1
A.Ü. NÜKLEER BİLİMLER ENSTİTÜSÜ
FZM 461
NÜKLEER EMNİYET VE NÜKLEER GÜVENLİK DENETİMİ TEMELLERİ
U-235 ZENGİNLİK TAYİNİ İÇİN DENEYLER
Prof. Dr. Haluk YÜCEL
Ankara, 2016
2
FZM 461
NÜKLEER EMNİYET VE NÜKLEER GÜVENLİK DENETİMİ TEMELLERİ
U-235 ZENGİNLİK TAYİNİ DENEYLERİ FÖYÜ Rev. 0
Rev. Tarihi: 25.11.2016
Bu doküman, yazarın ve/veya A.Ü. Nükleer Bilimler Enstitüsü’nün yazılı izni olmadan çoğaltılamaz, dağıtılamaz ve satılmaz.
Deney-3
HPGe yarıiletken dedektör kullanarak uranyum zenginlik ölçer prensibine göre uranyum zenginleştirme derecesinin belirlenmesi
1.Genel Bilgi
HPGe dedektörler, yüksek enerji ayırma güçleri nedeniyle örneğin 0,5-0,6 keV (57Co’ın 122 keV enerjisi için) Ge dedektörler, kristal geometrisi eş-eksenli (coaxial) veya düzlemsel (planar) yapılarak; hem uranyumun düşük enerji bölgesinde (80-130 keV) yer alan oldukça karmaşık olan X- ve gama ışınlarını ayırt edebilme (MGA yöntemi) ve hem de daha yüksek enerji bölgesinde yer alan 185,7 keV gama pikini kullanarak “uranyum zenginlik ölçer” prensibini
3
saha uygulanmasına imkan vermiştir. Örneğin, Şekil-1’de laboratuarımızda mevcut CRM 171- 194 kodlu ve %1,96 235U düşük derecede zenginleştirilmiş uranyumun, bir Ge dedektörle alınmış gama spektrumu görülmektedir. Bu uranyum spektrumunda, 185,7 keV’lik enerji piki kırmızı ile gösterilmiştir ve bu deneyde bu pik değerlendirilecektir.
Şekil-1: CRM 171-194 kodlu %1,96 zenginleştirilmiş uranyumun bir Ge dedektörle alınmış gama spektrumu (185,7 keV’lik enerji piki kırmızı ile gösterilmiştir).
Uranyumun X-ışınlarının da yer aldığı birbirine daha yakın ve sık piklerin yer aldığı düşük enerji bölgesi (80-130 keV) ise bekleneceği üzere daha yüksek enerji ayırma gücüyle çözümlenecektir. Bu spektrum çözümlenmesinde, 80-130 keV enerji bölgesi lineer olmayan pik uyarlama (nonlineer least square fitting) yöntemleri ile pik ayırma (de-covolution) gibi daha karmaşık matematiksel işlemlerin yapılmasına gereksinim duyulmaktadır.
Diğer yandan Ge dedektörlerin temel dezavantajı, sıvı azotla veya elektrikle soğutulma gereksinimlerine karşın, uranyum zenginleştirme ölçüm amacıyla gama ışınlarını ayırt etme yetenekleri ve dedeksiyon verimini artırmak çapı daha büyük ve yeterince kalın Ge yarıiletken kristalli dedektörler ticari olarak temin edilebilmektedir.
Deney 1 ve 2’de temelleri açıklanan uranyum zenginlik ölçer prensibinin uygulanması için sağlanması gereken koşullar bu Germanyum dedektörlü ölçüm sistemi için de geçerlidir.
Örneğin, ölçülecek uranyum kalınlığının yeterli olması (infinitely thickness), en az iki farklı zenginlik derecesine sahip referans malzemeye olan gereksinim, belirli bir dedektör-numune ölçüm mesafesi, belirli bir kolimatör çapı ve yüksekliği ayarlanması gerekmektedir.
2.Deneysel Düzenek ve Ölçümler
4
1. Şekil-2’deki şematik olarak gösterilen sayım sistemi bir deney düzeneğini kurunuz.
Şekil-2. Deneysel Düzenek ve Ölçüm Sistemi
2. Dedektörü zırh içinde ve eksene merkezli konumlayınız. Kurulumun masa üzerindeki sağlamlığını kontrol ediniz. Dedektörü desteğinin üzerine sabitleyiniz. Kolimatör, dedektör ile numune arasına yerleştirilecektir. Gerektiğinde soğurucu malzemelerin araya yerleştirilmesi için mesafe bırakınız.
3. Bu deneyde, Ortec Model SGD-GEM-3615P4 (1000 mm2 yüzey alanlı ve kalınlığı 16.4 mm eş-eksenli, p-tipi Ge kristali olan) dedektörün uygun şekilde bağlantısını yapınız. Siyah renkli DIM (Detector Interface Module) üzerindeki “shutdown” kablosunun bağlı olduğundan emin olunuz. Bağlantıların sıkılığını kontrol ediniz. Toplu haldeki konektörlerin temasını önlemek için bir önlem olara plastik bantla sarınız ve bağlantı kablolarını kesinlikle asılmayınız. Gerektiğinde, takılması ve çıkarılmasında danışmana başvurunuz. Sistem, kurulu ile ise sadece bağlantıların uygunluğunu kontrol ediniz.
