14.6 MeV nötronlarla çok - elementli malzeme analizi (I)

(1)

TÜRKİYE ATOM ENERJİSİ KURUMU

ÇEKM ECE N Ü KLEER ARAŞTIRMA VE E6İTİM MERKEZİ

Ç.N.A.E.M.

A. R-

270

14.6 MeV NÖTRONLARLA ÇOK-ELEMENTLÎ MALZEME ANALİZİ (I)*

A.Ercan , N.Erduran , M.Bostan , E.Gültekin G.Tarcan , M.Subaşı , A.Baykal

F1ZÎK BÖLÜMÜ

Aralık 1989

(2)

TÜRKÎYE ATOM ENERJİSİ KURUMU

ÇEKMECE NÜKLEER ARAŞTIRMA VE EĞİTİM MERKEZİ

Ç.N.A.E.M. A. R

-14.6 MeV NÖTRONLARLA ÇOK-ELEMENTLÎ MALZEME ANALİZİ (I)f

A.Ercan , N.Erduran , M.Bostan . E.Gültekin G.Tarcan , M.Subaşı , A.Baykal

FÎZtK BÖLÜMÜ

Aralık 1989

P. K. 1, Hava Alanı, İstanbul

(3)

i ç i n d e k i l e r

Sayfa

1. GİRİŞ ... 1

2. AKTİVASYÜN MATRİS FOR MA Lİ ZM İ___ 1 3. NÖTRON TEPKİLESİM KESİTLERİNİN ÖLÇÜMÜ ... 3

4. AKTİVASYÜN MATRİS YÖNTEMİNİN BİR U YG ULAMASI... 3

5. KAYNAKLAR ... 4

TABLOLAR ... 5

(4)

14.6 lieV N ÖTRONLARLA CUK-ELEMENTLI MALZEME ANALİZİ <I) Ali ERCAN, Nizamettin ERDURAN, Melih BOSTAN, Ergun GüLTEKIN,

Gökçe TARCAN, Metin SUBAŞI, Adnan BAYKAL Çekmece Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi Fizik Bölümü PK. 1, 34931 Havaalanı-Istanbul

özet

Nötron akışı düşük üreteçlerin ekonomik bir şekilde kullanıl masını sağlayan "Tek Isınlama-Tek Sayım" yöntemiyle, analizi

istenen malzeme içindeki bir cok elementin aynı sipekturum

içinde belirlenebilmesi, "Aktivasyon Matris Formalizmiyle" mümkündür. Bu çalışmada, özellikle reaktör nötronlarıyla be

lirlenmesi zor olan elementlerden, Tarım bilimlerinde önemi

olan Na, M g , Al, Si, P, K, gurubunun aktivasyon matris ele mentlerine gerekli (n,p), (n,<x), <n,2n) hızlı nötron

tepkile-S İ m kesitleri ölçülmüş ve bu tekniğin bir uygulaması olarak da yerel bir örneğin cok-element analizi gerçeki estiri 1mistir.

Abstract

Economical use of a Neutron Generator with low neutron output

can be achieved by employing "Single Irradiation-Single

Counting" technique. Effective and accurate multi-element

analysis utilizing this technique may only be possible by means of the "Activation Matrix Formalism". In this work, (n,p), (n,«), (n,2n) neutron activation cross-sections needed

to build the activation matrix for the elements

Na,Mg,A1,Si,P,K were measured and applying the technique developed, a local sample was analyzed.

* Bu çalışma International Atomic Energy Agency tarafından

TUR-5670 Araştırma Projesi çerçevesinde desteklenmektedir ve

III. Ulusal Nükleer EU limier Kongresinde (Istanbul 1989)

(5)

ı. g i r i ş

Atom numaraları ardaşık bir dizi elementin yeraldığı bir örnek hızlı nötronlarla ışınlandığında, değişik t epki1 esi m kanalları nın açık olması dolayısıyla, gama çizgilerinde girişimler göz lenir. Alınan sipekturumların değer1 endiri 1m e s i , diğer bir de yişle örnek içindeki element derişimİ eri nin güvenilir bir şe kilde belirlenmesi, bu elementlerin nötron akt i vasyon dalaşı nın daha önceden doğru ve duyarlı bir şekilde ölçülmüş olması na b a ğ lıdır. Hızlı nötron aktivasyonuy1 a malzeme analizinde, örnek ışınlama, bekleme ve sayım süreleri, genelde örnek için de belirlenmesi istenilen elementin varlığını gösteren radyo izotopun yarılanma ömrüne göre seçilmek istenir. Böylece gama girişimleri büyük ölçüde önlenerek, analizi kolay bir sipektu- rum elde edilmiş olur. Bu şekilde yapılan tekil analizlerin nötron üreten hedeflerin kullanımı açısından ekonomik olmadık ları açıktır. Buna karşın, "Tek işiniama-Tek Sayım" yöntemiyle bir örnek içindeki bir çok elementin aynı sipekturum içinde belirlenmesi, nötron akışı düşük üreteçlerin daha verimli bir şekilde kul 1 a n11 masın i sağladığı gibi uzun analiz sürelerini gerektirmez. Bu yöntemin uygulamada ne derece başarılı olduğu

nu göstermek amacıyla, özellikle tarım alanında önemi olan,

Na,Mg,Al,Si,P,K elementlerinin hızlı nötron tepki leşim kesit lerinin ölçüldüğü bu çalışmada bir toprak örneğinin çok-ele- ment analizi gerçekieştiri 1 miştir.

