ANKARA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
GRAFİT KATKILI KURŞUN KALEMLERİN DOZİMETRİK ÖZELLİKLERİNİN VE LÜMİNESANS HASSASİYETLERİNİN
İNCELENMESİ
Aylin KARAGÖZ
FİZİK MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
ANKARA 2011
Her hakkı saklıdır
TEZ ONAYI
Aylin KARAGÖZ tarafından hazırlanan “Grafit Katkılı Kurşun Kalemlerin Dozimetrik Özelliklerinin ve Lüminesans Hassasiyetlerinin İncelenmesi ” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından oy birliği / oy çokluğu ile Ankara Üniversitesi Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı’nda yüksek lisans tezi olarak kabul edilmiştir.
Danışman : Doç. Dr. Niyazi MERİÇ
Jüri Üyeleri :
(Unvanı, Adı ve Soyadı, Kurumu) (Üniversite Adı, Anabilim Dalı) (Unvanı, Adı ve Soyadı, Kurumu) (Üniversite Adı, Anabilim Dalı) (Unvanı, Adı ve Soyadı, Kurumu) (Üniversite Adı, Anabilim Dalı) Yukarıdaki sonucu onaylarım
Prof. Dr.Orhan ATAKOL
Enstitü Müdür
i ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
GRAFİT KATKILI KURŞUN KALEMLERİN DOZİMETRİK ÖZELLİKLERİNİN VE LÜMİNESANS HASSASİYETLERİNİN İNCELENMESİ
Aylin KARAGÖZ
Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Doç. Dr. Niyazi MERİÇ
Bu tez çalışması kapsamında, araştırılması yapılan örneklerin dozimetrik ve lüminesans özellikleri incelendi. Bu tez çalışmasında kullanılacak örnekler Faber Castel marka grafit katkılı kırmızı kurşun kalemlerdir. Kurşun kalemlerin içleri agat havan yardımıyla ezilip, elek yardımıyla 125µm’den küçük tanecikler seçildi. Toz haldeki örnek silikon sprey yardımıyla;
10mm çapında 0,5mm kalınlığında alüminyum disklere yapıştırılarak deneylerde kullanıldı.
İlk olarak örneklerin radyasyon duyarlılıklarını tespit etmek için Sr90-Y90 β kaynağıyla ışınlanmış örneklerin ölçümleri 1ºC/s artış hızı ile 50-450ºC arasında TL (Termolüminesans) sisteminde yapıldı. Doz cevabı olan örneğin tuzak parametrelerini belirlemek üzere “Farklı Isıtma Oranları” yöntemi kullanıldı. Okumalar sonucunda elde edilen eğriler için ısıtma oranı- tepe maksimum sıcaklığı arasındaki ilişki yardımıyla tuzak enerji parametreleri belirlendi.
Elektron tuzak derinliklerinin belirlenmesinde ısıtma oranına bağlı olarak tepe sıcaklığının kayması kullanıldı.
Örneğin artan doz cevabı incelendi, okumalar TL yöntemiyle yapıldı. Lineer doz-cevabı olan örnek 5 Gy ışınlanarak, 67 gün süre içerisinde farklı zamanlarda TL yöntemiyle okuması yapıldı. Böylece örneğin üzerindeki dozun zamanla sönümü ya da elektronların tuzaklardan kaçışları incelendi. 5 Gy ışınlanmış örnekler bu sefer farklı zamanlarda gün ışığında bekletildi ve TL yöntemiyle okumaları yapıldı. Böylece örneklerin ışıkta sönümleri incelendi.
Örneğin OSL (optik uyarmalı lüminesans) cevabının olup olmadığını araştırmak üzere 5,7 Gy ışınlanmış örnek mavi ışık ile OSL cihazında uyarıldı ve OSL eğrisi tespit edildi. BLSL cevabı olan örneğin artan doz cevabı OSL sistemiyle incelendi. 50Gy ışınlanmış örnekler 11gün süre içerisinde farklı zamanlarda BLSL okumaları yapılarak, zamanla tuzaktan elektron kaçışları incelendi.