4. Bu dedektörde BNC-BNC sinyal ve SHV-SHV yüksek gerilim besleme kabloları kullanılır.
5. Sistemde bir digital MCA (Ortec DSPec Jr 2.0) analizörü kullanılacaktır. Tüm ayarlar, Maestro ve/veya Ortec Gamma Vision yazılımları üzerinden yapılacaktır. HV, ICR, Detector Status (On/Off/Shutdown), DT, LT, RT gibi temel bilgiler aynı zamanda Digital MCA ekranından da gözlenebilecektir. Ortec DSPec jr 2.0 digital analizörü, USB port üzerinden bir bilgisayara bağlanır.
5
6. Dedektörün kurulumundan sonra, MCB konfigürasyonu yazılım üzerinden yapılmıştır. Bu aşamayı yeni bir bilgisayara program yüklenmesi durumunda ihtiyaç duyulur.
7. Gamma Vision programını çalıştırınız ve pop-up/dropdown menülerden sağ veya sol fareleri tıklayarak “Acquire” alt menüsü “MCB properties” menüsünden ADC/MCA ayarını yapınız.
“Amplifier” alt menüsünden Coarse=4, Fine=0.7713, BLR=Auto, Input polarity=(+), Preamplifier=Resistive Feedback, Gate= Off seçiniz
Not: Sistem üzerinde bu ayarlar daha önceden yapılmış ise, ayarlarları değiştirmeyiniz ve sadece mevcut ayarları kontrol ederek defterinize kaydediniz.
8.Kullandığınız Ortec Model SGD-GEM-3615P4 dedektör için geçerli olan; “MCB properties”
menüsü altındaki HV menüsündeki, Detector “ORTEC” ve HV polarity=(+) seçiniz.
9. Amplifier 2 alt menüsünden Rise Time=12, Flattop Width=0,80 kazanç ayarlarını (en son enerji kalibrasyon yapıldıktan sonra 0,075 keV/kanal olacak şekilde ve enerji üst sınırı 300-305 keV’i aşmayacak şekilde), optimizasyon ve kutup ayarlarını yapınız.
10. Sayım siteminin bu ayarlar için enerji kalibrasyonun yapınız. Ancak bu ayarlar daha önceden varsa, değiştirmeyiniz ve sadece bilinen bir enerji için örneğin, 122 keV (57Co) spektrumunu alınız ve bu enerjideki YYTG değerini belirleyerek, sertifika değeriyle karşılaştırınız.
UYARI-1: Yüksek gerilim güç kaynağınızın(HVPS) kutup (polarite) ayarını, “MCB properties menüsü altındaki HV menüsünden öncelikle kontrol ediniz. Dedektör modu “ORTEC” seçili olmalı ve kesinlikle detedektör sıvı azotla yeterince soğutulduktan sonra yüksek gerilim değeri uygulayın. Dedektörün yatay silindirik azot kabında (dewar) yeterli miktar azot yok iken sistemi çalıştırmayınız.
UYARI-2: Dedektör çalışma gerilimi, menüden HV(+) 3500 Volt seçerek otomatik olarak uygulanacaktır. Gerilim uygulandıktan sonra, sayımı hemen başlatmayınız ve örneğin, en az 5-10 dakika bekleyerek yeterli bir kararlık sağlayınız. HV değerini (+) 3500 Volt’un daha üzerinde bir değere kesinlikle programdan, denemeyin/ ayarlamayın ve uygulamayın!
Aksi takdirde, dedektörün bozulmasıyla sonuçlanacak ciddi hasar oluşabilir.
12. Maestro veya Gamma Vision Programı çalıştırıldığında daha önceden yüklenmiş olan “MCB Configuration” dosyası analizör ve bilgisayar arasındaki iletişimi sağlayarak görev çubuğu üzerinde “001 MCB 129” kodlu donanımın yüklenmiş olduğunu göstermelidir.
13. Normal koşullarda, Masetro/Gamma Vision programı üzerinde enerji kalibrasyonu mevcut ve kaydedilmiş olduğundan, diğer gama yazılım programlarında (U235View) açılabilir formatta spektrum toplamak (veri elde etmek) için Maestro yazılımını açınız ve spektrum elde ediniz.
6
Not-1: Gerektiğinde Maestro ve Gamma Vision programlarının el kitaplarından yararlanarak program kullanımı hakkında bilgi sahibi olunuz.
