Determination of boron in tinkal ore by prompt gamma neutron activation analysis method
Ani gama nötron aktivasyon analiz yöntemi ile tinkal cevherinde bor tayini
- Tez No: 705323
- Danışmanlar: PROF. DR. İSKENDER ATİLLA REYHANCAN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Nükleer Mühendislik, Physics and Physics Engineering, Nuclear Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2021
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Radyasyon Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 83
Özet
Dünya genelinde 500'den fazla çimento fabrikası hem hammadde hem de fırın besleme kalitesini kontrol etmeye ve değişkenliklerini azaltmaya yardımcı olmak için çevrimiçi element analizörlerine güveniyor. Bu analizörler, ani gama nötron aktivasyon analiz yöntemini kullanır. Numune hazırlıklarının yüksek maliyetli oluşu ve hassas ölçümlerin ise uzun zaman almasından dolayı, hammaddelerin element içeriğinin çevrimiçi, tahribatsız ve hızlı olarak belirlenmesi hususundaki rağbeti giderek arttırmaktadır. Germanyum kristalli detektörlerinin geliştirilmesi ve ani gama nötron aktivasyon analiz yöntemi ile hammaddelerin element içeriğinin çevrimiçi, tahribatsız ve hızlı olarak belirlenebilmesi, bu husustaki isteğe yanıt olmuştur. Özellikle madencilik alanında, 1960'lardan bu yana, iyi bilinen nötron kaynaklı gama spektroskopisi, çevrimiçi endüstriyel analizörler tarafından yapılan aynı anda çok sayıda element analizi için, olağanüstü analitik hassasiyet ve giricilik yeteneklerine sahiptir. Ayrıca nötron aktivasyon analiz (NAA) tekniği, 100'den fazla farklı analitik yöntem içerisinde bir numaralı analitik teknik haline gelmiştir. Özellikle, yaygın olarak kullanılan X-ray Floresans (XRF) ve Fourier Dönüşümü Kızılötesi Spektroskopisi 'ne (FTIR) göre birçok üstünlüğü vardır. İlk ve en önemlisi olarak, ölçüm doğruluğunda her ikisine göre çok üstündür, nötron aktivasyon bazlı yöntemler. Buna ek olarak, ölçüm metodu, çevre koşullarından etkilenme, numune geometrisi gibi konularda da üstündür. Ayrıca, XRF metodu atom numarası 12'den küçük elementleri belirleyemez. Ani gama nötron aktivasyon analiz yaklaşımı nötron aktivasyon tekniğinin üstünlüğüne sahip oluşundan dolayı, ölçümler tahribatsız ve hızlı gerçekleşir. Ayrıca nötron aktivasyonundan oluşan gama pikleri keskindir ve bu gama piklerindeki interferans etkileri en az şekilde görülür. Ani gama nötron aktivasyon analiz tekniğinde, öncelikle numune nötronlarla bombardıman edilir. Sonrasında, numunenin içindeki atom çekirdekleri nötronla elastik olmayan saçılım ve termal nötron yakalama reaksiyonlarına girerek karakteristik gama ışıması yapar. Daha sonrasında ise, dedektörün kristali ile etkileşen bu gama ışınları toplanarak, numunenin gama spektrumu oluşturulur. Son olarak spektrum analiz programı ile analiz edilen ölçüm sonucundaki gama piklerinin yoğunluğuna göre elementlerin numune içindeki yüzdeleri belirlenmiş olur. Bu çalışmada kullanılan Tinkal cevherinde, bor-oksit içeriği %23 ile %30 oranları arasında değişmektedir. Nötron kaynağı olarak Thermo Fischer MP320 Nötron Jeneratörü seçilmiştir. MP320 model bu nötron jeneratörü, döteryum-trityum füzyon reaksiyonu ile 14 MeV enerjideki nötronlar üretir. Döteryumlar, trityum hedefe hızlandırılarak çarptırılır ve hedef içindeki trityumlarla etkileşerek füzyon reaksiyonu gerçekleştirir. Bu nötronlarla bombardıman edilen tinkal cevherinin içinde nötronların elastik olmayan saçılma ile gama radyasyonun yayımlanmasının yanında, nötronların cevher içinde yavaşlaması ve nötron yakalama reaksiyonuna girmesi sonucunda da gama radyasyonu açığa çıkar. Özellikle, 10B izotopunun termal nötron yakalama tesir kesiti 477 keV'da 716 barn olduğundan, gama spektrumunda kolaylıkla elde edilir. Nötron jeneratörleri, yalnızca güç devrede olduğu sürece nötron ürettiğinden ve buna ek olarak birçok güvenlik aşamasına da sahip