2. AKTİVASYON MATRİS FORMALİZMİ.

Tek-enerjıli nötronlarla ışınlanan bir örnek içindeki belli

bir elementin belli bir izotopunun nötronlarla tepkileşimi so

nunda yönsemez olarak yayılacak belli enerjideki gamaların

ölü-zaman ve darbe yığılım düzeltmeleri yapılmış bir sipektu- rumda oluşturacakları Tüm Enerji Tepesindeki (TET) net sayım

P - C.m = G.C.h. (N/A).ğ.{r. <1 -exp ( - X.tı).e>;p(- X .t b) .

<<l-exp<- X . t s ) >/ X ).f.«.€ <1> dır. Burada ;

(6)

G s C s h i A : N s

5 :

<r s X : tıs tbs 1 55 f ï Sİ s € 5 Değişik rumdaki

Işınlanan örnek ağırlığı Z g l

örnek içindeki ilgili elementin derişimi

Tepkilerim© giren izotopun element içindeki doğal bol luğu

Elementin atom ağırlığı Lg/mol 3 Avogadro sayısı C&.022 x 5 O 33 /no!3

Işınlama süresince örnek üzerine düşen etkin nötron akışı = Ortalama akı / Düzeltme faktörü 013 C n/s.cm2J Tepkilerim kesiti Ccm23

ürün çekirdeğin bozunum sabiti. C î/sİ İşınlama süresi

Bekleme süresi Sayım süresi

Gama relatif şiddeti. Sayım katıaçısı E21

Fotonlar için dedektör sisteminin TET verimidir,

tepkilerim kanallarının girişimleri sonunda sipektu-

herhangi bir TET alanı îl) eşitliğinden n

şeklinde yazılabilir tin derişimi, nuise lirleyen "Aktivasyon eşitlikler sistemini

. Burada n kanal sayısı, C; j-inci elemen- j-inci elementin i tepesine katkısını be- Matris Elementidir". Bu ifadeyle verilen vektöre), yazarak

P = M . C <3>

şekline indi rgeyebiliriz. Bu denklem sisteminin cüzümü, M nin tersi alınabilir bir matris olması halinde,

C = 1 . P (4)

dır. (1) eşitliğinden görüldüğü gibi matris elementinin

«3

belirlenmesi için deneye özgü faktörlerin yanısıra tepkilerim kesitlerinin de bilinmesi gerekir.

(7)

N Ö T R O N T E P K İ L E S IM K E S İ T L E R İ N İ N ÖLÇÜMÜ.

Na , lig , Al , Si , P ve K elementlerin tepkilesim kesitlerinin ölçüm lerinde bu elementlerin 0.95-0.99 saflıktaki kimyasal bileşik

leri kullanılmıştır. 13 mm çapında 8 mm derinliğinde silindir

seklinde polietilen kutular içindeki örnekler, ışınlama yerine havalı bir tasıma sistemi ile gönderilmiş ve gözönüne alınan tepkilesim kanalı için en uygun ışınlama süresince (3-15 daki ka), 14.6 (1) MeV lik nötronlarla 131 i s m i anmışl a r d ı r . Işın

lama yerindeki nötron akışı, kalibrasyonu daha önceden yapıl

mış olan C 13 bir BF^ uzun-sayıcı ile izlenmiştir. Işınla

ma yerindeki — İC# n / c m 2 .s mertebesinde olan nötron akışının etkin değeri, Cok Kanallı Tarama (ÇKT) ünitesiyle BF^' lü mo

nitörden alınan sayımlarla düzeltilerek bulunmuştur. Gama öl

çümleri, kurşun bir korunak içinde, TET-verimi daha önceden

belirlenmiş C23 bir 82cc HPGe dedektörüyle yapılmıştır.

Sekil 1. de bu dedektörün TET-verim eğrisi gösterilmektedir.

Alınan gama sayımlarından (1) eşitliği aracılığıyla hesaplanan tepkilesim kesitleri Tablo 1. üe verilini ştir. Bu tabloda aynı zamanda gama enerjileri ve girişim yapan tepkilesim kanalları da gösterilmektedir.

