Beton-PbO-WO3 Bileşiği için Radyasyon Etkileşim Parametrelerinden Kütle Durdurma Gücü ve Durdurma Mesafesinin 0.015-10 MeV Enerji Aralığında Hesaplanması

Yıl 2020, Sayı: 19, 786 - 795, 31.08.2020

Miraç Kamışlıoğlu

Öz

Bu çalışmada, nükleer santraller, endüstri, tıp ve tarım uygulamaları gibi çeşitli alanlarda iyonize edici radyasyon zırhlamasında kullanılan, PbO ve WO3 içerikli beton bileşiklerinin gamma radyasyon koruyucu etkisi araştırılmıştır. Nükleer yapı analizleri için malzemelerin gamma radyasyon koruyuculuğu tespit edilirken, kütle zayıflatma katsayısı (μ/ρ) değeri hesaplanır. Bu çalışmada, 0.015-10 MeV geniş foton enerji bölgesi için WinXCom yazılımı kullanılarak elde edilen kütle zayıflatma katsayıları, ortalama serbest yol (MFP), yarı değer tabakası (HVL), onuncu değer tabakası (TVL), ve tesir kesiti ∑R değerlerinin hesaplamaları için kullanılmıştır. Bununla beraber, beton-PbO-WO3 bileşiğinin kütle durdurma gücü (MSP) ve durdurma mesafe (PR) değerleri, SRIM kodu kullanılarak H1 ve He+2 parçacıkları için hesaplanmıştır. SRIM kodu gelen radyasyonun etkileşimine bakarak malzemeyi geçip gitme oranın bir fonksiyonu olarak hesaplama yapan bir yazılım programıdır. MSP hesaplamalarının temelinde, Coulomb etkileşimi yoluyla hedef elektronların iyonlaştırması ve uyarılmalarından dolayı hedef atomların yavaşlaması vardır. Bu çalışmada sunulan sonuçlara bakıldığında, kullanılan 9 farklı bileşik içinde %100 PbO numunesinin gama radyasyonuna karşı en iyi zırhlama yeteneğine sahip malzeme olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, %100 PbO içeren malzemenin soğurulan radyasyon dozuna bakılarak zırhlama malzemesi olarak kullanılmasının uygunluğu yapılan diğer çalışmaları da destekler nitelikte olduğu gösterilmiştir. Ayrıca MSP değerinin yüksek enerji bölgesinde, malzemelerin kimyasal içeriklerine bağlı olarak etkileşimin proton ve alfa parçacıkları için de neredeyse sabit olarak değiştiği görülmüştür. PR değerleri ise, parçacığın durmak için girdiği alandan absorbe olduğu nokta arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak değiştiği görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

Beton-PbO-WO3, SRIM, MSP, PR

Radiation Interaction Parameters Calculation of Mass Stopping Power and Projected Range for the Concrete-PbO-WO3 compound in the energy range 0.015-10 MeV

