Gamma ray spectra analysis for pulsed fast thermal neutron activation (PFTNA) of bulk coal samples
Kömür örneklerinden PFTNA metodu ile aktivasyon sonucu elde edilen gama spektrumlarının analizi
- Tez No: 465468
- Danışmanlar: PROF. DR. İSKENDER ATİLLA REYHANCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 129
Özet
Bu çalışmada kömür numunelerinin gerçek zamanlı analizinin yapılması hedeflenmiştir. Kömür analizi, kömür malzemesinin kalori değeri, kükürt oranı, kül oranı ve nem oranı açısından değerlendirilmektedir. Kömürün tasniflenmesi, yandığında çevreye en az hasarı verecek şekilde olması ve daha iyi yanma özelliklerine sahip olması kriterlerine uygun olacak şekilde gerçekleştirilir. Tüm bu olumlu özelliklerin belirlenebilmesi için, kömür sınıflandırılmadan önce yakılıraka analizi yapılır. Tam bu noktada nükleer teknikler kömrün sınıflandırılmadan önce hasar almadan analizinin yapılıp değerlendirilmesini sağlar. Bu yüzden, kömür endüstrisinde nükleer teknikler büyük önem arz etmektedir. Tezde geçen deneylerin temel prensibi üretilen nötronların malzeme ile etkileşimi üzerine dayanmaktadır. Nötrona maruz kalan kömür malzemesindeki çekirdekler uyarılır ve gama fotonu salarak bozunurlar. Gözlemlenen bu gama enerji değerleri kömür iersinde bulunan elementlere ait karakteristik enerjleri vermektedir. Analiz metodu olarak darbeli hızlı termal nötron aktivasyon (PFTNAA) tekniği kullanılmaktadır. Bu metod kısa bir zaman içersinde bile daha hassas sonuçlar verebilmetedir. Kömür malzemesi nötronlarla etkileşime girdikçe termal yakalama ve nötron esnek olmayan saçılma reaksiyonları açığa çıkar. Bu reaksiyonlar bazı elementlerde baskınken bazılarında değildir. PFTNA tekniği karbon ve oksijen gibi bazı kritik elementler için bilgi vermektedir. Aktivasyon işlemi için Cf252 gibi nötron üretecinden başka kullanılan kaynaklar da mevcuttur, fakat bu kaynaklar bazı elementlerin belirlenebilmesi için yetersiz kalmaktadır. Karbon elementinin 4.44MeV'deki enerji değeri hızlı nötronların malzemeyle etkileşimi sonucu açığa çıkmaktadır. Nötron üreteci ise 14MeV enerji değerine sahip nötronlar üretmektedir ve bu yolla karbon elementi tespit edilmektedir. PFTNAA tekniği ile ikş ayrı spektrum elde edilmektedir. Bu spektrumlardaki element enerji değerlerinin bazıları hızlı nötronların indüklemesiyle açığa çıkan gama fotonlarına aitken, bir kısım enerji değerleri ise termal nötronların indüklemesiyle oluşan gama ışınlarına aittir. Bu yüzden termal ve hızlı nötron ile indüklenmiş malzemeye ait gama ışını spektrumları ayrı olarak ele alınmalıdır. Bunun için deney esnasında yapılan ölçümler ham veri olarak depolanmıştır. Ham veriler kullanılarak liste modu veri kazanım yöntemi benimsenmiştir. Bu yolla nötron üreteci kapalı ve açık konumdayken elde edilen sayımlar değerlendirilmektedir. BGO dedektörü üretecin hem açık hemde kapalı olduğu durumda sayım yapmaya devam etmektedir. Nötron üreteci açık konumdayken elde edilen gama ışını spektrumları hızlı nötronların sebep olduğu fotonları kapsarken, üreteç nötron ışımayı durdurduğunda elde edilen spektrum ise termal nötronların indüklemiş olduğu fotonlardan ibarettir. Deney sırasında kullanılan BGO dedektörünün kapı port girişi doğrudan nötron üretecine bağlanmaktadır. Bu yolla nötron üretecinin kapalı/açık durumuna göre BGO dedektörü tetiklenmektedir. Hızlı nötronların termalize olup enerjilerini kaybetmeleri için bir miktar süre nötron üretimi olmadan beklenmelidir. Bu