Malzeme yapısının radyasyondan korunmadaki etkisinin Monte Carlo simülasyon yöntemi ile incelenmesi
Investigation of the effect of material structure on radiation protection by Monte Carlo simulation method
Yazar: TUĞBA MANİCİ
Danışman: PROF. DR. BAYRAM DEMİR ; DR. ÖĞR. ÜYESİ YAŞAR KARABUL
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Yüksek doğrusal zayıflatma katsayısına sahip malzemeler, iyonize radyasyonun daha fazla etkileşim gerçekleştirip enerjisini bırakması sebebiyle daha iyi radyasyon absorbsiyonu sağlamaktadır. İyonize radyasyondan korunmak en önemli parametre olan doğrusal zayıflatma katsayısının (LAC) yoğunlukla doğru orantılı olarak artmaktadır ve bu sebeple yüksek doğrusal zayıflatma katsayısına sahip olan malzemeler radyasyon zırhlaması için daha uygun olmaktadır. Bir bileşiğe ait yoğunluğun bileşiğin kristal yapısı ile doğrudan bağlantılıdır. 
Bu tez çalışmasında 7,89 g/cm3 yoğunluğa 188.00 Å³ hacme sahip olan 8 atomlu Pca2₁ uzay grubu ve mm2 nokta gruplu ortorombik PbO, 9,14 g/cm3 yoğunluğa 162.16 Å³ hacme sahip olan 8 atomlu Pbcm uzay grubu ve mmm nokta gruplu ortorombik PbO, 8,37 g/cm3 yoğunluğa 88.53 Å³ hacme sahip olan 4 atomlu P4₂/mmc uzay grubu ve 4/mmm nokta gruplu tetragonal PbO, 8,81 g/cm3 yoğunluğa 84.14 Å³ hacme sahip olan 4 atomlu P4/nmm uzay grubu ve 4/mmm nokta gruplu tetragonal PbO, 6,98 g/cm3 yoğunluğa 55.14 Å³ hacme sahip olan 4 atomlu Pm3̅m uzay grubu ve m3̅m nokta gruplu kübik WO3, 7,25 g/cm3 yoğunluğa 424.57 Å³ hacme sahip olan 32 atomlu Im3̅ uzay grubu ve m3̅ nokta gruplu kübik WO3, 6,88 g/cm3 yoğunluğa 111.85 Å³ hacme sahip olan 8 atomlu P4/nmm uzay grubu ve 4/mmm nokta gruplu tetragonal WO3, 7,11 g/cm3 yoğunluğa 216.61 Å³ hacme sahip olan 16 atomlu P4/ncc uzay grubu ve 4/mmm nokta gruplu tetragonal WO3, 9,44 g/cm3 yoğunluğa 327.92 Å³ hacme sahip olan 20 atomlu P2₁/c uzay grubu ve 2/m nokta gruplu monoklinik Bi₂O₃, 9,37 g/cm3 yoğunluğa 660.56 Å³ hacme sahip olan 40 atomlu P2₁/c uzay grubu ve 2/m nokta gruplu monoklinik Bi₂O₃, 7,30 g/cm3 yoğunluğa 1271.50 Å³ hacme sahip olan 60 atomlu I23 uzay grubu ve 23 nokta gruplu kübik Bi₂O₃, 8,86 g/cm3 yoğunluğa 174.58 Å³ hacme sahip olan 10 atomlu Pn3̅m uzay grubu ve m3̅m nokta gruplu kübik Bi₂O₃, 8,70 g/cm3 yoğunluğa 355.68 Å³ hacme sahip olan 20 atomlu Pccn uzay grubu ve mmm nokta gruplu ortorombik Bi₂O₃, 8,94 g/cm3 yoğunluğa 346.19 Å³ hacme sahip olan 20 atomlu Pbcn uzay grubu ve mmm nokta gruplu ortorombik Bi₂O₃ bileşikleri incelenmiştir. Her biri için doğrusal zayıflatma katsayıları (LAC), yarı değer kalınlıkları (HVL), ortalama serbest yol (MFP) değerleri ve onda bir değer kalınlığı (TVL) değerleri Monte Carlo Simülasyonu MCNPX kodu kullanarak 140 keV (Tc-99m), 364 keV (I-131), 662 keV (Cs-137), 1332 keV (Co-60) monoenerjetik gama kaynakları için elde edilmiş olup kristal yapısı ile zırh malzemesi etkinliği arasındaki bağlantı değerlendirilmiştir. PbO bileşikleri arasında en yüksek radyasyon tutuculuğunu ortalama %13,67 farkla 9,14 g/cm3 yoğunluklu ortorombik PbO sağlamaktadır, Bi₂O₃ bileşikleri arasında en yüksek korumayı ortalama % 23,05 farkla 9,44 g/cm3 yoğunluklu monoklinik Bi₂O₃  ve WO3 bileşikleri arasında en yüksek korumayı %5,45 farkla 7,25 g/cm3 yoğunluklu kübik WO3 'ün sağladığı görülmüştür. Bu bileşikler birbirleri ile karşılaştırıldığında ise en yüksek radyasyon absorbsiyonunu 9,44 g/cm3 yoğunluğa sahip olan monoklinik Bi₂O₃'ün, en düşük korumayı ise 7,25 g/cm3 yoğunluğa sahip olan kübik WO3 'ün sağladığı ve %20,67 yoğunluk farkı ile 140 keV'de %47,7844, 364 keV'de %42,2442, 662 keV'de %34,7134 ve 1332 keV'de %26,7954 LAC farkı bulunduğu sonucu elde edilmiştir. 