Öz

Bu çalışmada, nükleer santraller, endüstri, tıp ve tarım uygulamaları gibi çeşitli alanlarda iyonize edici radyasyon zırhlamasında kullanılan, PbO ve WO3 içerikli beton bileşiklerinin gamma radyasyon koruyucu etkisi araştırılmıştır. Nükleer yapı analizleri için malzemelerin gamma radyasyon koruyuculuğu tespit edilirken, kütle zayıflatma katsayısı (μ/ρ) değeri hesaplanır. Bu çalışmada, 0.015-10 MeV geniş foton enerji bölgesi için WinXCom yazılımı kullanılarak elde edilen kütle zayıflatma katsayıları, ortalama serbest yol (MFP), yarı değer tabakası (HVL), onuncu değer tabakası (TVL), ve tesir kesiti ∑R değerlerinin hesaplamaları için kullanılmıştır. Bununla beraber, beton-PbO-WO3 bileşiğinin kütle durdurma gücü (MSP) ve durdurma mesafe (PR) değerleri, SRIM kodu kullanılarak H1 ve He+2 parçacıkları için hesaplanmıştır. SRIM kodu gelen radyasyonun etkileşimine bakarak malzemeyi geçip gitme oranın bir fonksiyonu olarak hesaplama yapan bir yazılım programıdır. MSP hesaplamalarının temelinde, Coulomb etkileşimi yoluyla hedef elektronların iyonlaştırması ve uyarılmalarından dolayı hedef atomların yavaşlaması vardır. Bu çalışmada sunulan sonuçlara bakıldığında, kullanılan 9 farklı bileşik içinde %100 PbO numunesinin gama radyasyonuna karşı en iyi zırhlama yeteneğine sahip malzeme olduğu gösterilmiştir. Ayrıca, %100 PbO içeren malzemenin soğurulan radyasyon dozuna bakılarak zırhlama malzemesi olarak kullanılmasının uygunluğu yapılan diğer çalışmaları da destekler nitelikte olduğu gösterilmiştir. Ayrıca MSP değerinin yüksek enerji bölgesinde, malzemelerin kimyasal içeriklerine bağlı olarak etkileşimin proton ve alfa parçacıkları için de neredeyse sabit olarak değiştiği görülmüştür. PR değerleri ise, parçacığın durmak için girdiği alandan absorbe olduğu nokta arasındaki mesafenin bir fonksiyonu olarak değiştiği görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

