Radyasyon zırhlama için yeni, hafif, kompozit malzemeler
New, lightweight, composite materials for radiation shielding
Yazar: ASLI ARAZ
Danışman: PROF. DR. RIDVAN DURAK
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Amaç: Bu çalışmada, farklı kalınlık ve gözenek boyutuna sahip açık hücreli alüminyum köpüklerin çeşitli katkı maddeleriyle (epoksi, B2O3, CaO, CeO2, TeO2, BaO, Cr2O3, WO3, Bi2O3, TiO2, 316L paslanmaz çelik) doldurulmasıyla elde edilen yeni kompozit malzemelerin gama, X-ışını ve nötron zırh malzemesi olarak kullanılabilirliğinin incelenmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Bu çalışmanın ölçümleri farklı üç deney sisteminde gerçekleştirilmiştir. Gama ölçümleri için Ultra Ge dedektörü kullanılmıştır ve 241Am, 133Ba ve 137Cs radyoaktif kaynaklarıyla numuneler bombardıman edilmiştir. X-ışını ölçümleri için lineer hızlandırıcı kullanılarak 6 MV (~2 MeV)'lik foton enerjisi için ölçümler yapılmıştır. Nötron ölçümleri için BF3 gazlı nötron dedektörü ve 241Am-Be nötron kaynağı kullanılmıştır.
Bulgular: Gama ölçümlerinden elde edilen deneysel verilerle numunelerin kütle azaltma katsayıları hesaplanıp, WinXCOM programıyla bulunan teorik değerleriyle karşılaştırılmıştır. Ayrıca, 6 MV'lik X-ışınları için lineer ve kütle azaltma katsayı değerleri deneysel olarak elde edilmiştir. Numunelerin kütle azaltma katsayıları kullanılarak yarı değer kalınlık, etkin atom numarası ve elektron yoğunluğu parametreleri hesaplanmıştır. Ayrıca 0,015-15 MeV enerji aralığında enerji soğurma (EABF) ve maruziyet (EBF) buildup faktörleri 40 ortalama serbest yol (MFP)'ye kadar hesaplanmıştır. Numunelerin hızlı nötronlara karşı koruma potansiyeli, eşdeğer doz ölçümleri (EAD) yapılarak ve makroskopik tesir kesiti değerleri hesaplanarak değerlendirilmiştir.
Sonuç: Farklı kalınlık ve gözenek boyutlarına sahip metal köpüklerin nükleer radyasyon zırhlama kabiliyetleri değerlendirildiğinde, yüksek oranda CeO2, TeO2, Bi2O3, WO3 ve paslanmaz çelik içeriği bulunan numunelerin hem gama ve X-ışını hem de nötron zırhlama noktasında daha kabiliyetli olduğu gözlemlendi. Ayrıca aynı epoksi karışımıyla doldurulan metal köpüklerden, kalınlığı ve gözenek boyutu daha küçük olanların radyasyon soğurma kabiliyetlerinin daha iyi olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Purpose: In this study, it is aimed to investigate the usability as gamma, X-ray, and neutron shielding material of new composite materials, which are open-cell aluminum foams with different thicknesses and pore sizes, obtained by filling with various additives.
Method: The measurements of this study were carried out in three different experimental systems. Ultra Ge detector was used for gamma measurements and the samples were bombarded with 241Am, 133Ba, and 137Cs radioactive sources. Measurements were made for photon energy of 6 MV (~ 2 MeV) using a linear accelerator for X-ray measurements. BF3 gas neutron detector and 241Am-Be neutron source were used for neutron measurements.
Findings: The mass attenuation coefficients of the samples were calculated with experimental data obtained from the gamma measurements and compared with the theoretical values found with the WinXCOM program. In addition, LAC and MAC values for 6 MV (~ 2 MeV) X-rays were acquired experimentally. Half-value layer (HVL), effective atomic number and electron density parameters were calculated employing the mass attenuation coefficients of the samples. Moreover, energy absorption (EABF) and exposure (EBF) buildup factors in the energy range of 0.015-15 MeV were computed up to 40 mean free path (MFP). The shielding potential of the samples against fast neutrons was assessed by performing equivalent dose measurements (EAD) and calculating macroscopic cross section values.
Results: When nuclear radiation shielding capabilities of metal foams with different thicknesses and pore sizes were evaluated, it was observed that samples with high CeO2, TeO2, Bi2O3, WO3, and stainless steel content were more capable of both gamma and X-ray and neutron shielding. It was also concluded that among the metal foams filled with the same epoxy mixtures, those with smaller thickness and pore size had better radiation absorption capabilities.