Geri Dön

Beta, gamma and neutron attenuation properties of PMMA/colemanite composites exposed to space radiation in low earth orbit

Alçak dünya yörüngesinde uzay radyasyonuna maruz kalan PMMA/kolemanit kompozitlerinin beta, gama ve nötron zayıflatma özellikleri

  1. Tez No: 883805
  2. Yazar: MEHMET ORHAN ŞİRİN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Astronomi ve Uzay Bilimleri, Nükleer Mühendislik, Astronomy and Space Sciences, Nuclear Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Radyasyon Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 101

Özet

Polimerler, günümüzde endüstrinin çeşitli alanlarında kendine yer edinmiş önemli bir malzeme grubudur. Otomotivden sektöründen havacılığa kadar uzanan geniş bir ürün yelpazesinde yer alan polimerler aynı zamanda gelecek vadeden pek çok bilimsel araştırmanında odak noktası olmuştur. Kapsayıcı bir bakış açısıyla değerlendirildiğinde; düşük maliyet, kolay proseslerle üretim yapılabilme imkânı, kompozit üretimine elverişlilik gibi pek çok özelliği sayesinde günümüz endüstirisinde değiştirilmesi güç bir yer edinmiştir. Bununla birlikte ilgili polimer bazlı malzeme grubu daha detaylı incelendiğinde bazı polimerlerin özellikle bir dizi araştırma konusunda diğer malzeme seçeneklerinden daha kullanışlı olduğu ortaya çıkmaktadır. Poli(metil metakrilat) (PMMA) günümüzde tıpkı diğer polimerler gibi geniş bir ürün yelpazesinde kullanıma sahip sentetik bir malzemedir. Bu noktada, PMMA' nın çeşitki malzeme özellikleri incelendiğinde, amorf yapılı termoplastik bir malzeme olarak sınıflandırılmasının yanı sıra saydamlık ve sertlik gibi bir dizi mekanik özellikleri ile de dikkat çeken bir malzeme olduğunu ifade etmek mümkündür. Fiziksel ve kimyasal çeşitli özelliklerinin haricinde özellikle kompozit yapısı içerisinde bir matris olarak kullanımı ile birlikte kendi doğasından gelen özelliklerin haricinde birçok farklı kullanım alanına da dahil olması kaçınılmazdır. Diğer bir deyişle, çeşitli takviye elemanlarının kullanımı ile birlikte PMMA' nın birtakım özelliklerinin desteklenebilmesi, artırılabilmesi ve baz formundan daha elverişli bir hale getirilebilmesinin önünde herhangi bir engel bulunmamaktadır. Takviye elemanlarının sahip olduğu özellikler, oluşturulacak yeni bir kompozitin yapısını doğrudan etkileyeceğinden dolayı ulaşılması hedeflenen malzeme özellikleri göz önünde bulundurularak belirlenmelidir. Kolemanit (CMT) içeriği itibarı ile radyasyon zırhlama alanında kullanıma aday bir takviye elemanı olarak değerlendirilebilecek mineraller arasında yer almaktadır. Çeşitli araştırmalar kapsamında radyasyon zayıflatma özellikleri tespit edilip literatüre sunulmuş olan PMMA ile birlikte CMT' nin takviye elemanı olarak kullanımının tercih edilmesinin farklı radyasyon tiplerine karşı daha gelişmiş bir radyasyon zırhlama imkânı ortaya koyacağı öngörülebilir bir olgudur. Öte yandan radyasyon zırhlama amacı ile geliştirilen farklı malzemelerin uzun ömürlü kullanımında zayıflatma özelliklerinin korunması ve çeşitli operasyonel kısıtlamaların önüne geçilmesi ilgili malzemelerin fonksiyonel kullanımı açısından oldukça kritik bir unsurdur. Bu sebeple sentezleme süresince düşük maliyet ve hedeflenen özelliklerin elde edilmesinin yanı sıra; kullanım süresince de malzemenin sahip olduğu çeşitli kimyasal ve fiziksel özelliklerinin korunmasının da sağlanabiliyor oluşunun göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Özellikle uzaydaki yoğun radyasyon ortamı değerlendirildiğinde, yüksek enerjili parçacıklar ile hedef malzemenin etkileşimi sonucunda azımsanamayacak seviyede bir doz maruziyeti söz konusudur. Bahsi geçen radyasyon yoğunluğu bakımından üst düzey riskli ortamda bulunan malzeme gruplarının doğrudan yüksek doza maruz kalması sonucu yapısında bir dizi değişikliğin olabileceğini öngörmek mümkündür. Bununla birlikte, uzay çalışmalarında kullanıma sunulan malzemelerin aldığı yüksek dozlar sonucunda herhangi bir ışınlama işlemine maruz kalmamış formundaki gibi efektif bir zırhlama performansı gösterebilmesi beklenmektedir. Doz maruziyeti süresince, zırhlama performansında oluşabilecek herhangi bir yetersizlik sonucu alternatif yeni bir malzeme