Bileşiklerin katkı malzemesi olarak kullanıldığında ortaya çıkarabilecekleri sonuçların değerlendirilebilmesi için sıradan beton (SB) ve Polivilin Alkol (PVA) içerisine %50 oranda 9,14 g/cm3 yoğunluğa sahip olan ortorombik PbO, 9,44 g/cm3 yoğunluğa sahip olan monoklinik Bi₂O₃ ve 6,88 g/cm3 yoğunluğa sahip olan tetragonal WO3 katkılanmıştır. LAC, HVL, MFP ve TVL değerleri MCNPX kodu kullanarak Tc-99m, 364 I-131, Cs-137, Co-60 gama kaynakları için elde edilmiş elde edilmiş olup % farklar açısından değerlendirilmiştir. Yoğunluğu 2,3 g/cm3 olan SB içerisine eklenen bileşiklerin yeni yoğunlukları hesaplanmış olup en yüksek yoğunluk değerini 3,6988 g/cm3 ile %50 SB-%50 9,44 g/cm3 yoğunluklu monoklinik Bi₂O₃ bileşiği; en düşük yoğunluk değerini 3,4474 g/cm3 ile 6,88 g/cm3 yoğunluğa sahip olan tetragonal WO3 sağlamaktadır. 9,44 g/cm3 yoğunluğa sahip monoklinik Bi2O3 ile hazırlanan SB/Bi2O3 kompoziti ile 6,88 g/cm3 WO3 ile hazırlanan SB/WO3 kompoziti arasında 140 keV'de %34,4557, 364 keV'de %22,3211, 662 keV'de %12,9755ve 1332 keV'de %8,7736 fark yer almaktadır. Yoğunluğu 1,19 g/cm3 olan PVA içerisine eklenen bileşiklerin yeni yoğunlukları hesaplanmış olup en yüksek yoğunluk değerini 2,1135 g/cm3 ile %50 PVA-%50 9,44 g/cm3 yoğunluğa sahip olan monoklinik Bi₂O₃ bileşiği; en düşük yoğunluk değerini 2,029 g/cm3 ile 6,88 g/cm3 yoğunluğa sahip olan tetragonal WO3 sağlamaktadır. 9,44 g/cm3 yoğunluğa sahip monoklinik Bi2O3 ile hazırlanan PVA kompozit ile 6,88 g/cm3 WO3 ile hazırlanan PVA kompozit arasında 140 keV'de %32,54, 364 keV'de %20,61, 662 keV'de %11,98 ve 1332 keV'de %4,93 fark yer almaktadır.  Bu sonuçlar ile kristal yapının malzeme yoğunluğu üzerindeki etkisinin radyasyondan korunmada malzeme seçimini nasıl etkilediği ilişkilendirilmiştir ve özelikle fotoelektrik olayın baskın olduğu enerji değerlerinde bu etkinin önemli olduğu sonucuna ulaşılmıştır.

Abstract:
Materials with high linear attenuation coefficients facilitate better radiation absorption by enabling increased interaction and energy deposition of ionizing radiation. The linear attenuation coefficient (LAC) which is the most important parameter for protection against ionizing radiation, increases proportionally with density, making materials with high LAC more suitable for radiation shielding.
