NÖTRONLAR VE GAMA IŞINLARI MADDE İÇİNE GİRİP NELER YAPARLAR?

14 MeV enerjili nötronları alıp 20 cm kalınlıkta demirden geçirirsek bu tarafa geçen 131 nötronu, 20 cm kalınlıkta sudan geçirirsek 388 nötronu, 20 cm  betondan geçirirsek 302 nötronu, 20 cm alüminyumdan geçirirsek 519 nötronu, 20 cm karbondan geçirirsek 263 nötronu, 20 cm polietilenden geçirirsek 405 nötronu, 20 cm kalınlıktaki tungstenden geçirirsek 103 nötronu, 20 cm kalınlıktaki kurşundan geçirirsek 324 nötronu karşı taraftan sayabiliriz.

Gama ışınları madde ile karşılaştıkları zaman (fotonlar) foto-elektrik, Compton saçılması ve çift teşkili olaylarını yaparlar. Foto-elektrik olay, Einstein’ın Nobel almasını mümkün kılan olaydır. Madde üzerine fotonlar çarpar, maddeden elektronların çıkmasına sebep olur. Compton saçılmasında ışının enerjisi tamamen yok olmaz. Çift teşkili olayında, foton tamamen yok olur, elektron ve pozitrona dönüşür. Gama ışınları madde ile etkileşirken iyonizasyon, fren ışınları (bremsstrahlung), annilasyon ve birbirleriyle ve madde ile çarpışarak mükerrer çarpışma yaparak yüklü parçacıkların meydana gelmesine sebep olur.

Nötronlar madde içine girdiği zaman, enerjilerini kaybederler, elastik ve inelastik saçılma yaparlar, maddenin içine girip yutulurlar (nötron capture). Fisyon oluyorsa fisyon olayına sebep olurlar, yeni izotoplar meydana getirirler, hızlı nötronlar enerjilerini çarpışmalarla kaybedip thermal nötron olurlar, enerjileri 0.025 eV ye düşer, çekirdek tarafından yutulurlar. Örneğin, Çin kömürünün analizinde kütle spektrometresi analizleri çok güvenilir sonuçlar vermektedir. Literatürde çok sayıda kaynak mevcuttur. (Chun-Yan You, et.al., Molecular Charachteristics, Fuel 155 (2015) 122-127)

Nötronlardan korunmak için kullanılan malzemelerin bazıları demir, su, H, C, O, Na, Mg, Al, Si, K, Ca, Al, ¹²C, C, H, W, polietilen ve kurşundur. Betonun içine bor katarsanız çok kuvvetli bir nötron koruyucu yapmış olursunuz.

Mineral endüstrisinde bilhassa kömür ve çimento endüstrisinde on-line nükleer analiz teknikleri kullanılır. Endüstrideki bu büyük parçaların analizi nötronları kullanarak yapılmaktadır. Sırtınızı siz nükleere dönmüşseniz, bu analizleri saniyenin 10’da biri zamanda yapmaya hiçbir zaman muktedir olamazsınız. Nükleer enerji onun için lokomotiftir, sadece elektrik elde edilmesinde değil. Kömür endüstrisinde, çimento endüstrisinde ve mineral endüstrisinde ölçme teknikleri nötronlara dayanmaktadır. Genel olarak, örneklerdeki maddelerin konsantrasyonlarını ölçmek (kömürdeki, kayadaki, topraktaki, çimentodaki) kimyasal metodlarla son derece zor, zaman alıcı (herbiri için en az 8 saat) bir çabadır. Acele cevap almak imkansızdır. Laboratuardaki birkaç gramlık örnekler maden bölgesindeki durumu aksettirmeyebilir. Bu tip ölçmelerde en büyük hatalar bundan doğmaktadır. Bundan dolayı, nükleer olarak, ani gama ışınlarının aktivasyon analizi (PGNAA) bilinmeyen maddelerin derhal ölçülmesini sağlar. Ölçü on-line’dır. Derhal sonuç verir. Biz onun için nükleer teknoloji diyoruz. Saniyenin kesirlerinde sonuçlar elde edilir. Metod kaynak zenginliğini anında ortaya koyar. Maden çıkarılmasında optimizasyonu sağlar. PGNAA ölçme metodu (1), gravimetrik(2), kalorimetrik(3) ve spektroskopik(4,5) metodlarla karşılaştırmak mümkündür. Ölçü hassasiyeti en iyi PGNAA metodundadır. X-ray fluorescence analysis küçük örnekler için çok faydalıdır(6).

1.      İskender Atilla Reyhancan, Alborz Ebrahimi, U.Üner Çolak, M. Nizamettin Erduran, A Monte-Carlo Library Least Square Approach...Nuclear Inst. Methods in Physics Research A 843 (2017) 29-33

2.      D. Kyun Seo, S.Shin Park, Y.Tack Kim, T.Yu, Study of Coal Pyrolysis by Termo Gravimetric Analysis J.Anal.Appl.Pyrolysis 92 (2011) 209-216.

3.      M.S.Kızıl, J.Peterson, W.English, The Effect of Coal Particle Size on Calorimetric Analysis of Roadway Dust, J.Loss Prev.Process Ind. 14 (2001) 387-394.

4.      E.S. Peck, Spectrographic Determination of Mercury in Rocks and Coal. Anal.Chim.Acta 80 (1975) 75-83.

5.      Chun-Yan You, et.al. Molecular Characteristics of a Chinese Coal Analyzed Using Mass Spectrometry with various Ionization Modes, Fuel 155 (2015) 122-127.

6.      L.Throne, G.McCormick, B.Downing, B.Pr,ce, Some Aspects of the Analysis of Coal by X-ray Fluorescence Spectrocopy, Fuel 62 (1983) 1053-1057.

Bu multi-disipliner çalışmada, şu ilim disiplinlerini, birbirinin içinde karşılaştırmalı olarak inceledik.

1.      Nükleer teknoloji ve nükleer ölçü teknikleri

2.      Hızlı nötronlar ve gama ışınları

3.      Kristaolgrafi

4.      Mineral madenciliği

5.      Analitik kaya araştırmaları

6.      Toprak araştırmaları

7.      Çimento endüstrisi

8.      Kömür endüstrisi

9.      Matematiksel simülasyon metodları

10.  Kalorimetre teknolojisi, kalorimetre geometrisi ve simülasyonu

11.  İkinci elektron ölçme teknolojisi

12.  Monte-Carlo tekniği

13.  Nötron spektrometresi

14.  Gama ışınları spektrometresi

15.  Sıvı kristal dedektör teknikleri

16.  X ışınları fluoresans tekniği

17.  Kütle-spektrometresi teknikleri

18.  Yollardaki tozun büyüklüklerinin kalorimetrik analizlere etkisi

19.  Kayalardaki civanın ve kömürdeki civanın tayini

20.  Kömür pyrolysis’in termo-gravimetrik analizlerle tayini.

21.  Çimento sanayiinde kullanılan ölçüm teknikleri

22.  On-line nükleer analiz teknikleri

Doç.Dr.Çetin ERTEK

26.05.2018