Farklı metallerle güçlendirilmiş barit tabanlı polimer kompozitlerin belirli gama enerjilerinde zırhlama özelliklerinin incelenmesi
Investigation of shi̇eldi̇ng properties of barite-based polymer composites reinforced with different metals at certain gamma energies
Yazar: HATİCE GÜREL ÖZDEMİR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA RECEP KAÇAL ; PROF. DR. FERDİ AKMAN
Giresun Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Radyasyon fiziği = Radiation physics

Özet:
Bu çalışmada; barit tabanlı ve ağırlıkça farklı oranlarda molibden (Mo), kalay (Sn), çinko (Zn), bizmut (Bi) veya demir (Fe) metalleri ile güçlendirilmiş üçlü polimer kompozit malzemeler hazırlanmış ve hazırlanan üçlü polimer kompozit malzemelerin gama ışını zırhlama özellikleri incelenmiştir. 
Üçlü polimer kompozit malzemeler hazırlanırken ilk olarak ortaftalik doymamış polyester reçine (OUP, C16O7H14, d=1,12g/cm3), Metil Etil Keton Peroksit (MEKP, C8O6H18, d=1,17 g/cm3) ve %6'lık Kobalt Oktoat (Co-6, CoC16H30O4 d= 0,885g/cm3) karıştırılarak polimer reçine matrisi elde edilmiştir. Polimer matrikse Barit (BaSO4), Mo, Sn, Zn, Bi veya Fe faz malzemeleri ağırlıkça %0 ile %50 arasında değişen ağırlık yüzdelerinde ilave edilerek üçlü polimer kompozit malzemeler hazırlanmıştır. Üretilen kompozitlerde baritin ağırlıkça yüzdesi kadar Mo, Sn, Zn, Bi veya Fe metalleri ile yer değiştirme yapılmıştır. Üçlü polimer kompozitlerin gama ışını zırhlama özelliklerini inceleyebilmek için radyasyon koruma verimi (RKV, %), radyasyon geçirme oranı (RGO, %), kütle azaltma katsayısı (µ/ρ, cm2/g ), lineer azaltma katsayısı (μ, cm-1), yarı kalınlık değeri (YKD, cm), onda-bir kalınlık değeri (OKD, cm), ortalama serbest yol (OSY, cm), moleküler tesir kesiti (σt,m, cm2/molekül), atomik tesir kesiti (σt,a, cm2/atom), elektronik tesir kesiti (σt,e, cm2/elektron), etkin atom numarasını (Zetk.), etkin elektron yoğunluğu (Netk, elektron/g) parametreleri deneysel, teorik ve simülasyon kodu yardımıyla belirlenmiştir. Deneysel çalışmalar, 133Ba (276,4, 302,9, 356,0 ve 383,9 keV), 22Na (511,0 ve 1274,5 keV), 137Cs (661,7 keV) ve 60Co (1173,2 ve 1332,5 keV) radyoaktif kaynakları kullanılarak 276,4-1332,5 keV enerji aralığında 9 farklı enerjide HPGe (High Purity Germanium) dedektörü ile gerçekleştirilmiştir. Teorik olarak kütle azaltma katsayısı değerleri WinXCOM bilgisayar programından faydalanılarak belirlenmiştir ve diğer parametreler bu değerlerden türetilmiştir. Simülasyon paketi  olarak GEANT4 (Geometri and Tracking Version 4) Monte Carlo simülasyon kodu kullanılmıştır. Elde edilen her bir deneysel sonuç, teorik ve GEANT4 simülasyon sonuçları ile karşılaştırılmıştır ve bunlar arasında genel olarak bir uyum olduğu gözlemlenmiştir.
Gama ışını zırhlama parametreleri değerlendirildiğinde, hazırlanan üçlü polimer kompozit malzemelerin genelinin özellikle 276,4 keV enerji değerinde   iyi bir zırh malzemesi olduğu görülmüştür. Artan foton enerjisi ile gama radyasyonu zırhlama özelliklerinin azaldığı gözlemlenmektedir. Bi, Sn ve Mo katkılarında yerdeğiştirme miktarı arttıkça zırhlama özelliği de artarken, Zn ve Fe katkılarında yerdeğiştirme miktarı arttıkça zırhlama özelliği genellikle azalmaktadır. %50 bizmut içeren BaBi50 kodlu üçlü polimer kompozit malzemenin, hazırlanan numuneler arasında en iyi gama zırhlama özelliğine sahip olduğu yapılan çalışmalar sonucunda bulunmuştur.
Anahtar kelimeler: Üçlü polimer kompozit; gama ışını zırhlama, HPGe dedektör; WinXCOM, GEANT4

Abstract:
In the present study, ternary polymer composite materials reinforced with barite (BaSO4) based and varying weight ratios of molybdenum (Mo), tin (Sn), zinc (Zn), bismuth (Bi) and iron (Fe) metals reinforced, were prepared and the gamma-ray shielding properties of prepared ternary polymer composite materials were investigated.
While preparing ternary composite materials, initially polymer resin matrix was obtained by combining orthophthalic unsaturated polyester resin (OUP, C16O7H14, d=1.12g/cm3), Methyl Ethyl Ketone Peroxide (MEKP, C8O6H18, d=1.17 g/cm3) and 6% Cobalt Octoate (Co-6), CoC16H30O4 d= 0.885g/cm3). Ternary polymer composite materials were prepared by adding Barite (BaSO4), Mo, Sn, Zn, Bi or Fe phase materials to the polymer matrix in weight percentages varying between 0% and 50%. In the produced composites, barite was replaced with Mo, Sn, Zn, Bi or Fe metals in the weight percentage. To determine the gamma ray shielding properties of the produced ternary composites, radiation protection efficiency (RKV, %), radiation transmission rate (RGO, %), mass attenuation coefficient (µ/ρ, cm2/g), linear attenuation coefficient (μ, cm-1), half value layer (YKD, cm), tenth value layer (OKD, cm), mean free path (OSY, cm), molecular cross section (σt,m, cm2/molecular), atomic cross section (σt,a, cm2/atom), electronic cross section (σt,e, cm2/electron), effective atomic number (Zetk.) and effective electron density (Netk., elektron/g) parameters were determineted with experimental, theoretical and simulation code. Experimental studies have been carried out with 9 different energies of 133Ba, 22Na, 137Cs, 60Co radioactive sources by HPGe (High Purity Germanium) detector in the energy range of 276.4-1332.5 keV. Theoretically, mass attenuation coefficient values were determined using the WinXCOM computer program and other shielding parameters were drived from these values. GEANT4 (Geometry and Tracking Version 4) Monte Carlo simulation code was used as the simulation package. Each experimental consequences were compared with theoretical results and the results obtained by the GEANT4 simulation code, and a general agreement was observed between them. 
When the gamma ray shielding parameters were evaluated, the general of the prepared ternary polymer composite materials was found to be a good shielding material, especially in 276,4 keV. It is observed that gamma radiation shielding properties decrease with increasing photon energy. While the shielding property increases as the amount of displacement increases in Bi, Sn and Mo admixtures, the shielding property generally decreases as the amount of displacement increases in Zn and Fe admixtures. As a result of the studies, it was found that the BaBi50 coded ternary polymer composite material containing 50 % bismuth has the best gama ray shielding properties among the samples.
Keywords: Ternary Polymer Composite; Gama Ray Shielding, WinXCOM; GEANT4