olduğundan kullanımı oldukça güvenlidir. Öte yandan, izotopik nötron kaynakları kesintisiz olarak nötron yayar ve alan monitörü ile 7/24 kontrol edilmelidir. Hem güvenlik hem de verim nedenlerinden dolayı nötron jeneratörü seçilmiştir. Numune hazırlığı süreci nötron aktivasyon analizlerinde önemli yer tutar. Bu amaçla, numenin aynı kalınlık seviyesinde olmasını ve düzgün dağılım sağlamak amacıyla tinkal cevher boyutları belirli oranda küçültülmüştür. Numuneler (her biri yaklaşık 50 kg) yürüyen banda konulduktan sonra, hareketli bant ile nötron jeneratörünün altına getirildi. Bunun yanında Thermo Fischer MP320 model nötron üreteci, nötronlarının çoğunu ön uçta üretir. Bu alan“hedef yüzey”olarak füzyon tüpünün üstünde işaretlidir. Bu nedenle optimum ışınlama noktasının bulunması için gerekli test ölçümleri yapılmış ve optimum ışınlama yeri belirlenmiştir. Numuneler, nötron üretecinde demet akımı 70 µA ve yüksek voltajın ise 60 kV olarak ayarlanıp, on beş dakika boyunca nötronlarla ışınlanmıştır. Işınlama süresince numuneler sabit pozisyonda tutulmuştur. Dedektör, doğrudan gelen nötronlardan kaçınmak ve aynı zamanda numuneden yayılan gama ışınlarının çoğunu toplayabilmek için yere yatay olarak negatif 53° açıyla dedektör yuvasına konuldu. Ayrıca dedektör yuvasında, hem farklı açılardan gelen gamaların dedektöre ulaşmasını engellemek hem de gürültüyü azaltmak amacıyla halka şeklindeki kurşun zırh bulunmaktadır. Pik analizi ve En Küçük Kareler yaklaşımı sıkça birlikte kullanılır. En küçük kareler yaklaşımının temel varsayımı, bilinmeyen bir örneğin spektrumları, tekil enerjili parçalara ayrılabilir. Buradan oluşturulan element kütüphanesi yardımı ile ters işlem gerçekleştirilip, spektrumu yeniden oluşturmak mümkündür. Böylece gerekli hesaplamalar yapılıp, yüzde olarak element içeriği, kül, nem ve kalori değeri gibi istenilen özellikler elde edilebilir. En Küçük kareler yönteminin en büyük avantajları, arka plandan kaynaklanan karmaşık spektral şekillerin, darbe yığılma bozulmalarının, iki farklı pikin birleşerek toplamı olarak spektrumda görülmesi ve analizi karmaşıklaştıran, doğrusal olmayan spektrum bileşiklerinin doğrudan ortadan kaldırılmasıdır. Bu çalışmada, element kütüphanesi hem deneysel metot ile hem de Monte Carlo metodu ile elde edilmiştir. Geant4 yazılımı, hem deneysel kurulumun simülasyon geometrisini oluşturmak hem de histogramlarını elde etmek için seçilmiştir. Buradan elde edilen histogramlar, dedektörün yanıt fonksiyonuna göre spektrumlara genişletilmiş ve en küçük kareler yöntemi ile tekil element kütüphanesinin oluşturulması için kullanılmıştır. Tinkal içerisindeki B, Mg, Na, Ca, Si, Al, S ve Fe elementleri oksit halinde olup, simülasyondaki Tinkal element içeriklerinin kütlece yüzdesi ETİ Maden Lab sonucuna göre ayarlanmıştır. Ayrıca, laboratuvar sonuçlarındaki kızdırma kaybı (LOI) yüzdesi %40 civarındadır. Buna ek olarak, numunedeki nem oranları %6-9 arasında değişmekte olup simülasyon kodlarında %8 olarak alınmıştır. Bu çalışmadaki numune sayısı, endüstriyel bir kurulumla karşılaştırıldığında çok azdır. Ani gama nötron aktivasyon analiz yöntemi için yapılacak standart endüstriyel kurulumunda, numune sayısı 50-100 değerleri arasında değişmektedir. Buna rağmen, ani gama nötron aktivasyon analiz yöntemi ile, nötron kaynağı olarak 14 MeV nötron üreten nötron jeneratörü ve en küçük kareler yaklaşımı ile az sayıda örnekle bile ölçüm sonuçlarının, laboratuvar sonuçlarıyla tutarlı olduğu gösterilmiştir. Toplam on adet olan numune sayısı nedeniyle, set 8 numunesi bilinmeyen olarak seçildikten sonra geriye kalan dokuz adet numune ile beş elementin yüzdeleri tayin edilmiştir. Bu tezde gösterildiği gibi, pik analizinde en küçük kareler yaklaşımı ile PGNAA'dan elde edilen sonuçlar, dokuz numune içerisinden, beş elementin yüzdelerinin bulunmasında, laboratuvar sonuçları ile uyumlu sonuçlar elde etmiştir.