süre zarfında hızlı nötronlar malzemeyle etkileşime girerek enerjilerini kaybeder ve termalize olurlar. Deney için gerekli süre ve görev döngüsü nötron üretecinin sağlamış olduğu arayüz ile ayarlanabilmetedir. Voltaj ve akım değerleri de bu arayüz yardımı ile ayarlanıp deney esnasında gözlemlenebilmektedir. PFTNAA yöntemi radyasyon konusu düşünüldüğünde de daha avantajlı bir durumda görülmektedir. Radyasyon nötron üreteci açık olduğunda başlamaktadır, kararsız çekirdeklerin yayımladığı gama ışınlarında olduğu gibi kontol edilemez değildir. Bunlara ek olarak deney esnasında Wi-Fi modem kullanılarak deney düzeneğinden uzakta çalışılmıştır. Bu yolla radyasyonun zararlı etkilerinden kaçınılmış olmaktadır. Uzaktan kontrol sistemi ile hem BGO dedektörü hem de nötron üreteci kontrol edilebilmektedir. BGO dedektörü tarafından toplanan veriler iki ayrı spektrum olarak ayrıştırılmaktadır. Bunun için C++ kodlama yardımıyla dedektöre her gelen gama fotonunun 32-bit veri içersindeki bilgileri analiz edilmiştir. Bitwise işlemciler yardımıyla digiBASE-E modülünün talimatındaki bilgiler ışığında ham veriler analiz edilir. Dededktöre ulaşan her gama fotonu zaman bilgisiyle birlikte tepe enerji bilgisini 32 bitlik word veri formatında taşımaktadır. Kullanım talimatına göre nötron üreteci açıksa 31. bit 1, kapalı ise 0 vermektedir. Liste modundaki dosya analiz edildikten sonra gama fotonlarına ait veriler histogram formatından spektrum formatına çevrilir. Aynı genlik değerine sahip fotonlar toplanır ve ait oldukları kanalda depolanır. Spektrumları ayrı ayrı elde ettikten sonra kömür numunesi içersinde bulunan elementlere ait enerji foto tepeleri daha net olarak gözlemlenebilmektedir. Toplam gama spektrumunda olduğu gibi çoklu tepeler üst üste gelmemiş olurlar. Meydana gelen reaksiyonlar arasında tesir kesit değeri hangi reaksiyonda hangi enerji değeri için yüksekse o enerji değeri görülmektedir. Hızlı ve termal nötronların indüklediği gama ışınlarına ait spektrumlar ayrı ayrı değerlendirilerek element kütüphanesi oluşturulmaktadır. Bu veri tabanı elementlerin enerji – genlik tanım kümesindeki davranışlarının belirlenmesinde yardımcı olur. Elde edilen element kütüphanesi yardımıyla sistem kalibre edilir ve matris denklemlerinde yerine yazıldığında en küçük kareler yöntemi kullanılarak içeriği bilinmeyen kömür numunelerinin element yüzdelikleri belirlenmiş olur. Bu kütüphane farklı kömür numuneleri için kullanılabilir fakat örneklerin ağırlıklarının kalibre edildiği örneğin ağırlığına yakın olması gerekmektedir. En küçük kareler yöntemi kütüphanesi yöntemi kullanılarak kömür numuneleri için element konsantrasyonu kolayca bulunabilir. Veri kazanım sistemi tamamlandıktan sonra bir takım analizler yapılarak element yüzdelikleri hesaplanır. Bunun için literatürde pek çok yöntem olduğu görülmüştür. Yapılan çalışmada sentetik ve gerçek kömür numuneleri ile elde edilen deneysel veriler dikkate alınmıştır. Element kütüphanesinin oluşturmak içise temelde deneysel ve yarı – deneysel olmak üzere iki farklı yöntem kullanılmıştır. Yapılan bu hibrid çalışmalar matematiksel formulasyon alt yapısı ile de beslenmiştir. Deneysel çalışmalar ise sentetik ve gerçek kömür numunesi ile yapılan ölçümler olarak ikiye ayrılabilir. Sentetik kömür numunelerinin element yüzdelikleri bilinmektedir ve sistem bu değerler kullanılarak kalibre edilebilir. Sonrasında ise oluşturulan lineer denklem setleri kalibrasyon katsayıları kullanılarak çözülür