Fotoaktivasyon analiz yöntemi ile antik sikkelerin element 
konsantrasyonlarının belirlenmesi
Determination of elemental concentrations of antique coins 
by photoactivation analysis method
Yazar: CAN ERTUĞAY
Danışman: PROF. DR. İSMAİL BOZTOSUN
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Aktivasyon analizi = Activation analysis ; Bremsstrahlung = Bremsstrahlung ; Elektron hızlandırıcısı = Electron accelerator ; Nükleer fizik = Nuclear physics ; Nükleer radyasyon = Nuclear radiation ; Nükleer teknikler = Nuclear techniques ; Nükleer özellikler = Nuclear properties

Özet:
Arkeolojik eserler oldukça kıymetlidir ve bilindiği gibi birçoğu paha biçilmez değerdedir. İnsanoğlunun kültür tarihinin yorumlanmasında, arkeoloji ile beraber birçok disiplinin bir arada çalışması son derece önemli bir hale gelmiştir. Arkeometrik araştırmalardan birisi de arkeolojik eserin element konsantrasyonlarının belirlenmesine dair analizlerdir. Arkeolojik eserin iç yapısı, yani element konsantrasyonu oldukça önemlidir, çünkü bir nevi eserin parmak izi niteliğindedir. Arkeometrik incelemeler ışığında arkeolojik eserin orijinalliği, kökeninin nereye dayandığı, dönemin sosyal, ekonomik, politik, sanatsal yapısı, diğer topluluklarla ve çevreyle etkileşmeler gibi birçok konu aydınlatılabilmektedir. Bu sebeple arkeolojik eserlerin tahribatsız bir şekilde, eserin en iç katmanlarını da kapsayacak şekilde element analizlerinin yapılması bir gereklilik halini almaktadır. Fotoaktivasyon analiz yöntemi başta tamamıyla tahribatsız bir şekilde element analizlerini mümkün kılması ve bir çok avantaj sağlayan diğer özellikleri nedeniyle arkeolojik eserlerin element analizlerinin yapılması hususunda son derece uygun görünmektedir. Bu tez çalışmasında ülkemizde ilk defa fotoaktivasyon analiz yöntemiyle farklı dönemlere ait üç adet antik Roma sikkesi için element analizleri yapılmıştır.

Bu tez çalışmasında çalışılan antik Roma sikkelerinin aktive edilmesi için, bir klinik lineer hızlandırıcıdan elde edilen ve nihai enerjisi 18 MeV olan bremsstrahlung frenleme ışınları kullanılmıştır. Bremsstrahlung fotonları ile aktivasyon sonucunda fotonükleer reaksiyonlar tetiklenir ve tetiklenen fotonükleer reaksiyonlarla birlikte oluşan radyoaktif çekirdeklerin taban durumlara geçişleri esnasında karakteristik gama fotonları yayınlanır. Bu karakteristik gama fotonlarının bir gama dedektörü ile sayılması ve bu dedektöre bağlı bir gama spektrometre sisteminin kullanılmasıyla gama spektrumları elde edilebilir. Bu tez çalışmasında kullanılan gama dedektörü yüksek saflıkta bir germanyum dedektörüdür. Gama spektrumlarındaki piklerin karakteristik enerjilere sahip olmaları sayesinde sikkeler içindeki element kimlikleri belirlenebilmiştir. Ayrıca sikkelerle birlikte aynı geometriye sahip olan üç adet bronz referans materyal de aynı koşullar altında aktive edilmiş ve gama spektrumları elde edilmiştir. Aktivasyon süreci yaklaşık 1 saat iken, bir soğuma periyodundan sonraki sayım süreci yaklaşık 20 saattir. Deney esnasında meydana geldikleri tespit edilen fotonükleer reaksiyonlar; çekirdekten bir nötron kopuşuyla sonuçlanan (gama,n), çekirdekten bir proton kopuşuyla sonuçlanan (gama,p) ve izomerik geçişlere neden olan (gama,gama-prime) reaksiyonları şeklindedir. Ayrıca bremsstrahlung fotonlarının hızlandırıcı içinde diğer materyallerle etkileşmesi sonucu oluşan ikincil nötronlar nedeniyle meydana gelen (n,gama) şeklindeki nötron yakalama reaksiyonu da gözlenmiştir. Niteliksel analizler sonucunda sikkeler içinde Sn, Pb, As, Sb ve Cu elementlerinin varlığı tespit edilmiştir. Ayrıca referans materyallerdeki element konsantrasyonları daha önce ICP-MS (Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer) yöntemiyle yapılan analizler sonucunda bilinmektedir. Bu sayede sikkeler içindeki Sn ve Cu elementleri için niceliksel element analizleri de yapılabilmiş ve bu elementler için element konsantrasyonları hesaplanabilmiştir. Bu sonuçlar doğrultusunda fotoaktivasyon analiz yönteminin diğer element analizi yöntemleriyle karşılaştırılabilir ve özellikle tahribatsız analizler için kullanılabilir olduğu görülmektedir.

Abstract:
Archaeological artifacts are highly precious, and as is known, most of them are priceless. For interpretation of cultural history of humanity, combination of various disciplines together with archaeology has become extremely important. One of the archaeometric researches is analysis aimed at determination of elemental concentrations of archaeological artifacts. The internal structure of the archaeological artifact, in other words its elemental concentration is highly important, because in some way, it has the characteristic finger print of the artifact. In the light of archaeometric researches, various issues such as originality of the archaeological artifact, based on where the origin of artifact, social, political and artistic structures of that era, interaction with other communities and environment can be clarified. Therefore, a non-destructive method of analyzing the element concentration including the innermost parts is of vital importance. Photoactivation analysis method is quite suitable for elemental analyses of archaeological artifacts mainly because of its non-destructiveness and the other properties providing lots of advantage. In this thesis, the elemental analyses for three ancient Roman coins from different periods were performed using photoactivation analysis method for the first time in Turkey.

To activate these antique Roman coins studied in this thesis, the bremsstrahlung beams of 18 MeV end point energy obtained through a clinical linear accelerator were used. As a result of activation by bremsstrahlung photons, the photonuclear reactions are induced, and characteristic gamma-rays are emitted during the transitions to the ground states of the radioactive nuclei created by these photonuclear reactions. Then, the gamma spectra can be obtained by counting these gamma photons through a gamma detector and using a gamma spectrometer system connected with this detector. The gamma detector used in this study is a high purity germanium detector. Because the peaks in the gamma spectra have characteristic energies, the identities of elements in the coins can be determined. Besides, three bronze reference materials that have the same geometry with the coins were activated under the same conditions, and the gamma-ray spectra of these reference materials were obtained. While the activation period was about 1 hour, the counting period after a cooling time was about 20 hours. The photonuclear reactions occurring during the experiment were (gamma,n) reaction resulting in a single neutron separation from the nucleus, (gamma,p) reaction resulting in a single proton separation from the nucleus and (gamma,gamma-prime) reaction resulting in a isomeric transition. On the other hand, because the secondary neutrons occurred due to the interaction of the bremsstrahlung photons with the other material in the accelerator, neutron capture reaction (n,gamma) was also observed. As a result of qualitative analyses, presences of Sn, Pb, As, Sb and Cu elements were determined in the coins. The elemental concentrations of reference materials were also known through the analyses performed by Inductively Coupled Plasma-Mass Spectrometer (ICP-MS). Thus, the quantitative analyses for the sn and Cu elements in the coins could also be performed, and the elemental concentrations of these two elements were calculated. In the light of these results, it was shown that the photoactivation analysis method is comparable with the other elemental analysis methods, and it is usable especially for non-destructive analyses.