Concrete-PbO-WO3, SRIM, MSP, PR

Kaynakça

• Abbasova, Nigar, Zeynep Yüksel, Elchin Abbasov, Hasan Gülbiçim, and Mustafa Çağatay Tufan. 2019. “Investigation of Gamma-Ray Attenuation Parameters of Some Materials Used in Dental Applications.” Results in Physics 12(November 2018):2202–5.
• Akkurt, I., H. Akyıldırım, B. Mavi, S. Kilincarslan, and C. Basyigit. 2010. “Photon Attenuation Coefficients of Concrete Includes Barite in Different Rate.” Annals of Nuclear Energy 37(7):910–14.
• Akyildirim, Hakan. 2018. “Attenuation Parameters and Effective Atomic Numbers of Concretes Containing Pumice for Some Photon Energies by Experiment, Simulation and Calculation.” European Journal of Science and Technology (14):90–95.
• Akyildirim, Hakan. 2019. “Olivine Mineral Used in Concrete for Gamma-Ray Shielding.” Arabian Journal of Geosciences 12(8):1–8.
• Çağlar, Mustafa, H. Kayacık, Yaşar Karabul, Mehmet Kılıç, Zeynep Güven Özdemir, and O. İçelli. 2019. “Na2Si3O7/BaO Composites for the Gamma-Ray Shielding in Medical Applications: Experimental, MCNP5, and WinXCom Studies.” Progress in Nuclear Energy 117(August):1–11.
• Dong, M. G., M. I. Sayyed, G. Lakshminarayana, M. Çelikbilek Ersundu, A. E. Ersundu, Priyanka Nayar, and M. A. Mahdi. 2017. “Investigation of Gamma Radiation Shielding Properties of Lithium Zinc Bismuth Borate Glasses Using XCOM Program and MCNP5 Code.” Journal of Non-Crystalline Solids 468(March):12–16.
• Eke, Canel, Osman Agar, Christian Segebade, and Ismail Boztosun. 2017. “Attenuation Properties of Radiation Shielding Materials Such as Granite and Marble against γ-Ray Energies between 80 and 1350 KeV.” Radiochimica Acta 105(10):851–63.
• El-Khayatt, A. M. 2010. “Calculation of Fast Neutron Removal Cross-Sections for Some Compounds and Materials.” Annals of Nuclear Energy 37(2):218–22.
• Gerward, L., N. Guilbert, K. Bjorn Jensen, and H. Levring. 2001. “X-Ray Absorption in Matter. Reengineering XCOM.” Radiation Physics and Chemistry 60(1–2):23–24.
• Hubbell, J. H. 1982. “Photon Mass Attenuation and Energy-Absorption Coefficients.” The International Journal Of Applied Radiation And Isotopes 33(11):1269–90.
• Jagetia, Ganesh C. 2007. “Radioprotective Potential of Plants and Herbs against the Effects of Ionizing Radiation.” Journal of Clinical Biochemistry and Nutrition 40(2):74–81.
• Jalali, Majid, and Ali Mohammadi. 2008. “Gamma Ray Attenuation Coefficient Measurement for Neutron-Absorbent Materials.” Radiation Physics and Chemistry 77(5):523–27.
• Kamislioglu, M., E. E. Altunsoy Guclu, and H. O. Tekin. 2020. “Comparative Evaluation of Nuclear Radiation Shielding Properties of XTeO2 + (100–x)Li2O Glass System.” Applied Physics A: Materials Science and Processing 126(2).
• Karabul, Yaşar, Lidya Amon Susam, Orhan Içelli, and Önder Eyecioǧlu. 2015. “Computation of EABF and EBF for Basalt Rock Samples.” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section A: Accelerators, Spectrometers, Detectors and Associated Equipment 797:29–36.
• Kumar, Ashok. 2017. “Gamma Ray Shielding Properties of PbO-Li2O-B2O3 Glasses.” Radiation Physics and Chemistry 136(September 2016):50–53.
• Kuzmin, V. 2006. “Range Parameters of Heavy Ions in Carbon Calculated with First-Principles Potentials.” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 249(1-2 SPEC. ISS.):13–17.
• McCuen, Richard. 2012. “Book Reviews: Book Reviews.” JAWRA Journal of the American Water Resources Association 48(2):407–10.
• Mesbahi, Asghar, and Hosein Ghiasi. 2018. “Shielding Properties of the Ordinary Concrete Loaded with Micro- and Nano-Particles against Neutron and Gamma Radiations.” Applied Radiation and Isotopes 136:27–31.
• Sayyed, M. I., and G. Lakshminarayana. 2018. “Structural, Thermal, Optical Features and Shielding Parameters Investigations of Optical Glasses for Gamma Radiation Shielding and Defense Applications.” Journal of Non-Crystalline Solids 487(February):53–59.
• Sharaf, J. M., and M. S. Hamideen. 2013. “Photon Attenuation Coefficients and Shielding Effects of Jordanian Building Materials.” Annals of Nuclear Energy 62:50–56.
• Singh, V. P., S. P. Shirmardi, M. E. Medhat, and N. M. Badiger. 2015. “Determination of Mass Attenuation Coefficient for Some Polymers Using Monte Carlo Simulation.” Vacuum 119:284–88.
• Tekin, H. O., E. E. Altunsoy, E. Kavaz, M. I. Sayyed, O. Agar, and M. Kamislioglu. 2019. “Photon and Neutron Shielding Performance of Boron Phosphate Glasses for Diagnostic Radiology Facilities.” Results in Physics 12(January):1457–64.
• Tekin, H. O., Shams A. M. Issa, E. Kavaz, and E. E. Altunsoy Guclu. 2019. “The Direct Effect of Er2O3 on Bismuth Barium Telluro Borate Glasses for Nuclear Security Applications.” Materials Research Express 6(11).
• Tekin, H. O., M. I. Sayyed, E. E. Altunsoy, and T. Manici. 2017. “Shielding Properties and Effects of WO3 and PbO on Mass Attenuation Coefficients by Using MCNPX Code.” Digest Journal of Nanomaterials and Biostructures 12(3):861–67.
• Trubey, D. K. Berger, M. J. and Hubbell. 2008. “Photon Cross Sections for Endf/b-Vi*.”
• Yilmaz, E., H. Baltas, E. Kiris, I. Ustabas, U. Cevik, and A. M. El-Khayatt. 2011. “Gamma Ray and Neutron Shielding Properties of Some Concrete Materials.” Annals of Nuclear Energy 38(10):2204–12.
• Ziegler, James F. 2004. “Srim-2003.” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 219–220(1–4):1027–36.
• Ziegler, James F., M. D. Ziegler, and J. P. Biersack. 2010. “SRIM - The Stopping and Range of Ions in Matter (2010).” Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 268(11–12):1818–23.