ve içeriği bilinmeyen kömür örneği için element yüzdelikleri bulunmuş olur. Elementlerin konsantrasyonunu hesaplamak için de kullanılan element kütüphanesinin bulunması yapılan bu çalışmada iki farklı yöntemle gerçekleştirilmiştir. Birinci yöntem en küçük kareler yöntemini kullanarak oluşturulan matris sisteminin tersini alarak yapılır. Burada içeriği bilinen kömür numunesinin gama spektrumu sisteme girdi olarak verilmektedir. Oluşturulan element kütüphanesini farklı numunelerde kullanabilmek için kütüphanenin eldesinde kullanılan deney düzeneğindeki nötron emisyon süresiyle diğer çalışma koşulları içeriği bilinmeyen numunenin koşulları ile aynı olmalıdır. Gerçek kömür numuneleri ise kömürdeki bazı kritik elementlerin tanınması ve elde edilen element kütüphanesinin doğru çalışıp çalışmadığını test etmek için kullanılmaktadır. Element kütüphanesi deneysel ve bazı matematiksel algoritmalar kullanılarak da bulunmaktadır. Deneysel spektrumlarda yüksek miktarda çevresel radyasyon (Background) görülmektedir. Bu yüzden elementlerin enerji foto – tepeleri spektrumda temel bir hat (Baseline) üzerinde oturmaktadır. Bu enerji değerleri her element için karakteristiktir ve bu foto – tepelerin dağılım şekilleri de matematiksel olarak bilinmektedir. Bu bilgiler kullanılarak her elementin baskın olan enerji değerleri oluşturulan Gausyen fonksiyonunda merkez enerji değeri olarak konumlandırılmış ve temel yanıt fonksiyonları oluşturulmuştur. Kömür numunelerinden elde edilen gama spektrumu için çevresel radyasyon değeri ROOT Background algoritması kulanılarak elde edilen değerlerle toplanarak her elementin yanıt fonksiyonu bulunmuştur. Hesaplanan çevresel radyasyon için algoritma girdi olarak gerçek kömür gama spektrumunu almaktadır. Her element için ayrı ayrı yanıt fonksiyonu bulunup kütüphane elde edildikten sonra, gerçek kömür örneğinin gama spektrumuna fit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar ise kütüphanenin gerçek sonuçlara oldukça uyumlu olduğunu göstermektedir. Matris tersi ve çevresel radyasyon hesabı ile elde edilen element kütüphaneleri deneysel sonuçlaral uyum içersinde çıkmıştır. Dekonvolusyon ise bu çalışmanın bir diğer analiz kısmıdır. BGO dedektörü bazı elementleri enerji ekseninde yeterince ayrıştıramamaktadır. Bu yüzden foto – tepelerin birbirinden ayrılması için matematiksel bir algoritmaya ihtiyaç vardır. BGO dedektörünün enerji çözünürlüğü istenildiği oranda yüksek olmadığı için bazı foto – tepeler ayırt edilememektedir. Bu yüzden birbirine yakın foto – tepeleri ayırt edebilmek için ROOT Dekonvolusyon algoritması kullanılmıştır. Sistemin girdisi olarak kömür gama spektrumu ve ilgili elementin yanıt fonksiyonu kullanılmıştır. Sonuç olarak ise enerji – genlik skalasında her element için yanıt fonksiyonu bulunmaktadır. Yapılan bu çalışmada kömür örneklerinin hasarsız muayenesi gerçekleştirilmiştir. Kömürün kalori, nem, kül ve kükürt değerlerini hesaplayabilmek için bazı kritik elementler izlenmiştir. Kömürün tasniflenmesi açısından bu parametreler kömür endüstrisinde büyük önem arz etmektedir. Standart laboratuvar testleri uygulanacak olursa bu değerlerin bazıları kömürü yakarak elde edilmektedir. Bu çalışma sayesinde tez kapsamında bahsedilen yöntemler aracılığıyla kömür parametreleri hasarsız olarak bulunmakta ve bu işlem daha net sonuçlar verecek şekilde uygulanmaktadır. Yapılan tüm deneysel ve matematiksel çalışmalar ise bu amaca hizmet etmek için gerçekleştirilmiştir.