Şubat 2011, 91 sayfa
Anahtar Kelimeler: Grafit, Dozimetre, Lüminesans, TL, OSL, BLSL
ii ABSTRACT
Master Thesis
INVESTIGATION OF DOSIMETRIC PROPERTIES AND LUMINESCENCE SENSITIVITY OF GRAPHITE DOPPED PENCILS
Aylin KARAGOZ
Ankara University
Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Engineering Physics
Supervisor: Assoc. Prof. Dr. Niyazi MERİÇ
In this study, dosimetric and luminescence properties of the investigated materials were examined. Graphite-doped materials which used in this thesis are Faber Castel brand red pencil.
Intra-pencils were crushed using agate mortar; particles which smaller than 125 µm were elected with help of sieve. Sample in powder form was pasted on aluminum disks which have 10 mm diameter 0.5 mm thickness by the help of silicone spray.
Firstly, to determine the radiation sensitivity of samples, irradiated samples with β source was read in TL (thermoluminescence) system with a growth rate of 1°C/s between 50-450°C.
"Different Heating Rates" method was used to determine the parameters of trap of samples which have dose response. For curves obtained by reading, trap energy parameters were determined with the help of the relationship between heating rate and the maximum temperature. Heating rate of depending on the determination of electron trap depths, the peak temperature shift was used.
Increasing dose response was studied and samples were read in TL system. 5 Gy irradiated samples were read with TL method at different times within 67 days. Thus escapes from the traps of electrons are investigated. In that time 5 Gy irradiated samples were read with TL method at different times under the light of day. So that under light, fading of the samples was investigated.
OSL (optical stimulated luminescence) response of the material to investigate whether or not, 5.7 Gy irradiated sample was read with blue light stimulated in OSL system and OSL curve of sample have been identified. Increasing dose response of sample which has BLSL response was done with OSL system. 50 Gy irradiated samples were waiting within 11 days, at the different times BLSL readings was done thus escapes from the traps of electrons are investigated.
February 2011, 91 pages
Key Words: Graphite, Dosimeter, Luminescence, TL, OSL, BLSL.
iii TEŞEKKÜR
Araştırmalarımın her aşamasında bana yardımcı olan danışman hocam Sayın Doç. Dr.
Niyazi MERİÇ’e; çalışmalarım sırasındaki yardımları ve güzel arkadaşlıkları için Dr.
Mehmet KOŞAL, Dr. Ülkü Rabia YÜCE, Dr. Altay ATLIHAN ve Fiz. Yük. Müh. Gül Bayramiye ÖZPEK’e; Ankara Üniversitesi Tarihlendirme Araştırma Laboratuvarı’ndaki çalışma arkadaşlarım Fiz. Yük. Müh. Mustafa Doğan, Fiz. Yük. Müh. Çağın GÜNEŞ, Fiz. Yük. Müh. Eren ŞAHİNER ve Fiz. Müh. Fatih KARA’ya; ölçümlerimi yapmak için bana imkan tanıyan YEBİM (Ankara Üniversitesi Yer Bilimleri Enstitüsü)’e; güzel arkadaşlıkları için Murat YERTUTANOL, Merve SIRAKAYA, Dayrous TALATHİ, Bilge Banu KÖK ve Kübra ÖZDEMİR’e; manevi desteği için kardeşim Ercan KARAGÖZ’e; eğitim hayatım boyunca bana hep destek olan annem Estalin KARAGÖZ’e teşekkürlerimi ve babam Kemal KARAGÖZ’e sonsuz sevgi ve saygımı sunmayı bir borç bilirim.