Özet (Çeviri)
Online elemental analysers are used by more than 500 cement facilities around the world to assist in regulating raw material, kiln feed quality and reduce variability. In addition, these analysers use prompt gamma neutron activation analysis. Because of the sample preparation costs, which are high and precise measurements take so much time. Therefore, the desire for online, non-destructive and fast measurements to determine the elemental composition of bulk raw materials is growing. After the development of germanium (Ge) detectors, solution for online, non-destructive and fast measurement has arrived with the prompt gamma neutron activation analysis method. The elemental analysis, particularly in the mining field by on-line belt industrial analysers from the 1960s, for numerous elements, the well-known neutron-induced gamma spectroscopy, has exceptional analytic sensitivity and penetration abilities. In addition, the neutron activation analysis technique has become the number one analytical technique in more than 100 different analytical methods. Besides, the prompt gamma neutron activation analysis approach is non-destructive and quick, neutron activation utilization has supremacy since spectrum are overlapping-free and interfering effects are minimized. Moreover, the prompt gamma neutron activation analysis method is used since it is a non-destructive and proven analytical technique that can determine the amount of an element in a sample by collecting emitted gamma rays from neutron and nucleus interaction with very short measurement time. Boron oxide contents in Tinkal cements used in this study ranged from 23% to 30%. To be able to detect gamma rays emitted from boron, a certain amount of sample thickness is needed for neutrons to be thermalized, since the MP320 neutron generator produces neutrons at 14 MeV energy via a deuterium-tritium fusion reaction. Since, the thermal cross section of the 10B isotope is 716 barns at 477 keV. Thus, in the spectrum, the gamma peak of 477 keV is easily determined. Neutron generators emit neutrons only when the power switch is turned on and have many interlocks to operate safely. For both safety and throughput reasons, a neutron generator has been chosen in this study. Sample preparation is important subject for neutron activation analysis. In order to achieve the same thickness level, tinkal ore size is reduced. Samples (approx. 50 kg for each sample) are put on the conveyor and brought to the underside of the neutron generator by a moving belt. Besides that, the Thermo Fischer MP320 model neutron generator produces most of its neutrons at the front end, which is indicated as the target plane. Therefore, to find the optimum location of irradiation, test measurements are performed. After that, samples are irradiated with neutrons for fifteen minutes where beam current is 70 A and HV at 60 kV. The detector was placed at negative 53° horizontal to the landscape to protect the detector from direct incoming neutrons and at the same time to be able to collect most of the emitted gamma rays from the sample. Also, a detector was put inside the ring-shaped lead to both prevent gamma rays from reaching from different angles and reduce noise. Samples were in still positions during irradiation. Geant4 was chosen to simulate experimental setups and spectrums that will be used to develop the Monte Carlo element library by LLs. In this study, an experimental method is also used to create a single element library. B, Mg, Na, Ca, Si, Al, S, and Fe elements were in oxide form. The mass percentage of the elements was adjusted according to the result from ETI Maden Lab's in Geant4 simulation code. Peak analysis and library least squares are two common approaches for analysing the measured PGNAA gamma spectrum. The fundamental supposition of the library least squares approach, spectra of an unknown sample can be divided into parts that belong to the monoenergetic segments. Based on this method, taking the spectrum at hand, the element library can be used to perform the reverse operation. so that desired features such as elemental percentage can be driven. The number of samples in this study was very small compared to an industrial set-up. Nonetheless, the power of the library least squares approach and the prompt gamma neutron activation analysis technique with neutron generator has proved that even with few samples, the results of measurement are consistent with lab results. As demonstrated in this study, results from prompt gamma neutron activation analysis with neutron generators and library least square approaches, are even with five elements out of nine samples, is compatible with lab results.
Benzer Tezler
- Borik asit ve boraks pentahidrat bileşiklerinin kristalizasyon ile üretim şartlarının CMSMPR sisteminde optimizasyonu ve kekleşmenin incelenmesi
Optimization of the production conditions by crystallization of boric acid and borax pentahydrate compounds in CMSMPR system and investigation of caking
SİNAN KUTLUAY
Doktora
Türkçe
2018
Kimya MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. AYHAN ABDULLAH CEYHAN
PROF. DR. ÖMER ŞAHİN
- Bor mineralleri ve türevlerinin tayin metodları
Analysing methods of ores and subdivision of boron
SEMRA AKÇİN (ÖZCAN)
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
KimyaEskişehir Osmangazi ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TEVFİK GEDİKBEY
- Yapı malzemesi üretiminde kullanılan bor türevlerine yönelik çalışmaların analizi
The analysis of researches which studies derivatives of boron used in building materials
TUFAN BORA SAMUK
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Mimarlıkİstanbul Teknik ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİHAL ARIOĞLU
- Birlikte çöktürme-mineralizasyon yöntemi ile sulu çözeltilerden bor kazanımı
Boron recovery from aqueous solutions by co-precipitation-hydrothermal mineralization method
YUSUF YAĞMUR
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLHAYAT NASÜN SAYGILI