Gözenekli malzemelerde radyasyonun zayıflaması
Radiation attenuation by porous materials
Yazar: SONAY GEDİK
Danışman: PROF. DR. AYŞE FİLİZ BAYTAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Alüminyum kompozitler = Aluminum composites ; Gama radyasyonu = Gamma radiation ; Gözenekli silisyum = Porous silicon ; Metal kompozitler = Metal composites ; Radyasyon-iyonizan = Radiation-ionizing

Özet:
Bu yüksek lisans tez çalışmasında , gama geçirgenlik tekniği kullanılarak silisyum karbür, alumina ve magnezyumdan yapılmış açık hücreli metalik köpük malzemeler, toprak, standart kum ve 0,5 mm çaplı küresel cam bilyelerin deney kabına düzgün olarak yerleştirilmesi ile oluşan gözenekli ortamın gözeneklilik yapıları ve radyasyonu zayıflatma özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır.
Gama geçirgenlik tekniği, gama radyasyonu yayan bir kaynaktan çıkan fotonun incelenecek olan malzemeye nüfuz ettirilmesiyle, malzemeye gelen radyasyon şiddetinin çıkan radyasyon şiddetine mukayesesiyle elde edilen veriyi temel alır. Bu yöntem gerek hızlı gerekse yüksek doğruluğa sahip tahribatsız bir yöntem olduğundan tercih edilir.
Gama geçirgenlik tekniği, bilimsel çalışmalarda, sanayide, tıpta ve tarımda çok yaygın olarak kullanılmaktadır. Sanayide kurşun, aluminyum, çelik gibi malzemelerin kalınlık tayini, tıpta bazı görüntüleme teknikleri cihazları temelini oluşturan gama kameralarla yapılan ölçümlerde gama geçirgenlik yöntemi kullanılmaktadır. Tarımda ise toprak gözenekliliği ve toprağın suyu tutması hakkında bu yöntem kullanılarak faydalı bilgilere ulaşılmaktadır.
Gözenekli ortamlar, günlük yaşantımızda akciğerin yapısından doğal kayaçlara kadar birçok örnekle karşımıza çıkmaktadır. Gözenekli ortamların, petrolün yeraltından çıkarılması ve filtrelenmesi, jeotermal enerji, yalıtım malzemeleri, hava ve uzay araçlarında uçuş ve fırlatma esnasında ısınmanın önlenmesinde ısı kalkanı olarak kullanılması gibi uygulama alanları vardır. Aynı zamanda kimyasal ve nükleer atıkların zırhlanması ve depolanması ile radyasyonun zayıflatılması gibi alanlarda kullanılmaktadır. Gözenekli ortamlar gama radyasyonunun zayıflatılması hatta durdurulmasında hafif olmaları nedeni ile tercih edilecek malzemelerdir. Gözenekli ortamların gözenek yapılarının ve radyasyonu zayıflatma özelliklerinin belirlenmesi dar demet geometrili gama zayıflatma düzenekleri ile gerçekleştirilir.
Çeşitli gözenekli ortamların yapısının gama geçirgenlik tekniği ile incelenmesi, bu yüksek lisans tez çalışmasının temelini oluşturmaktadır. Bu deneysel çalışmalar gerçekleştirilirken İTU Enerji Enstitüsü'nde mevcut dar demet geometrili gama geçirgenlik düzeneği ve 60Co gama ışını kaynağı kullanılmıştır.
Bu çalışmada; gözenekli ortam olarak 3 çeşit metalik köpük malzeme, toprak, standart kum ve cam bilyelerle oluşturulan ortam kullanılmış ve doymuş gözenekli ortam oluşturulurken de akışkan olarak su seçilmiştir. Diğer malzemeler doğrudan pleksiglas kaba yerleştirilerek deneyde kullanılırken, toprak örneği gözenekliliğinin homojen olmasını sağlamak amacıyla önceden eleme işleminden geçirilmiştir. Önce kuru malzemelerle gama ışını geçirgenlik ölçümleri yapılmış, daha sonra malzemeler tek tek suya doyurulmuş ve deney koşulları değiştirilmeksizin doymuş malzemeden sayımlar alınmıştır. Tüm deneylerde, sayımlar malzemelerin merkez düzleminde düşey yönde üç noktadan alınmıştır. 