Özet (Çeviri)
In this study it is aimed to make a real time analysis of coal samples. The coal analysis is conducted in terms of its calorific value, sulphur content, ash and amount of moisture. Coal materials are classified for better combustion and minimum detrimental effects to environment. These beneficial features of coal samples are determined by burning the material before they are classified. Nuclear techniques conduct such determinations in non-destructive ways. Therefore, these methods are important in coal industry. The main principle of this array of experiments is based on the interaction of neutrons with coal material. Coal materials exposed to neutrons are radio actively excited and disintegrate by emitting gamma rays. These gamma rays have energy values which are the fingerprint of the elements presenting in coal. The elements are identified thanks to their certain gamma ray energy values. For the coal analyzing, Pulsed Fast Thermal Neutron Activation Analysis (PFTNAA) is utilized. This technique gives precise result even in a short period of time. Coal material interacts with neutrons and there are neutron inelastic scattering and thermal neutron capture processes. One of these kind of interaction branches are dominated for some of the elements. PFTNAA method also gives more precise results and information for some critical elements such as carbon and oxygen. There are other kinds of neutron sources used for neutron activation process, however these neutron sources such as Cf252 are not sufficient for identifying some certain elements. Carbon has specific energy value at 4.44MeV and this certain energy value is identified via fast neutron interaction mechanism. Neutron generator emits fast neutrons with 14 MeV energy and therefore it is detected carbon elements in material if they exist. In PFTNAA technique it is obtained two separate spectra. In these spectra some elements belong to fast and some of them belong to thermal neutron induced gamma spectra. They are identified via thermal and fast neutron interaction mechanisms. Therefore, it is nedded to separate thermal and fast neutron induced gamma ray spectra. For this purpose, collected gamma ray data is in the raw form. List mode data acquisition system allows for the data collection when the neutron generator in ON and OFF state. When the neutron generator is ON, resulted gamma rays belong to the fast neutron induced spectrum, when the neutron generator in OFF the neutrons are thermalized through the material and obtained spectrum is thermal neutron induced gamma ray. In the experiment, BGO detector gate port is directly connected to the neutron generator. In this way, BGO detector is triggered according to the ON/OFF mode of neutron generator. In order to allow fast neutrons to be thermalized, it is needed a certain duration to be waited without neutron emission. In this period of time neutrons are thermalized and they lose their energy. Operation time and duty cycle are adjusted via neutron generator interface. Voltage and current values are also set with the aid of interface control of neutron generator. PFTNAA technique is also useful in terms of radiation concern. The radiation only produced when the neutron generator is ON. Additionally, during experiment it is used WiFi router so as to study far away from the experimental setup therefore detrimental effects of the radiation. By the aid of remote desktop connection, both BGO detector and neutron generator are controlled confidentally. After obtaining the data colledcted by BGO detector, they are classified as two separate spectra. In order to obtain these spectra, it is written a C++ decoding code reading 32-word data coming from each of gamma ray entering detector. Raw data is analysed according to bitwise operators and decoding instruction of digiBASE-E module. Each bit carries its information about peak data or time of gamma ray photon striking the detector. The instruction manuel says that digiBASE-E module is active when 32-bit word first bit is 1 and it is at its OFF state when the first bit is 0. After decoding the list mode file the gamma ray photons are converted from histogram to a spectrum data. Each event corresponds to the same amplitude value are collected and stored in a channel where they belong to. In this way spectrum data is obtained. After obtaining the separate spectra, elements in coal material are identified clearly. The peaks appear individually without overlapping as in the total gamma ray spectra. The most dominant cross section values for the energy of elements are recognized in the apperant peaks in the spectra. By separating fast and thermal neutron induced gamma ray spectra element libraries are created. This database gives the information about the behavior of elements in the energy versus amplitude domain. This data store is used for a calibration process and determination of elemental content in the coal sample. This element library can be used for different coal samples but similar weights. By using library least square method element concentration of coal sample can be found easily. After data acquisition system is completed, offline analyzing methods are used for identifying the elements in coal and calculating their concentrations. There are various kinds of methods used in