Aylin KARAGÖZ Ankara, Şubat 2011
iv
İÇİNDEKİLER
ÖZET ... i
ABSTRACT ... ii
TEŞEKKÜR ... iii
SİMGELER DİZİNİ ... vi
ŞEKİLLER DİZİNİ ... vii
ÇİZELGELER DİZİNİ ... ix
TABLOLOLAR DİZİNİ ... x
1.GİRİŞ ... 1
1.1 Grafitin Yapısı ... 3
2.KURAMSAL TEMELLER ... 4
2.1 Lüminesans Olayı ... 4
2.1.1 Lüminesansın tanımı ... 4
2.1.2 Lüminesans mekanizması ... 4
2.2 Lüminesans Olayı ... 6
2.3 Termolüminesans Kinetikleri ... 10
2.3.1 Birinci dereceden kinetik ... 10
2.3.2 İkinci dereceden kinetik ... 13
2.3.3 Genel dereceden kinetik ... 17
2.3.4 Sıfırıncı dereceden kinetik ... 20
2.4 Tuzak Enerji Parametreleri ... 22
2.4.1 Farklı ısıtma hızları yöntemi ... 22
2.4.2 İzotermal bozunum yöntemi ... 24
2.4.3 Değişken doz oranları yöntemi ... 29
2.4.4 Tm-Tstop yöntemi ... 29
2.4.5 İlk yükselme yöntemi ... 30
2.5 Termolüminesansın Tarihçesi ... 33
3.MATERYAL VE YÖNTEM ... 40
3.1 Materyal ... 40
3.2 Deneylerde kullanılan sistemler ve özellikleri ... 41
3.2.1 ELSEC 9010 OSL okuyucu ... 41
3.2.2 HARSHAW 3500 TL okuyucu ... 45
3.2.2 Riso TL/OSL DA 20 OSL sistemi ... 47
3.3 Örneğin Hazırlanması ... 49
3.4 Deneysel Aşamalar ... 49
3.4.1 Işıma eğrisi karakteristiği... 49
3.4.2 Artan doz oranları ... 49
3.4.3 Değişken ısıtma oranları ... 50
3.4.4 Tuzak enerji parametrelerinin belirlenmesi ... 50
3.4.5 Işıkta sönüm deneyi ... 51
3.4.6 Zaman içinde sönüm deneyi ... 51
3.4.7 Yarı ömürlerin belirlenmesi ... 51
4.BULGULAR ... 53
4.1 Işıma Eğrisi Karakteristiği ... 53
4.2 Tuzak Parametrelerini Belirleme Aşaması ... 54
4.3 Zamanla Sönüm ... 65
v
4.3.1 TL okumaları ... 65
4.3.2 OSL okumaları ... 67
4.4 Yarı Ömür Hesabı ... 65
4.4.1 TL sonuçlarına göre yarı ömür hesabı ... 65
4.4.2 OSL sonuçlarına göre yarı ömür hesabı ... 72
4.5 Işıkta Sönüm ... 74
4.6 Doz-Cevap (Büyüme) Eğrisi ... 76
4.7 Malzemenin Analizi ... 77
5.TARTIŞMA VE SONUÇ ... 80
5.1 Tuzak-Enerji Parametreleri ... 80
5.2 Doz-Cevap ... 80
5.3 Işıkta Sönüm, Zamanla Sönüm ve Yarı Ömür Hesabı ... 82
KAYNAKLAR ... 84
ÖZGEÇMİŞ ... 91
vi
SİMGELER DİZİNİ
Al2O3:C Aliminyum oksit dozimetre BSL Mavi ışıkla uyarmalı lüminesans c Işık hızı
E Tuzak enerjisi
ESR Elektron Spin Rezonans GBq 109 Bekürel
Gy Grey
h Planck sabiti
I Şiddet
IR Kızılötesi ışıma
IRSL Kızılötesi uyarmalı lüminesans
k Boltzman sabiti
LED Işık emisyon diyot LiF Lityum florür dozimetre
mCi Mikro curie
MeV Milyon elektron volt nm Nanometre OSL Optik uyarmalı lüminesans PM Fotoçoğaltıcı
ppm Milyonda bir kısım
s Frekans faktörü
T Sıcaklık
TL Termolüminesans
TLD Termolüminesans dozimetre UV Ultra viyole ışık
XRF X-ışın floresans spektroskopisi XRD X-ışın kırınım spektroskopisi V Volt
α Alfa bozunumu
β Beta bozunumu
βa Lineer ısıtma hızı
γ Gama ışıması
λ Dalgaboyu
µm Mikro metre
τ Ortalama ömür
vii
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 1.1 Grafitin atom dizilimi ... 3
Şekil 2.1 Enerji-Bant Modeli ... 5
Şekil 2.2 Kristal kusurları ve elektron geçişleri ... 6
Şekil 2.3 Floresans olayı ... 8