kullanımının operasyonel zorluğu ve maliyeti göz önünde bulundurulduğunda uzun süreli fonksiyonel yapıların kullanımının uzay çalışmaları açısından bir gereklilik olarak değerlendirilmesi kaçınılmazdır. Bu tez çalışması kapsamında, atom transfer radikal polimerizasyon (ATRP) yöntemi ile üretilmiş baz PMMA, %5 CMT takviyeli PMMA, %5 CMT ve mikroküre takviyeli PMMA ve %15 CMT takviyeli PMMA kompozitlerinin yaklaşık 1 yıl süre ile alçak dünya yörüngesinde konumlandırılmış olan Uluslararası Uzay İstasyonunda açık uzay radyasyonuna maruz kaldıktan sonra çeşitli radyasyon türlerine karşı sergilediği zayıflatma özellikleri incelenmiştir. Sentezlenen numunelerin uzay radyasyonuna maruz bırakılmasına ilişkin deneysel çalışmalar Japonya Havacılık ve Uzay Araştırma Ajansı (JAXA) ile iş birliği içinde gerçekleştirilmiştir. Fırlatma ve iniş işlemleri Space-X firması aracılığı ile gerçekleştirilmiş olup, ilgili numuneler dünyaya iniş yaptıktan sonra JAXA' ya ait Tsukuba Uzay Merkezi (TKSC)' ne yönlendirilmiştir. Falcon-9 roketi ile fırlatılan numuneler Uluslararası Uzay İstasyonunda Japon deney modülü Kibo' ya bağlı bir bağlantı mekanizması olan 'ExHAM' tesisine yerleştirilmiş olup 363 gün boyunca açık uzayda radyasyona maruz bırakılmıştır. Uzay deneylerinin gerçekleştirildiği yörünge itibari ile galaktik kozmik radyasyonla birlikte yüksek enerjili elektron ve pozitronlarla etkileşime girmiş olan numuneneler için absorbe edilen doz miktarı yaklaşık 0.02 kGy olarak tespit edilmiştir. Numuneler uzay radyasyonuna maruz bırakıldıktan sonra dünya ortamına getirilmiş olup çeşitli deneylere tabi tutulmuştur. Bu deneyler kapsamında Sr-90 beta kaynağı olarak, Co-60 ve Cs-137 radyoizotopları ise gamma kaynağı olarak kullanılmıştır. Radyoizotopların haricinde, 239Pu-Be nötron howitzer de nötron kaynağı olarak tercih edilmiştir. Gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda, uzay radyasyonuna maruz bırakılmış farklı CMT takviyelerindeki PMMA/CMT kompozitlerinin beta, gama ve nötron zayıflatma özellikleri incelenmiştir. Bununla birlikte, herhangi bir ışınlama operasyonuna maruz kalmamış %15 CMT takviyeli PMMA/CMT kompozitinin aynı kompozisyondaki alçak dünya yörüngesinde açık radyasyona maruz bırakılmış formu ile karşılaştırması her bir deney düzeneğinde ayrıca incelenmiştir. Böylelikle hem CMT takviyesinin hem de Uluslararası Uzay İstasyonunun bulunduğu yörüngedeki radyasyon ortamının ilgili malzemelerin beta, gama ve nötron zayıflatma özelliklerine etkisi deneysel olarak ortaya konmuştur. CMT takviyesindeki artışın uzay radyasyonuna maruz kalmış PMMA/CMT kompozitlerinin zayıflatma özelliklerini artırdığı yapılan çalışmalar neticesinde tespit edilmiştir. Farklı kalınlıklarda gerçekleştirilen ölçümlerle birlikte, lineer zayıflatma katsayıları elde edilmiş olup teorik değerlerle birlikte kıyaslanması yapılmıştır. Öte yandan, %15 CMT takviyeli PMMA/CMT kompozitinin Uluslararası Uzay İstasyonundan gelen formu ile herhangi bir doza maruz kalmamış formu aynı deney düzeneklerinde incelendiğinde ise; doza maruz kalan numunenin zayıflatma özelliklerinde herhangi bir azalma görülmemiş olmasının yanı sıra zırhlama kabiliyetinin arttığı da sayısal değerlerle birlikte açıklanmıştır. Numunelerin alçak dünya yörüngesinde radyasyona maruz kalmasıyla birlikte yapısal bir dizi değişikliğe uğradığı öngörülmektedir. ATRP tekniğinin özellikle uzay radyasyonuna karşı zırhlama amacı ile kullanımda alternatif olabilecek bir malzeme sentezinde tercih edilmesi, kompozit yapısının ışınlama sonrası değişimine etki edebileceği tahmin edilmektedir. Bu noktada ilgili kompozitlerin yapısında açık uzay deneyleri süresince alınan yüksek doz ile birlikte yeni reaktif uç grupların ve serbest radikallerin oluşması beklenmektedir. Işınlama ile birlikte ortaya çıkan bu uç grupların polimer matris içerisindeki moleküler çapraz bağların oluşumunu desteklemesi ile birlikte ilgili kompozitin ağ yapısının değişiminin söz konusu olduğu değerlendirilmiştir. Çapraz bağların oluşumu ile birlikte kompozit yapısının sıkışması, güçlenmesi ve yoğunluk artışının oluşmasına dair çıkarımlar radyasyon temelli gerçekleştirilen deneysel çalışmalar sonucunda yapılmıştır.