Ölçümler, NaI(Tl) sintilasyon algılayıcısı, dar demet geometrisini sağlayan kolimatörler ve çok kanallı analizör kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her deneyin başında, kaynak kolimatörüne 60Co radyoizotopu yerleştirilerek ilk olarak malzeme yokken üç kez ard arda sayım alınarak kaynak sayımı değeri elde edilmiştir.  Daha sonra sırasıyla silisyum karbür, alumina ve magnezyum metalik köpükleri kolimatörler arasına yerleştirilerek üst üste üç ayrı seviyeden üçer kez 60Co radyoizotopu ile sayım alınmıştır. Bu sayımlardan herbir malzeme için bağıl sayımlar hesaplanmış, malzeme kalınlıkları da göz önüne alınarak lineer zayıflatma katsayıları hesaplanmıştır.
Metalik köpük malzemelerle yapılan deneylerin bir sonraki aşamasında malzemelerin gözenekliliğinin bulunması hedeflenmiştir. Bunun için malzemenin suya doyurulması ve yapılan ölçümlemelerle kuru haldeki ölçümlemelerin bir arada değerlendirilmesi gerekir. Suya doyurma işlemini yapabilmek için, malzeme pleksiglas kap içerisine yerleştirilmiştir. Kaba yavaş bir şekilde su ilave edilerek, malzemenin üzerinde bir miktar su kalacak şekilde suya doyurma işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu şekilde dar demet geometrili sistem kullanılarak 60Co ile sayımlar alınmıştır. Deneylerin bu aşamasında, SiC ve alumina bloklardan prizmatik olan blok malzemeler kullanılmıştır. Doymuş malzemelerin, kuru malzeme sayımlarında kullanılan üç sayım seviyesinden alınan sonuçlarla hesaplanan, lineer zayıflatma katsayılarından elde edilen sonuçlarla birlikte literatürde bilenen temel denklemler yardımı ile herbir noktaya ait gözeneklilik hesabına ulaşılmıştır.
Gözeneklilik hesaplarının yanısıra benzer kalınlıktaki Silisyum karbür ve alumina metalik köpük bloklarının dar demet geometrili gama transmisyon düzeneğinde ard arda koyularak ölçümler yapılmasıyla 60Co radyoizotopunun farklı kalınlıklardaki zayıflatılması incelenmiş ve elde edilen sonuçlar grafiklerle gösterilmiştir.
Tez çalışmasında diğer gözenekli ortamlar olarak, Samsun İli'ne ait toprak örneği, standart kum ve cam bilyelerle oluşturulan ortamlar kullanılmıştır. Bu malzemelerin ortak özelliği temel yapı bileşenlerinin SiO2 olmasıdır, metalik köpük malzemelerden SiC blokların da ana maddesinin Si olması kullanılan gözenekli ortamların karşılaştırılmasını mümkün kılmıştır. Tüm gözenekli ortamların kuru ve suya doymuş halleri ile deneyler tekrarlanmış ve malzemelerin gözenek yapıları, radyasyonu zayıflatmaları belirlenmiş, grafik ve tablolar ile karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir.

Abstract:
In this thesis, silica carbur, aluminum, magnesium open cell metallic foams, a soil sample, standard Ottowa sand and a porous medium include spherical glasses in 0,5mm diameter as  porous media were examined by using geometric gamma transmission technique with narrow beam.
Gamma transmission technique based on a gamma-radiation emitting from the source of the photons can pass through the material with the penetrated material to be inspected which is obtained by comparing the radiation data. This method should be fast as well as the prefferred one is a non-destructive method with high accuracy.