In this thesis study, compounds of orthorhombic PbO with space group Pca2₁ and point group mm2, density of 7.89 g/cm³ and volume of 188.00 Å³, orthorhombic PbO with space group Pbcm and point group mmm, density of 9.14 g/cm³ and volume of 162.16 Å³, tetragonal PbO with space group P4₂/mmc and point group 4/mmm, density of 8.37 g/cm³ and volume of 88.53 Å³, tetragonal PbO with space group P4/nmm and point group 4/mmm, density of 8.81 g/cm³ and volume of 84.14 Å³, cubic WO3 with space group Pm3̅m and point group m3̅m, density of 6.98 g/cm³ and volume of 55.14 Å³, cubic WO3 with space group Im3̅ and point group m3̅, density of 7.25 g/cm³ and volume of 424.57 Å³, tetragonal WO3 with space group P4/nmm and point group 4/mmm, density of 6.88 g/cm³ and volume of 111.85 Å³, tetragonal WO3 with space group P4/ncc and point group 4/mmm, density of 7.11 g/cm³ and volume of 216.61 Å³, monoclinic Bi₂O₃ with space group P2₁/c and point group 2/m, density of 9.44 g/cm³ and volume of 327.92 Å³, monoclinic Bi₂O₃ with space group P2₁/c and point group 2/m, density of 9.37 g/cm³ and volume of 660.56 Å³, cubic Bi₂O₃ with space group I23 and point group 23, density of 7.30 g/cm³ and volume of 1271.50 Å³, cubic Bi₂O₃ with space group Pn3̅m and point group m3̅m, density of 8.86 g/cm³ and volume of 174.58 Å³, and orthorhombic Bi₂O₃ with space group Pccn and point group mmm, density of 8.70 g/cm³ and volume of 355.68 Å³ have been investigated. For each compound, LAC, half-value layer (HVL), mean free path (MFP), and tenth value layer (TVL) values have been obtained using Monte Carlo Simulation MCNPX code for monoenergetic gamma sources at 140 keV (Tc-99m), 364 keV (I-131), 662 keV (Cs-137), and 1332 keV (Co-60). The connection between crystal structure and shielding effectiveness of the shielding material has been evaluated. Among PbO compounds, the highest radiation protection is provided by orthorhombic PbO, density of 9.14 g/cm³ and with an average 13.67% higher protection. Among Bi₂O₃ compounds, the highest protection is provided by monoclinic Bi₂O₃, density of 9.44 g/cm³ and with an average 23.05% higher protection. Among WO3 compounds, the highest protection is provided by cubic WO3, density of 7.25 g/cm³, with an average 5.45% higher protection. When these compounds are compared with each other, it is found that monoclinic Bi₂O₃, density of 9.44 g/cm³ and, provides the highest radiation absorption, while cubic WO3, density of 7.25 g/cm³, provides the lowest protection. The difference in LAC is found to be 47.7844% at 140 keV, 42.2442% at 364 keV, 34.7134% at 662 keV, and 26.7954% at 1332 keV, with a density difference of 20.67%.
To evaluate the potential effects of using compounds as additives in ordinary concrete (OC) and Polyvinyl Alcohol (PVA), a composition of 50% by weight includes Orthorhombic PbO, density of 9.14 g/cm³, Monoclinic Bi₂O₃, density of 9.44 g/cm³, and Tetragonal WO3, density of 6.88 g/cm³. The LAC, HVL, MFP and TVL values were obtained using MCNPX code for Tc-99m, I-131, Cs-137, and Co-60. These values were evaluated in terms of percentage differences. The densities of compounds added to OC with a density of 2.3 g/cm³ have been calculated. The compound with the highest density is achieved by mixing 50%OC-50% monoclinic Bi₂O₃, density of 9.44 g/cm³ resulting in a new density of 3.6988 g/cm³. The compound with the lowest density is achieved by mixing 50% OC-50% tetragonal WO3, density of 6.88 g/cm³, resulting in a new density of 3.4474 g/cm³. There is a difference of 34.4557% at 140 keV, 22.3211% at 364 keV, 12.9755% at 662 keV, and 8.7736% at 1332 keV between the OC/Bi2O3 composite prepared with monoclinic Bi2O3 having a density of 9.44 g/cm³ and the OC/WO3 composite prepared with tetragonal WO3 having a density of 6.88 g/cm³. The densities of compounds added to PVA, density of 1.19 g/cm³ have been calculated. The compound with the highest density is achieved by mixing 50%PVA-50% monoclinic Bi₂O₃, density of 9.44 g/cm³ resulting in a new density of 2.1135 g/cm³. The compound with the lowest density is achieved by mixing 50%PVA-50% tetragonal WO3, density of 6.88 g/cm³, resulting in a new density of 2.029 g/cm³.There is a difference of 32.54% at 140 keV, 20.61% at 364 keV, 11.98% at 662 keV, and 4.93% at 1332 keV between the PVA composite prepared with monoclinic Bi2O3, density of 9.44 g/cm³ and the PVA composite prepared with tetragonal WO3, density of 6.88 g/cm³. These results have been correlated with the effect of crystal structure on material density concerning radiation shielding material selection, particularly emphasizing the significance of this effect at energies where the photoelectric effect predominates.