Development of ceramic and glass-ceramic shielding materials for protection from ionizing radiation
İyonizan radyasyondan korunmak için seramik ve cam seramik zırhlama malzemelerin geliştirilmesi
- Tez No: 865138
- Danışmanlar: PROF. DR. SEMA ERENTÜRK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Enerji, Nükleer Mühendislik, Energy, Nuclear Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Nanobilim ve Nanomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 105
Özet
Radyasyon bilimi ve nükleer teknoloji günümüz dünyasının vazgeçilmezi haline gelmiştir. Radyasyon bilimi temel olarak iyonizan ve iyonizan olmayan radyasyon olarak iki grupta incelenir. Her iki radyasyon türü de teknolojinin gelişimine önemli katkılar sağlamıştır. Röngten'in Crooke's tüpüyle elektrik akımı deneyleri yaparken X ışınını keşfetmesi, iyonizan radyasyon çalışmalarını başlattı. Sadece bir yıl sonra, Henri Becquerel uranyumun radyoaktif olduğunu keşfetti. Radyasyon bilimindeki bu gelişmeler, Marie Curie'nin keşiflerine ışık tuttu. Curie, uranyumun radyoaktivitesi üzerinde çalışırken radyum ve polonyumu keşfetmiştir. Ernest Rutherford radyoaktivite üzerine yaptığı çalışmalarda radyasyon ışımalarının farklı enerjilere sahip olduğunu farketmiş, alfa ve beta parçacıklarını ve gama ışımasını bulmuştur. Radyasyonun keşfinden sonra özellikle sağlık alanında uygulamalar başlamış ancak kullanılacak doz ve etkileri hakkında kısıtlı bilgi mevcut olduğu için o tarihlerde radyasyon kullanımındaki doz miktarı ve radyasyondan korunma yöntemleri henüz yeterince gelişmemişti. Hem bilim insanlarının yaptığı çalışmalarda hem de X-ışınının teşhisi için kullanılması sırasında yanık gibi yaralanmalar olduğu fark edilerek kullanılacak doz limitleri belirlenmeye başlanmıştır. Doz limitlerinin belirlenmenin dışında çevrede bulunan canlılara zarar vermemesi için koruyucu malzemeler üretilmeye başlanmıştır. Radyasyonun keşfinden günümüze kadar radyasyonla ilgili bilginin artmasıyla birlikte tıp, enerji, sağlık ve uzay keşifleri gibi birçok alanda radyasyondan yararlanılmaya başlanmıştır. Özellikle iyonizan radyasyonun tıp alanında teşhis ve tedavi amaçlı kullanılmaya başlanması ve faydalarının fark edilmesinden itibaren X-ışını ve gama radyasyon teknolojisi geliştirilmiştir. Kırılan kemik, hasar gören organ ve dokuları tespit etmek için X-ışını fotonları gönderilir ve emilen foton miktarı ile görüntü elde edilir. Gama kaynağı kullanılarak gama ışınları kanser tümorlerine yönlendirilir ve tümör hücreleri yok edilir. Gama radyasyonu, tıpta radyoterapi, kanser tedavisi ve ekipman sterilizasyonu gibi amaçlarla kullanılan bir iyonlaştırıcı radyasyon türüdür. Radyasyonun yaygın olarak kullanıldığı diğer bir alan ise enerji üretimidir. Nükleer teknoloji ile enerji üretimi yüksek enerji verimliği, düşük karbon ayak izi ve petrol türevlerine ihtiyacı azaltarak karbon temelli yakıtlara ihtiyacı azaltması gibi nedenler, nükleer enerjiyi günümüz dünyasının temel enerji kaynaklarından biri haline getirmiştir. Gama ışınları nükleer reaktörlerin fisyon işlemi sırasında yayılır. Yayılan bu iyonizan radyasyonun dış ortama nüfuz etmesini engellemek kritik bir konudur çünkü alfa, beta, nötron ve gama gibi radyasyon türleri canlı dokulara nüfuz ettiğinde ciddi hasara neden olmaktadır. Radyasyon koruması uzay keşif görevleri için de büyük öneme sahiptir. Dünya sahip olduğu atmosfer sayesinde termosfer katmanında gama gibi iyonizan ışınları durdurabilmektedir. Ancak, atmosfer gibi koruyucu bir yapının olmadığı gezegenlerde ya da Uluslararası Uzay İstasyonu görevlerinde astronotların kıyafetleri, uzay aracı, uydular, güneş panelleri, rover gibi uzaktan kontrollü araçların hassas ekipmanları ve teleskoplar gama, nötron ve kozmik ışıma radyasyonlarına karşı zırhlanması gerekir. Uzay araçlarında bulunan cam yapıdaki