Özet (Çeviri)

Polymers are an important material group that has gained a prominent place in various fields of industry. The usage of polymers has been expanded in a wide range of products ranging from automotive to aerospace industry apart from plenty of various promising scientific research. It is inevitable to evaluate that with a comprehensive perspective, polymers have gained a place that is difficult to change in today's world, thanks to its several properties such as low cost, easy to process and suitability for composite production. However, it becomes clear that some polymer- based materials are more suitable than other material options for a number of sophisticated research areas. Poly (methyl methacrylate) (PMMA) is a polymer-based synthetic material that is widely used in today's world. It is possible to state PMMA is an important thermoplastic material and stands out with its mechanical properties such as transparency and hardness. The applications of PMMA can be intrinsically diversified due to the opportunity of using as matrix in a composite structure apart from its utilization solely based on some physical and chemical properties. In other words, there is no such an obstacle to improve the any properties of PMMA and creating the new material that is more favorable than its base form with reinforcement voluminous elements. The reinforcement elements must be determined by taking into account a number of purposes since introducing agents directly affects the properties of the composite to be produced. However, Colemanite (CMT) is a mineral that can be considered as a candidate reinforcement element for use in the field of radiation shielding due to its chemical constituent. It is a foreseeable fact that introducing the CMT as a reinforcement agent along with PMMA that has been used for radiation attenuation applications within the scope of various researches can improve the attenuation ability of base PMMA against different types of radiation. On the other hand, it is an extremely critical point that for a developed material to maintain the attenuation properties in long-term use and to prevent various operational restrictions in terms of functionality. For this reason, the targeted properties must also be preserved during using of the material in addition to achieving the cost and desired properties in the initial synthesis process. There is a huge amount of radiation dose for a matter due to the components of space environment such as galactic cosmic rays and solar energetic particles. It is possible to foresee that there may be a series of changes in the structure of material groups in an exceedingly harsh radiation environment of space. Thereby, the materials used in space studies must be able to ensure effective radiation shielding for long term uses even after even after receiving high doses of radiation. Moreover, it is clear that long-term use of material in space can be considered as enormously favorable by taking into account cost and operational difficulty. In this study, base PMMA, PMMA/CMT 5 wt.%, PMMA/CMT 15 wt.% and PMMA/CMT 5 wt.% with microspheres were produced by the atom transfer radical polymerization (ATRP) method. Synthesized samples have been exposed to space radiation on the International Space Station for approximately a year. Afterwards, attenuation properties of the samples against various types of radiation were examined within the scope of the ground-based experiments. Experimental studies on the exposure to space radiation were performed in cooperation with the Japan Aerospace Exploration Agency (JAXA). The launch and landing operations were carried out by the Space-X company. The samples were directed to JAXA's Tsukuba Space Center (TKSC) after landing on Earth. Launching was carried out with the Falcon-9 rocket and samples were placed in the 'ExHAM' facility which is connected to the outside of the Japanese experiment module on the International Space Station. In addition, the absorbed dose amount for the samples that