determination of element content. In this work it is conducted some experimental studies including both synthetic and real coal materials. There are two types of techniques are adopted for creating element library. They are; experimental studies and semi – experimental studies. These hybrid works are done with some mathematical formulation sets as well. Experimental studies can be grouped as synthetic coal sample experiments and real coal sample experiment arrays as stated. The synthetic coal sample concentration is known and therefore the system can be calibrated according to known values. Afterwards, a linear set of equations are created by using calibration coefficients in order to obtain unknown coal sample contents. The element library is found for the purpose of element concentration. This data base is found by different kinds of methods. Firstly, it is used least square method by taking inverse of a matrix obtained from a coal sample that has a known concentration. Obtained matrix includes the information for element library for coal samples with similar weights and type. In order to use this element library for another coal sample, working conditions and neutron emission durations should be the same as the experiment conducted for finding element library. Real coal samples are used for the identification and determination of some critical elements appearing in the bulk coal sample. It is tested that obtained element library works well or not by using real coal sampels. Element library data set can be found by using both experimental data and some mathematical algorithms as well. Obtained gamma ray spectra includes background information and element energy peaks are located just over this background data. These energy peaks are specific for each element and it is known their peak distribution shapes. By using these information, special Gaussian peaks are created correspond to certain energy values for the elements in coal sample. These peaks are summed with background data calculated by the aid of ROOT Background algorithm. Calculated background data gets the source data as gamma ray spectrum for real coal sample. After obtaining library set for each element, they are fitted to a real coal sample gamma ray spectrum in order to check their consistency to the real data. Both matrix inversion operation and background calculation algorithm used as fundamental techniques for elemental responses are fitted well with experimental gamma ray spectrum. Deconvolution process is other part of the offline analysis of this study. BGO detector cannot resolve accurately the energy peaks of elements. There are some multiplets appearing in the spectrum. Gamma ray – material interaction mechanisms coming from the environment interfere with fundamental nuclear reactions and then certain energy peaks cannot be identified easily. At this stage ROOT Deconvolution algorithm is used so as to separate multiplets. This mathematical formulation takes gamma ray spectrum as a source data for input and a response function for the relevant element as a second input. The result gives a spectrum for individual elements in energy – amplitude scale. They can be treated also as responses for elements. In this experimental study, it is conducted a non – destructive testing of coal material. Some critical element contents are determined in the aim of reaching calorific value, moisture, ash and sulphur concentration. These parameters have crucial importance in coal industry in terms of classification of coal. This procedure is performed by burning of coal. Our study helps to find contents of coal non – destructively and in a more accurate way. All of these experimental and numerical efforts are spent for this purpose.
Benzer Tezler
- Design and development of an FPGA controlled silicon pin photodiode detector array for neutron detection
Nötron deteksiyonu için FPGA kontrollü silikon pın fotodiyot detektör dizisi tasarım ve geliştirilmesi
AHMET BAYRAK
Doktora
İngilizce
2019
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiFizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CENAP ŞAHABETTİN ÖZBEN
- Yapay sinir ağlarının gama spektrometrik ölçümlere uygulanması
Application of artificial neural networks to gamma spectrometric measurements
SELİN ERZİN
Doktora
Türkçe
2019
Fizik ve Fizik MühendisliğiEge ÜniversitesiNükleer Bilimler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜNSELİ YAPRAK
- Trakya dolomiti ile atık sulardan kobalt giderilmesi için radyoaktif izleme tekniğinin kullanılması
The use of radiotracer technique for the removal of cobalt from wastewater with thracian dolomite
OĞUZHAN SAÇKIRAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ AYŞE NUR ESEN
- High-energy emission and temporal properties of magnetars
Magnetarların yüksek enerji ışıma ve zamansal özellikleri
SİNEM ŞAŞMAZ MUŞ
Doktora
İngilizce
2014
Astronomi ve Uzay BilimleriSabancı ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERSİN GÖĞÜŞ
- X-ray spectral and timing studies of the high mass X-ray binary pulsar 4U 1907+09
Yüksek kütleli X-ışını çift yıldız sistemi atarcası 4U 1907+09?un X-ışını tayfsal ve zamanlama çalışmaları
ŞEYDA ŞAHİNER
Yüksek Lisans
İngilizce
2009
Astronomi ve Uzay BilimleriOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALTAN BAYKAL
YRD. DOÇ. DR. SITKI ÇAĞDAŞ İNAM