malzemeler, elektromanyetik cihazlar, uydulara güç sağlayan güneş panelleri, astronot kıyafetleri, özellikle uzay görevlerinin başarı ile gerçekleştirilebilmesi için korunması gereken ekipmanlardır. Gama ışınlarını ve nötron parçacıklarını zırhlamada betonun mekanik dayanım, içerisinde bulundurduğu su miktarı, uzun kullanım ömrünün olması, çakıl, kum ve su gibi bileşenlerin ihtiyaç duyulan şartlara göre ayarlanabilmesi avantajları arasındadır. Betonun dezavantajları ise aktarım, küçük ölçeklerde zırhlama komponenti tasarım zorluğu ve ağırlıktır. Kurşun yüksek yoğunluğu ve atom numarası sayesinde X-ışınına ve gama ışınına karşı etkili bir zırhlama malzemesidir. Kullanım alanına göre değişmekle birlikte, toksisite, yüksek yoğunluk ve düşük kimyasal stabilizasyon kurşunun dezavantajları arasındadır. Tungsten gama ışınlarına karşı etkili koruma sağlayan bir başka malzemedir ancak pahalı oluşu ve üretimdeki zorlukları ve uygulama alanları nedeniyle kısıtlı tercih edilmektedir. Geleneksel olarak radyasyon zırhlamasında başarılı olan malzemelerin bu tür dezavantajlarından dolayı alternatif malzemelerin arayışı başlamıştır. Literatürde radyasyon zırhlama ile ilgi çalışılan geleneksel ve yeni malzemeler incelenmiş, sodyum feldspat hakkında kısıtlı çalışma olduğu gözlenmiştir. Son zamanlarda yapılan çalışmalar incelendiğinde alternatif malzeme olarak cam-seramik kompozitler ve polimer yapılı kompozitler incelenen önemli alternatifler arasındadır. Feldspat, doğada yaygın olarak bulunması, kolay erişilebilir olması, kurşun gibi sağlığı tehdit edici etkilerinin olmaması ve düşük maliyetli olması nedeniyle radyasyon zırhlayıcı olarak gelecek vaad eden alternatif malzeme olabilir. Bu çalışma, cam-seramik kompozit malzemelerin zırhlama performanslarını belirlemek, radyasyondan korunmada kullanılan kurşun ve beton gibi malzemelere alternatif üretmek amacıyla yapılmıştır. Sodyum feldspata baryum, bizmut ve kalay farklı oranlarda ilave edilerek kompozit malzemeler üretilmiştir. Oksijen ile bileşik oluşturup baryum oksit haline geldiğinde yüksek ergime sıcaklığı, düşük özgül ağırlık, yanmaya karşı dayanımı, gama ve nötron radyasyonlarına karşı zırhlama performansını artırması baryum oksitin seçilme nedenlerinden bazılarıdır. Bizmut oksit kompozit yapının termal stabilizasyonunu arttıran ve suda çözünmeyen yapıya sahiptir. Camsı yapıyı değiştirerek kompozisyonun yoğunluğunu artırır ve radyasyon geçirgenliğini azaltmaktadır.Bu tez kapsamında temel olarak yapılan çalışmalar; malzeme üretimi, kimyasal dayanım testleri, gama spektrometresi ile zırhlama performasının incelenmesi ve analizi, elde edilen verilerin literatür ile karşılaştırılmasıdır. Malzeme üretim sürecinde toz halindeki malzemeler toz presleme yöntemi ile preslenerek sinterleme işlemine hazır hale getirilmiştir. Hazırlanan karışımların kompozit malzeme haline getirilmesi, yapısal bütünlüğün sağlanması, mekanik dayanımının artırılması ve gözeneklerin küçültülmesi için 960-990°C aralığında 3 saat sinterleme işlemi yapılmıştır. Sinterleme sıcaklıklarındaki değişim ile malzemelerin fiziksel ve kimyasal özellikleri arasındaki ilişki tartışılmıştır. Malzemenin fiziksel ve kimyasal dayanımını belirlemek için kimyasal dayanıklılık, gözeneklilik ve kütle kaybı testleri yapılmış, özgül kütle kaybı ve etkin gözeneklilik değerleri hesaplanmıştır. Etkili porozite değerleri feldspat-bizmut oksit kompozitinde %0.1-1, feldspat-baryum oksitte %1'den düşük, feldspat-kalay oksitli yapıda ise %1-2.2 arasındadır. Co-60 ve Am-241 nokta radyoaktif kaynaklar, üretilen kompozitlerin radyasyon zırhlama performansını değerlendirmek için gama kaynağı olarak kullanılmıştır. Malzemelerin radyasyondan korunma performansını belirlemek için önemli parametreler olarak lineer zayıflatma katsayısı (LAC), kütlesel zayıflatma katsayısı (MAC), yarı değer kalınlığı (YDK) ve onda bir değer kalınlığı (ODK) hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlar literatür ile kıyaslanarak üretilen malzemelerin fayda sağlayabileceği potansiyel sektörler, ürünler değerlendirilmiş ve tartışılmıştır.