Şekil 2.4 Fosforesans olayı ... 9
Şekil 2.5 Tm-Tstop grafiği ... 30
Şekil 2.6 İlk yükselme grafiği ... 32
Şekil 2.7 Işıma tepesinin başlangıçta yükselen kısmı ... 32
Şekil 3.1 (a) Şekilde toz hale getirilmiş ve 125µm altındaki boyuta sahip tanecikler ve (b) toz haldeki numunenin Al disk üzerine silikon sprey ile yapıştırılmış hali ... 40
Şekil 3.2 ELSEC 9010 OSL okuyucu sistemi (PM tüp sisteme takılıyken) ... 41
Şekil 3.3 ELSEC 9010 OSL okuyucu sistemi (β kaynağı sisteme takılıyken) ... 42
Şekil 3.4 Sr-90 izotopunun radyoaktif bozunumu ... 43
Şekil 3.5 Fotoçoğaltıcı tüpün şematik gösterimi ... 44
Şekil 3.6 BG 39 filtresinin geçirgenlik penceresi ... 45
Şekil 3.7 HARSHAW 3500 TL Okuyucu sistemi ... 46
Şekil 3.8 TL okuyucunun şematik gösterimi ... 46
Şekil 3.9 Riso TL/OSL-DA-20 okuyucu ... 47
Şekil 3.10 Riso TL/OSL-DA-20 okuyucunun şematik gösterimi ... 47
Şekil 4.1 5 Gy ışınlanmış numunenin 0-450ºC arasındaki karakteristik eğrisi ... 53
Şekil 4.2 5,72 Gy ışınlanmış numunenin 40s OSL bozunumu ... 53
Şekil 4.3 5Gy ışınlanmış örneğin 1ºC/s okuma hızıyla 50-450ºC arası TL okumaları ... 54 Şekil 4.4 5Gy ışınlanmış örneğin 3ºC/s okuma hızıyla 50-450ºC arası TL okumaları ... 55
Şekil 4.5 5Gy ışınlanmış örneğin 5ºC/s okuma hızıyla 50-450ºC arası TL okumaları ... 55
Şekil 4.6 5Gy ışınlanmış örneğin 9ºC/s okuma hızıyla 50-450ºC arası TL okumaları ... 56
Şekil 4.7 5Gy ışınlanmış örneğin 1-3-5-9ºC/s okuma hızıyla 50-450ºC arası TL okumaları ... 56
Şekil 4.8 1.pik için maksimum tepe sıcaklığını ve artış hızını kullanarak elde edilmiş (1/Tm)-ln(Tm2/β) grafiği ... 58
Şekil 4.9 2.pik için maksimum tepe sıcaklığını ve artış hızını kullanarak elde edilmiş (1/Tm)-ln(Tm2/β) grafiği ... 59
Şekil 4.10 3.pik için maksimum tepe sıcaklığını ve artış hızını kullanarak elde edilmiş (1/Tm)-ln(Tm2/β) grafiği ... 59
Şekil 4.11 4.pik için maksimum tepe sıcaklığını ve artış hızını kullanarak elde edilmiş (1/Tm)-ln(Tm2/β) grafiği ... 60 Şekil 4.12 1.pik için maksimum tepe sıcaklığını ve artış hızını kullanarak elde edilmiş
viii
(1/Tm)-ln(Tm2/β) grafiği ve grafiğin yatay ekseni kestiği
nokta ... 61
Şekil 4.13 2.pik için maksimum tepe sıcaklığını ve artış hızını kullanarak elde edilmiş (1/Tm)-ln(Tm2/β) grafiği ve grafiğin yatay ekseni kestiği nokta ... 62
Şekil 4.14 3.pik için maksimum tepe sıcaklığını ve artış hızını kullanarak elde edilmiş (1/Tm)-ln(Tm2/β) grafiği ve grafiğin yatay ekseni kestiği nokta ... 63
Şekil 4.15 4.pik için maksimum tepe sıcaklığını ve artış hızını kullanarak elde edilmiş (1/Tm)-ln(Tm2/β) grafiği ve grafiğin yatay ekseni kestiği nokta ... 64
Şekil 4.16 1.pik için zaman içerisinde azalan TL sayım grafiği (0-67gün) ... 65
Şekil 4.17 1.pik için zaman içerisinde azalan TL sayım grafiği (26-67gün) ... 66
Şekil 4.18 2.pik için zaman içerisinde azalan TL sayım grafiği (0-67gün) ... 66
Şekil 4.19 3.pik için zaman içerisinde azalan TL sayım grafiği (0-67gün) ... 67
Şekil 4.20 4.pik için zaman içerisinde azalan TL sayım grafiği (0-67gün) ... 67