14. ADC dönüştürme kazancını 4096 kanal olarak tüm ölçümlerde aynı kullanınız. Değişmesi gerektiğinde, gerekçelerini not ediniz. Sistemin ölü zamanının her zaman tercihen %5-6’yı geçmemesine dikkat ediniz. Düşük enerji tarafında ADC LLD<50 kanal (%0,3-0,6)’in altında ve ULD=4095 kanal(%100)’nin tamamını kullanınız. Referans pik veya bir pulser piki kullanarak, zamanla sistemde üzerinde kazanç kayması (gain shift) olmadığını kontrol ediniz.
15. Sistemin enerji ayırma gücünü (YYTG), 122keV (57Co) için belirleyiniz ve sertifika değeri ile 0,575 keV ile karşılaştırınız. Önemli sayılabilecek derecede farklılık gözleniyorsa, sayım siteminin ayarlarını yeniden yapınız. Sayım sisteminin ICR (giriş sayım hızı) ve DT (ölü zaman) karakteristiklerini yeniden gözden geçiriniz.
16. Sayım sistemi hazır edildikten sonra, belirli bir numune dedektör mesafesi belirlenir. EC- NRM171-031,71, 194 ve 446 kodlu U3O8 nükleer malzemeleri sırasıyla ölçülür. Ölçüm süreleri, 1800 s, 3600s ve 5000 s olarak ayarlanır.
17. Her uranyum numunesi için ölçümler, belirlenen sabit bir geometride en az üç kez tekrar edilir ve elde edilen spektrumlar kaydedilir. Spektrumdan, 235U’in 185,7 keV piki için sayım değerleri pik ayırma yöntemiyle hesaplanır ve aşağıdaki gibi bir çizelgeye kaydedilir.
Çizelge-1. 185,7 pik alanı hesaplanması için deneysel veriler
Numune Ölçüm
süresi (s)
Spektrumdan alınan sayım değerleri Kalibrasyon sabiti Pik alanı ±Belirsizlik
EC-NRM171-031 1.ölçüm 2.ölçüm 3.ölçüm Ortalama a
1800 3600 5000 EC-NRM171-071
1800 3600 5000
EC-NRM171-194
1800 3600 5000
7
EC-NRM171-446
1800 3600 5000
18. Spektrumlardan, pik ayırma yöntemiyle elde edilen 185,7 keV pikinin net sayım hızlarını ve zenginleştirme derecesi arasındaki kalibrasyon eşitliğini, sadece ortalama net sayım hızlarını kullanarak; EaNölçülenFMaFWaFelkxFinf bağıntısından türetiniz. Felk<0,98ve Finf=1,01varsayınız.
19. NRM171-295 kodlu uranyum numunesini aynı sabit geometride en az üç kez ölçülür.
Ölçüm süresini 5000 s seçiniz ve spektrumları kaydediniz.
20. Spektrumlardan, 235U’in 185,7 keV piki için pik ayırma yöntemiyle hesaplayınız. Pik sayım hızlarının ortalamasını bulunuz. Madde 18’deki kalibrasyon eşitliğini kullanılarak bu referans malzemenin zenginleştirme derecesini belirleyiniz ve sertifika değerinden olan farkı hesaplayınız.
21.Yukarıdaki deneyleri, aynı geometride Al (840 mg/cm2) soğurucu kullanarak tekrar ediniz.
Yeni bir kalibrasyon eşitliğinden, NRM171-295 kodlu referans malzemenin zenginlik derecesi ile uyumunu karşılaştırınız. Sonuçları yorumlayınız.
22.Yukarıdaki deneyleri farklı çapı olan bir kolimatör kullanarak tekrar ediniz. Ancak bu defa soğurucu kullanmayınız. Elde edeceğiniz iki farklı kalibrasyon eşitliğinden, NRM171-295 kodlu referans malzemenin zenginlik derecesini bulunuz ve uyumunu karşılaştırınız. Sonuçları yorumlayınız.
23. 185,7 keV piki için en doğru net sayımı verecek bir pik ayırma (peak area de-convolution) için yazılımın pik uyarlama yöntemi (non linear least square fitting) ve kendi gözleminizle pik alanını seçiniz. Elde ettiğiniz pik iki farklı pik alanın ortalamasından, zenginlik derecesini ve belirsizliğini hesaplayınız. Deney sonuçlarınızı NRM171-295 kodlu referans malzemenin zenginlik derecesinin referans değeri ile kendi yönteminizden bulduğunuz diğeri karşılaştırınız.
24. Elde ettiğiniz tüm spektrumları, bu defa MGAU yazılımının formatında açınız. Bu dosyaları saklayınız. Bu MGAU programındaki “uranyum zenginlik ölçer” opsiyonunu seçerek bir kalibrasyon yapınız ve sonra, NRM171-295 kodlu referans malzeme için ölçülen spektrumları bu programla değerlendiriniz. Program bulgularını, kendi sonuçlarınızla karşılaştırınız.
23. Deney-3 için 10 gün içinde kendi özgün verilerinize, açıklamalarınıza ve yorumlarınıza dayalı kişisel bir rapor hazırlayınız.