Özet (Çeviri)
Radiation science and nuclear technology have become indispensable in today's world. Radiation science is examined in two groups non-ionizing and ionizing, significantly contributing to technology development. Röngten's discovery of X-ray while conducting current experiments with Crooke's tube started the studies of ionizing radiation. Just a year later, Henri Becquerel discovered that uranium was radioactive. These developments in radiation science shed light on Marie Curie's discoveries. Curie discovered radium and polonium while working on the radioactivity of uranium. From the discovery of radiation to the present, with the increase in the knowledge about radiation, radiation know-how has become essential in many fields, such as medicine, energy, and space exploration. Ernest Rutherford realized that radiation has different energies and found alpha, beta particles, and gamma radiation in his studies on radioactivity. After the discovery of radiation, applications in the health field started. Still, since there was limited information about the dose and effects, the dose amount and radiation protection methods in the use of radiation were not developed enough. Later, it was realized that there were injuries and the dose limits needed to regulate. Apart from determining the dose limits, protective materials had been produced not to harm humans and others living in the environment. Radiation technology has begun to use in many fields such as medicine, energy, health, and space exploration from the discovery of radiation to the present day to the increase in the knowledge about radiation. X-ray and gamma-ray technology has been developed especially for ionizing radiation in medicine for diagnosis and treatment. X-ray photons are sent to detect damaged organs and tissues, and an image is obtained with the number of photons absorbed. Gamma rays are directed to cancer tumors, and tumor cells are destroyed. Gamma radiation is an ionizing radiation used in medicine for radiotherapy, cancer treatment, and equipment sterilization. Energy production is another field where radiation is widely used. The reasons for nuclear energy production are high-energy efficiency, low carbon footprint, reducing the need for carbon-based fuels, and reducing the need for petroleum derivatives. Gamma ray is emitted during the fission process in a nuclear reactor. Preventing this emitted ionizing radiation from penetrating the external environment is critical because radiation types such as alpha, beta, neutron, and gamma can cause severe damage when they penetrate living tissues. Radiation protection has also of great importance for space exploration missions. The Earth can stop ionized rays such as gamma in the thermosphere layer of the atmosphere. However, on planets where there is no protective structure, such as the atmosphere or on International Space Station missions, astronauts' clothes, spacecraft, satellites, solar panels, and sensitive equipment of remotely controlled vehicles such as rovers and telescopes must be shielded against gamma, neutron, and cosmic radiations. oncrete's mechanical strength in shielding gamma rays and neutron particles due to the amount of water it contains, long service life, and the ability to adjust components such as gravel, sand, and water according to the required conditions are among the advantages. Lead is an effective shielding material against X-rays and gamma rays due to its high density and atomic number. Although it varies according to the field of use, toxicity, high