4. AKTİVASYON MATRİS YÖNTEMİNİN BİR UYGULAMASI

ÇNAEM çevresinden alınan 1.46 g ağırlığında bir toprak örneği 15 dakika süreyle 7 x 10^ n / s. cm 2 lik bir nötron akışıyla ışınlanmış, 21.6 s bekletildikten sonra 4710 s süreyle gama

sayımı alınmıştır. Sayım süresince sistemin ölü-zamanı n J \

civarında k al mı şt ır . Sekil 2. de, alınan gama sipekturumunda ilgili gama tepelerinin bulunduğu bölgeler gösteri 1m e k t e d i r . Gama enerjileri ve "Aktivasyon Matris Elementleri" Tablo 2. de gösteri İ mi ş ti r. (4) eşitliğinin çözümünden bulunan element d e — rişimleri şunlardır:

(8)

El ement Derişim (mg/g) Na 10 (2) 12 (1) 71 (7) 300 (30) Al Si P 34 (3)

Derişimleri cok düşük olan elementlerin bile yeterli duyarlık la belirlendikleri görülmektedir.

Sekil î . deki sipekturum incelendiğinde?

d ~

tepki leşimi sonucu beklenen 975 keV cama çizgisi sipekturumda

görülmemektedir. Eu durumda Mg belirlenmesi sadece 1369 keV

gama çizgisinden çıkarilabi1 ir ki, o da ancak Mg yakınındaki diğer elementlerin derisimlerinin bi 1 i nmesi yİ

m

, diğer bir de yimle, gurup elementleri için Aktivasyon Matris Formalizminin uygulanmasıyla mümkün olmuştur.

Gerekli kimyasal maddelerin sağlanmasında yardımcı olan Dr.V. Erkol'a teşekkür ederiz.

KAYNAKLAR :

[13 M. Subaşı, N. Erduran, G. Tarcan, Y. özbir, A. Eaykal, E. Gültekin ve A. Ercan ÇNAEM-AR-249 <1998)

[23 A. Ercan, M. Bostan, E. Gültekin ve N. Erduran, II. Balkan Aktivasyon Analizi ve Nükleer Analitik Teknikler ( Bled- Yugoslavya, 4-6 Ekim 1909 ) kongresinde bildiri olarak su nulmuştur.

[33 N. Erduran, M. Subaşı, M. Bostan, S. Dökmen, H. Atasoy, C.özbaylı ve A. Ercan ÇNAEM-AR-252 (1988)

(9)

Tablo 1: Toprakta bulunan esas elementlerin hızlı nötronlarla ışınlanması halinde çıkan gamalar, bu ga

malarda girişim yapan tepkileşim kanalları ve aynı

kanallara ait tepkileşim kesitleri (aıbarn) .

E e l e m e n t i . E R keV P C? bl-ü Al Mg Na 1273 - 29Si<n,p> 135(4) - - -1779 31P ( n , <x ) 140(11) 2 8 S i (n ,p ) 230(23) 2 7 A 1 (n,ï) 0.43(8) — -844 - 3 0 S İ (n ,a ) 62(6) 2 7 A 1 (n,p ) 66(3) - — 1369 - - 27A1(n,a) 111(5) 2 4 M g (n,p) 170(17) -440 — — _— 26Mg(n,«) 56(5) 23Na(n,p) 41 (8)

Tablo 2: N a ,M g ,A l ,Si,P Elementler gurubu için indirgenmiş 14.6 MeV Nötron Aktivas- yon Matris Elementleri

m >: 10** / G„ & E keV P Si Al Mg Na 1273: 0 7.300 0 O O 1779: 46. 013 76.691 0. 16226 0 0 844; 0 3.1743 113. 46 O 0 1369 : 0 0 16. 916 22.719 0 440: 0 _ 0 0 0.6653 4.396 <*) Bu Matris 900 s. ı ş m l a m a , 21.6

bekleme ve 4710 s. sayım için gecerlidir.

(10)

o

6

V

E

R

İM

(11)

r

A 'O

10 A

<C V T ' M L A M A 1 5 J) A K . lî> ET K L fT M t? o. 3a J>a k. vj A V | M rZ.5 B A K 0 U N G k . A S I R L I E 1 1 . 1 , 6 ^ N o TR. 0 N l . t 0 T Cvm~ A K I s ı r+~ 0-LL> a Fi lo Q_ CS û- î>' 3 >3 ï «î? « S C<3 rO V-C3 V»pm *rp■•*'■■' <1** o_ -\ s! <rb z to c* Lo rv~ C“> \U lo . 3 10 « 5 10-■S' «T r*- o d cO £ v _ y uı CT“ 0-1 o ro Oo CO R-a- -s *\> , — <r O cO <: V-“X. O -> o -r o Vû l o lo -v- > U> R~-cu lu O V O- . / (; /^ o-sx_ in sT •'■ ^ <v a F O T O N E N E R D İ S İ

Sekil 2 . s 14.6 MeV nötronlarla ışınlanmış bir toprak örne

ğinden alınan gama sipekturıunu. Tepe enerjileri (keV) ve

hangi tepkilesim kanallarından gelebilecekleri belirtil

miştir. Sipekturumda görülmeyen 440 keV çizgisine ait te penin alanı coropt on back-groundu altında kaybolmadan önce ilk ISO sn sayım sonunda alınmıştır.