cevabının belirlenmesi, Isıtma oranı deneyleri, Dozimetrik tepelerin ayrıştırılması Computer Glow Curve Deconvolution (CGCD) Tmax-Tstop Ön ısıtma deneyleri 28/45
Örneklerin Hazırlanması Üleksit, Kolemanit ve Susuz Boraks örnekleri Agat havanda kırıldı. Toz örnekler, eleklerle elenerek 90-140 μ aralığında elde edildi. Toz örnekler ~30 mg olacak şekilde hassas terazi ile tartılıp kenarlıklı disklere yerleştirildi. Örnekler deney öncesinde XRD sonuçları göz önüne alınarak 1 saat tavlanmıştır. Deneylerde 4 er adet örnek kullanılmıştır. 29/45
Deneysel Standartlar Deneylerde 90-140 μ arası elenmiş toz örnekler kullanıldı. Örnekler ~30 mg olacak şekilde tartılıp hazırlandı. Yapılan tüm TL okumaları 2ºC/s lik ısıtma oranı kullanılarak yapıldı. TL okumaları 450ºC ye kadar gerçekleştirildi. 30/45
XRD Analizleri 2000 1800 1600 Tavlanmamış Na 2 B 4 O 7 4500 4000 3500 1Saat Tavlanmış Na 2 B 4 O 7 5000 4000 2 Saat Tavlanmış Na 2 B 4 O 7 1400 3000 Şiddet (a.u.) 1200 1000 800 600 400 Şiddet (a.u.) 2500 2000 1500 1000 Şiddet (a.u.) 3000 2000 1000 200 20 30 40 50 60 70 80 2 Teta 500 10 20 30 40 50 60 70 80 90 2 Teta 0 20 30 40 50 60 2 Teta Tavlanmamış, 500ºC de 1 saat tavlanmış, 500ºC de 2 saat tavlanmış Susuz boraks (Na 2 B 4 O 7 ) örneklerinin XRD sonuçları 31/45
Diferansiyel Termal Analiz (DTA) 0-10 Na 2 B 4 O 7-20 -30 Ağırlık (%) -40-50 -60-70 -80-90 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 Örnek Sıcaklığı ( o C) Dehidrasyon: 125ºC civarında endotermik reaksiyon tepesi (Tabakalar arası su çıkışı) Dehidroksilasyon: 460ºC civarında endotermik reaksiyon tepesi (Kristal yapı suyunun çıkışı) 750ºC civarında ekzotermik reaksiyon tepesi (Yeni mineral faz oluşumu) 32/45
TL Hassasiyetlerinin Karşılaştırılması 160000 140000 120000 Kolemanit Üleksit Susuz Boraks TL Şiddeti (a.u.) 100000 80000 60000 40000 20000 0 0 100 200 300 400 Sıcaklık ( o C) Tavlama: 500ºC de 30 dakika, Beta Dozu: ~14 Gy 100 ºC civarında ışıma tepelerine sahip olan örneklerden susuz boraksın TL hassasiyetinin daha yüksek olduğu görülmektedir. 33/45
Tekrarlanabilirlik 20000 Çevrim Sayısı:10 1,4 TL Şiddeti (a.u.) 15000 10000 5000 Normalize Edilmiş Tepe Yükseklikleri 1,2 1,0 0,8 0,6 0 0 100 200 300 400 500 Sıcaklık ( o C) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Çevrim Sayısı 30 mg lık susuz boraks örneklerine ~14 Gy beta dozu verilerek TL okuması yapılmış ve bu işlem 10 defa tekrarlanaraka TL ışıma tepeleri elde edilmiştir. TL hassasiyetlerindeki sapma: ±%2.6 34/45
Doz Cevabının Belirlenmesi 400000 TL Şiddeti (a.u.) 35000 30000 25000 20000 15000 10000 1.78373 Gy 3.56747 Gy 6.689 Gy 13.378 Gy 26.756 Gy TL Şiddeti (a.u.) 350000 300000 250000 200000 150000 100000 100.335 Gy 200.67 Gy 301.005 Gy 401.34 Gy 5000 50000 0 0 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) ~11 cgy ile 9632 Gy arasında β dozu verilerek elde edilen TL ışıma eğrilerinden seçilen grafikler. 35/45
Doz Cevabının Belirlenmesi TL Şiddeti (a.u.) 2200000 2000000 1800000 1600000 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0-200000 401.34 Gy 802.68 Gy 1605.36 Gy 3210.72 Gy 4816.08 Gy 0 100 200 300 400 500 Sıcaklık ( o C) TL Şiddeti (a.u.) 2600000 2400000 2200000 2000000 1800000 1600000 1400000 1200000 1000000 800000 600000 400000 200000 0-200000 1605.36 Gy 3210.72 Gy 4816.08 Gy 9632.16 Gy 0 100 200 300 400 500 Sıcaklık ( o C) ~11 cgy ile ~9.632 kgy arasında β dozu verilerek elde edilen TL ışıma eğrilerinden seçilen grafikler. 36/45