Şekil 4.21 Zaman içerisinde azalan OSL bozunum eğrileri (0-11gün) ... 68
Şekil 4.22 Zaman içerisinde azalan OSL toplam sayımlarındaki azalmanın logaritmik olarak ifade edilmiş grafiği (0-11gün) ... 68
Şekil 4.23 1.pik için ln(N/N0)- ln2.t grafiği ... 70
Şekil 4.24 2.pik için ln(N/N0)- ln2.t grafiği ... 70
Şekil 4.25 3.pik için ln(N/N0)- ln2.t grafiği ... 71
Şekil 4.26 4.pik için ln(N/N0)- ln2.t grafiği ... 72
Şekil 4.27 OSL ölçümleri için ln(N/N0)- ln2.t grafiği ... 73
Şekil 4.28 5Gy ışınlanmış diskler ile şıkta sönüm grafiği ... 75
Şekil 4.29 Toplam sayım için verilmiş lineer TL doz-cevap eğrisi ... 76
Şekil 4.30 Her bir pik için ayrı ayrı verilmiş lineer TL doz-cevap eğrisi ... 76
Şekil 4.31 OSL doz-cevap eğrisi ... 77
Şekil 4.32 Örneğin XRD çekimi ... 78
ix
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 3.1 Grafitin XRD değer tablosu ... 78 Çizelge 3.2 Malzemenin XRF sonuçları ... 79 Çizelge 3.3 XRF sonucu elde edilen oksit miktarları ... 79
x
TABLOLAR DİZİNİ
Tablo 4.1 5Gy ışınlanmış ve TL cihazı ile farklı ısıtma hızları kullanılarak
okuması yapılmış disklerin elde edilen tepe maksimum değerleri ... 57
Tablo 4.2 Elde edilen tepe maksimum değerleri ile elde edilmiş veriler (grafik çiziminde kullanılacak) ... 57
Tablo 4.3 4 pikin yukarıda hesaplanmış E, Enerji ve s, Frekans faktörleri ... 65
Tablo 4.4 Piklere göre hesaplanan yarı ömür değerleri ... 72
Tablo 4.5 TL ve OSL ölçümleri için hesaplanan yarı ömür değerleri ... 74
Tablo 4.6 Işıkta beklemiş diskler, kütleleri ve sayımları ... 75
1 1.GİRİŞ
Lüminesans mekanizması ve bu mekanizma ile ilgili tüm çalışmalar geçmişteki belirli bir zamandan, günümüze kadar geçen süredeki radyasyon dozu ile ilgili bilgiler taşımaktadır. Lüminesans mekanizmasına sahip materyaller, üzerinde bulunan radyasyon dozunu çok uzun yıllar muhafaza edebilirler. Bu nedenle uzak ya da yakın geçmişe ait bir takım bilgilere ulaşmak istiyorsak, lüminesans yöntemi ile bu bilgilere ulaşabiliriz.
Yaşadığımız çevre doğal bir radyasyon etkisi içinde yer almaktadır. Bu ortamda bulunan her madde radyoaktif ışınların etkisi altında kalır (radyoaktif izotoplar, uzaydan dünyamıza ulaşan kozmik ışınlar, karbon-14, potasyum-40 vb.). Radyoaktif ışınlar, özellikle yarıiletken maddeler ile etkileşimleri sonucu madde yapısında kalıcı etkiler meydana getirebilirler. Yarıiletken maddelerin içinde meydana gelen bu etkileri saptayabilmek amacı ile kullanılan nükleer tekniklerden bazıları lüminesans, elektron spin rezonans (ESR), nükleer iz analiz teknikleridir.
Lüminesans, bu mekanizmaya sahip malzemelerdeki tuzaklanmış elektronların tuzaklardan ayrılmasına neden olan uyarım ile farklı önadlar alır. Malzeme (ya da tuzaklanmış elektronlar) termal (ısısal) yolla uyarılıyorsa termolüminesans (TL) ; optik (ışık) yolla uyarılıyorsa optik uyarmalı lüminesans (OSL) adını alır. Bu iki lüminesans yöntemi bu tez içerisinde kullanılan yöntemlerdir.