Gamma transmission technique are widely used in scientific research, industry, medicine and in agriculture. In industrial lead, aluminum, steel, such as determination of material thickness, in some imaging devices for medical gamma transmission method is used in measurements with the gamma camera underlying. In agriculture, The useful information about soil porosity and soil retention are achieved by using this method.
Developing new multifunctional materials in recent years for nuclear systems has become increasingly critical owing to the high demand on better shielding in extreme environments. Radiation shielding materials and components of shielding structures should possess good mechanical properties, long-term reliability, good fabrication and joining properties with suitable thermophysical characteristics. Particular emphasis must be given to low density, high radiation tolerance and energy absorption capabilities due to new mission criteria in nuclear industries.
Porous media are encountered literally in every day life, in technology, and in nature. Sand, sandstone, soil, ceramic, foam rubber, bread and lungs, are examples of porous materials encountered in practice. The extraction and filtering of underground oil , geothermal energy, insulation materials, air and spacecraft in flight and the prevention of heat during launch are the application fields of porous media. Also porous  materials are used in fields such as the attenuation of the radiation shielding of nuclear waste and storage .  The porous media as lightweight material can be used shielding of radiation. Studies on this subject are made by using the gamma attenuation mechanism with narrow beam geometry.
The basis of this master's thesis is the investigation of structures of various porous media by using gamma transmission technique. The experimental works were performed on the existing narrow beam geometry in ITU Energy Institute 60Co gamma-ray source and gamma permeability apparatus are used.
In this study, three kinds of metalic open cell foams, soil, standard sand and a porous medium that includes spherical glasses were used as porous media and the water was used for sturation of media.  In order to ensure a homogeneous porosity of soil sample, soil was passed through a pre- screening process, other materials used in the experiments were placed directly plexyglass container in experimental setup. Firstly, the gamma transmission measurements were carried out with dry porous materials, then all of the materials were saturated by water and the gama transmissions from saturated materials were measured in the same experimental conditions. In all of the experiments, the measurements were done in the three vertical points of the center line of the materials.
The measurements were achieved by using NaI(Tl) scintillation detector, the collimators providing the narrow beam condition and a multichannel analyser. Firstly,  by inserting a 60Co radioisotope into source collimator in the system without material three successive counts were taken, so the source intensity (I0) was found. Then, respectively, three times three consecutive counts from the three different levels of silicon carbide, alumina and magnesium metalic open cell foams were counted by inserting materials between the collimators. By using this counts, the relative counts intensities were calculated and by taking into consideration material thickness the linear attenuation coefficients were found for every metalic foams.
In the another part of the experiments, it is aimed to examine the porosity of these materials. To find this, saturating the materials and evaluating informations from this and experimental results with dry materials is a necessary. To make saturation operation, firstly dry materials were inserted into a plexyglass container. Then water was poured into the container slowly until water level is higher materials up level by one centimeter. With this saturated new material counts were taken by using 60Co radiation source in the narrow beam geometrical gamma transmission system. In this experiment, the prismatic SiC and alumina blocks were used. By using linear attenuation coefficients for dry and saturated materials experiment results and by inserting these informations into basic equations, the porosities were calculated for each three points of two kinds of materials.
Beside the calculation of the porosities of foams, the attenuation of the different thicknesses of silicon carbide and alumina were examined against 60Co radiation source, also the narrow beam geometry gamma transmission was used with this experiment. The relative counts were calculated and shown by exponential relative counts versus thickness.
The gamma transmission measurements for Samsun Province's soil sample, standard Ottawa sand and glass beads were repeated with the same experimental conditions. The attenuation of radiation and the porosities of all porous materials were found. The soil sample, the standard Ottawa sand, glass beads contain SiO2 and also SiC metalic foam has silisium. So, it was  possible the comparison of these porous materials in terms of the radiation attenuation and the structure of porousity.
The results revealed that all the work has been interpreted as given in comparative tables and graphs.