Doz Cevabının Belirlenmesi 10 TL Şiddeti (a.u.) 1E9 1E8 1E7 1000000 100000 10000 1000 100 Tepe Alan 10 0,01 0,1 1 10 100 1000 10000 100000 Soğurulan Doz Miktarı (Gy) Normalize Edilmiş Doz-Cevap Fonksiyonu f(d) 1 0,1 1 10 100 1000 10000 Soğurulan Doz Miktarı (Gy) Susuz boraks örneklerine ait doz-cevap eğrileri. Örneklerin 11 cgy ile 200 Gy arasında lineer doz-cevap eğrilerine sahip olduğu görülüyor. 37/45
Doz Cevabının Belirlenmesi 40000 Yüksek Doz Sonrası (C) Yüksek Doz Öncesi (A) 30000 Verilen Doz=30 Gy Yüksek Doz= 9632 Gy TL Şiddeti (a.u.) 20000 10000 0 0 100 200 300 400 500 Sıcaklık ( o C) A. ~30 Gy doz verilip elde edilen TL eğrisi (ilk ölçüm) C. 9632 Gy doz verilip yapılan TL ölçümünden sonraki ~30 Gy doz verilip elde edilen TL eğrisi (ikinci ölçüm) 38/45
Isıtma Oranı Deneyleri 50000 TL Şiddeti (a.u.) 40000 30000 20000 10000 1 o C/s 2 o C/s 3 o C/s 4 o C/s 5 o C/s TL Şiddeti (a.u.) 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 6 o C/s 7 o C/s 8 o C/s 9 o C/s 10 o C/s 5000 0 0 Normalize Edilmiş Tepe Yükseklik Şiddeti (a.u.) 0 100 200 300 400 500 Sıcaklık ( o C) 1,0 0,9 0,8 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Isıtma Oranı ( o C/s) -5000 0 100 200 300 400 500 Sıcaklık ( o C) 1-10ºC/s arasında farklı ısıtma oranları kullanılarak elde edilen TL ışıma eğrileri Isıtma oranlarının tepe yüksekliklerine etkisi 39/45
Dozimetrik Tepelerin Ayrıştırılması TL Şiddeti (a.u.) 45000 40000 35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 Tepe1 Tepe2 Toplam 0 50 100 150 200 250 300 350 Sıcaklık ( o C) E(eV) s''(1/s) T1 (81ºC) 0.78 2.1e+12 T2 (106ºC) 1.17 7.5e+14 ----------------------------------- Verilen doz: 30 Gy Sapma: % 2.5 FOM=1.78 Lineer doz cevap aralığında (~30 Gy) elde edilen ayrıştırılmış tepeler 40/45
Dozimetrik Tepelerin Ayrıştırılması TL Şiddeti (a.u.) 260000 240000 220000 200000 180000 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0-20000 0 50 100 150 200 250 300 350 Sıcaklık ( o C) Tepe1 Tepe2 Tepe3 Toplam Yüksek dozlarda (~9632 Gy) elde edilen ayrıştırılmış tepeler. E(eV) s''(1/s) T1 (124ºC) 0.78 9.9e+8 T2 (158ºC) 1.00 5.7e+10 T3 (268ºC) 1.21 1.6e+10 ----------------------------------- Verilen doz: 9632 Gy Sapma: % 1.3 FOM=0.86 41/45
Dozimetrik Tepelerin Ayrıştırılması 400 350 300 250 270 o C T m ( o C) 200 150 165 o C 100 100 o C 120 o C 40000 50 50 100 150 200 250 300 350 400 T stop ( o C) TL Şiddeti (a.u.) 30000 20000 10000 40 o C-110 o C, +5 o C artış Verilen doz ~30 Gy Isıtma oranı 2ºC/s 0 0 100 200 300 400 500 Sıcaklık ( o C) 42/45
Ön Isıtma Deneyleri 5500 50000 5000 TL Şiddeti (a.u.) 40000 30000 20000 40 o C-110 o C +10 o C artış TL Şiddeti (a.u.) 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 120 o C-200 o C +10 o C artış 10000 1000 500 0 0 100 200 300 400 500 0 0 100 200 300 400 500 Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) ~30 Gy doz verildikten sonra 40ºC den 200ºC ye kadar 10ºC lik artışlarla ön ısıtma yapılarak elde edilen TL ışıma eğrileri. 43/45
KAYNAKLAR ETİ Maden İşletmeleri Genel Müdürlüğü (www.etimaden.gov.tr) BOREN (Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü- www.boren.gov.tr) McKeever, S.W.S., Moscovitch, M., Townsend, P.D., 1995. Thermoluminescence Dosimetry Materials: Properties and Uses. Nuclear Technology Publishing, Ashford, UK. McKeever, SWS., 1988. Thermoluminescence of Solids. Cambridge University Press, UK. Krane, K.S., 2001. Nükleer Fizik, Palme Yayıncılık, Ankara. Furetta, C., Weng, P.S., 1998. Operational Thermoluminescence Dosimetry, World Scientific. Aitken, M.J., 1985. Thermoluminescence Dating, Academic Press. 44/45
TEŞEKKÜRLER 45/45