density, and low chemical stabilization are among the disadvantages of lead. Concrete and lead are conventionally successful materials for radiation shielding, but alternative materials have been sought due to those disadvantages. This study has been carried out to determine the shielding performance and radiation permeability of glass and ceramic matrix composite materials and to produce an alternative to materials such as lead and concrete for radiation protection. Feldspar can be a promising alternative radiation shielding material because it is widely available in nature, easily accessible, and cost-effective. Composite materials have been produced by adding barium, bismuth, and tin to sodium feldspar in different proportions. Barium forms a compound with oxygen and becomes barium oxide. Barium oxide has a high melting temperature, low specific density, and resistance to combustion. It increases shielding performance against gamma and neutron radiations. Bismuth oxide increases the thermal stabilization of the composite structure, has a water-insoluble structure, and changes the glassy structure by increasing the density of the composition and decreasing the radiation permeability. Main studies in this thesis: material production, chemical, and physical strength tests, examination, and analysis of shielding performance with gamma spectrometry, obtained data comparison with the literature. In the material production process, the materials in powder form were pressed with the powder pressing method and made ready for the sintering process. The sintering process was carried out at 960-990°C for 3 hours to make the mixture into a composite material, provide structural integrity, increase its mechanical strength, and reduce pores. Chemical durability, porosity, and mass loss tests have been carried out to determine the physical and chemical resistance of the material. Specific mass loss and effective porosity values were calculated. Effective porosity values are less than 0.1-1% in feldspar-bismuth oxide composite, 1% in feldspar-bismuth oxide, and 1.0-2.2% in feldspar-barium oxide structure. Co-60 and Am-241 radioisotope sources were used in gamma spectrometry to determine the intensity of radiation penetrating the material and evaluate the radiation shielding performance of composites. The linear attenuation coefficient (LAC), mass attenuation coefficient (MAC), half-value thickness (HVL), and tenth-value thickness (TVL) were calculated.
Benzer Tezler
- Development of novel thermal conductive polymer nanocomposites
Yeni nesil termal iletken polimer nanokompozitlerin geliştirilmesi
ELİFTEN SEMERCİ
Doktora
İngilizce
2021
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN KIZILCAN
DOÇ. DR. TUBA ERDOĞAN BEDRİ
- Polymethyl methacrylate yapının farklı iyonizan radyasyon tipleri karşısındaki davranışlarının partikül takviyesiyle değişiminin incelenmesi
Investigation of the change of the behavior of polymethyl methacrylate structure against different types of ionizing radiation with particle reinforcement
HİLAL MACUN ELMALI
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiNükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
- Li2O - ZnO - Al2O3 camlarının kontrollü kristalizasyonu ve cam seramiklerin karakterizasyonu
The Controlled crystallization of Li2O - ZnO - Al2O3 - SiO2 glasses and the characterization of glass ceramics
ENGİN MAYTALMAN
Yüksek Lisans
Türkçe
1999
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ERDEM DEMİRKESEN
- Alümina ilavesinin Li2O-ZnOSi2 cam ve cam seramiklerinin kristalizasyon davranışı, mekaniksel ve kimyasal özellikleri üzerine etkisi
Başlık çevirisi yok
ELVAN BİLGE ÇUKUR
- İyon seçici sol-jel film sentezi ve optik sensör olarak kullanmı
Ion selective sol-gel film synthesis and usage as optical sensor
MERVE UMUTLU