interacted with high-energy electrons and positrons along with galactic cosmic radiation and solar energetic particles was determined as thereabout 0.02 kGy. Within the scope of the ground-based experiments, Sr-90 radioisotope was used as the beta source while Co-60 and Cs-137 radioisotopes were used as the gamma source. Apart from radioisotopes, 239Pu-Be neutron howitzer has preferred as the neutron source. Beta, gamma and neutron attenuation properties of PMMA/CMT composites that exposed to space radiation were examined. Furthermore, PMMA/CMT composites 15 wt. % concentrations were investigated for different radiation types to obtain the attenuation properties for both unirradiated and irradiated state in each experimental setup. Hence, the effects of both CMT reinforcement and radiation environment in low earth orbit on the beta, gamma and neutron attenuation properties were determined. Studies have shown that the increase in CMT ratio in the composite structure improves the attenuation properties of PMMA/CMT composites that exposed to space radiation. In addition, linear attenuation coefficients of the samples were determined through the different thicknesses and compared with theoretical values. PMMA/CMT 15 wt. % samples in both irradiated and unirradiated state were examined in the same experimental setup to understand the effects of open space radiation. It can be stated that there is no decrease in the attenuation properties of the irradiated PMMA/CMT 15 wt. %. It is possible to predict that the samples have meet a series of structural changes as they were exposed to radiation in low earth orbit. The ATRP technique in the synthesis of a material was preferred by considering the space radiation environment. It is considered that new reactive end groups and free radicals formed due to the high amount of radiation dose taken during the space experiments. The formation of molecular cross-links within the polymer matrix can be occurred as a result of these newly formed end groups. However, the network structure of the relevant composite can be strengthened via the creation of cross-links. It has been inferred that the strengthening and density increase of the composite structure can be deducted with the formation of cross-links.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    618660

    Comparison of beta, neutron and gamma attenuation properties of pmma/colemanite composites

    Pmma/kolemanit kompozitlerin beta, nötron ve gamma zayıflatma özelliklerinin karşılaştırılması

    SHIMA MEHRANPOUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN

  2. Tez No

    878276

    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

    Türkçe

    2024

    Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN

  3. Tez No

    632947

    Synthesis of poly(imide) siloxane block copolymer, structural characterization and comparison of irradiation effect in radiation shielding properties for flexible sheet and pelletized form

    Poli(imid) siloksan blok kopolimerin sentezi, yapısal karakterizasyonu ve ışınlama etkisinin esnek levha ve peletleştirilmiş formlarında radyasyon zırhlama özelliklerinin karşılaştırılması

    TÜRKAN DOĞAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2020

    Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN BAYDOĞAN

  4. Tez No

    372511

    Aluminyum titanat/spinel'in radyasyon karşısındaki davranışının incelenmesi ve değerlendirilmesi

    Investigation on behaviour of aluminium titanate/spinel composed materials against radiation

    GÖRKEM ÇEVİKBAŞ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nükleer Araştırmalar Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. A. BERİL TUĞRUL

  5. Tez No

    66613

    Gama geçirgenlik prensibi ile malzemelerin ağırlıklarının ölçülmesi

    Weight measurements by using gama transmission principle

    S.ÜNAL ÖZTÜRK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Nükleer Mühendislikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ALİ NEZİHİ BİLGE

Geri Dön