Kristallerde, kuantum teorisine göre yasaklanmış olmasına rağmen, iletkenlik bandı ile değerlik bandı enerji aralığında, ara enerji seviyeleri bulunur. Bu ara enerji seviyeleri kristalin yapı bozuklukları veya kristalde yabancı atomların bulunmasından kaynaklanır ve bu seviyeler deşik ya da elektronlar için tuzak oluşturur. Aktivatör denen kristaldeki bu yabancı atomlar kristale, yoğunluğu arttırmak ve ara enerji seviyelerini oluşturmak amacıyla özellikle katılır.
2
Termolüminesans (TL) 1950’li yılların başından itibaren radyasyon dozlarını ölçmek amacıyla yaygın bir kullanım alanı bulmuştur (Bøtter Jensen vd. 2003). Yöntem, 1960’lı yıllardan sonra tarihlendirmede kullanılmaya başlanmış ve 1985’te Huntley ve arkadaşları tarafından optik uyarmalı lüminesans (OSL) tarihlendirme amaçlı kullanılmıştır (Huntley vd. 1985). Termolüminesans işlemi ile geçmişte en az 500ºC sıcaklıkta pişirilmiş olan arkeolojik buluntular tarihlendirilebilmekteydi.
Termolüminesans tarihlendirme yöntemi birçok örnek tipine uygulanabilir: çanak, çömlek, tuğla, yanmış taşlar, yanmış çakmak taşları ve sarkıt-dikit kalsitleri bunlardan bazılarıdır.
Lüminesans dozimetresi, lüminesans malzemesinin radyasyon tepkisini ölçer.
Malzemenin radyasyon tepkisi, malzeme içerisinde radyasyon soğurulmasına bağlıdır.
Günümüzde termolüminesans yöntemi dozimetrik materyallerin incelenmesi, tuzak parametrelerinin belirlenmesi gibi çalışmalarla birlikte tıp alanında teşhis ve tedavide de yaygın olarak kullanılmaktadır. Termolüminesans işleminin arkeoloji, jeoloji, katı hal fiziği, biyoloji, organik kimyada çeşitli kullanım alanları vardır.
Bu tez çalışması kapsamında; lüminesans ve dozimetrik özellikleri araştırılan malzeme, grafit katkılı kurşun kalemlerdir. Kırmızı renkli kurşun kalemlerin, radyasyona tepkisi TL yöntemi ile ölçüldü. Doz duyarlılığına sahip bu malzemenin TL yöntemiyle artan doz cevabına bakıldı, tuzak-enerji parametreleri ve zaman içerisinde sönümü incelendi.
Aynı malzemenin artan doz cevabı ve zaman içerisinde sönümü mavi ışık ile uyarılmış OSL yöntemiyle incelendi.
1.1 Grafitin Yapısı
Aynı maddenin değişik kristal biçimlerine allotrop denir. Allotrop sözcüğü allo ve trop sözcüklerinin birleştirilmiş halidir. Yunancadan alınan bu kelime, değişik biçim anlamında iki sözcükten gelir. Elmas ve grafit, karbonun allotroplarıdır. Elmasta her karbon atomu, dört başka karbon atomuna bağlanarak üç boyutlu katı bir yapı oluşturur;
grafitte ise iki boyutlu
Şekil 1.1 Gr
e karbon ato u düzlemde
rafitin atom di
omları, üst e birbirlerine
izilimi
üste yığılm e bağlanmış
3
mış geniş, ya ştır.
assı levhalaar oluşturacaak biçimde,,
4 2. KURAMSAL TEMELLER
2.1 Lüminesans Olayı
Bu bölümde lüminesansın tanımı yapılarak lüminesans mekanizması hakkında bilgi verilecektir.
2.1.1 Lüminesansın tanımı
Lüminesans, görünür bölgede bir ışık olup, atom veya molekülün dışarıdan verilen bir enerji ile uyarılması sonucu oluşan elektromanyetik radyasyon için kullanılan genel bir terimdir. Lüminesansın diğer elektromanyetik ışınımlardan temel farkı, atom veya molekülün ısısında bir değişme olmadan yayımlanabilmesidir. Bu özelliği nedeni ile soğuk ışık olarak da adlandırılır (Thomsen 2004). Lüminesans veren materyaller enerjiyi soğurabilir, bir kısmını depolayabilir ve onu ışığa dönüştürebilir.
2.1.2 Lüminesans mekanizması
Oluşma şekli aslında tam olarak anlaşılamayan lüminesansın ana mekanizması yalıtkan iyonik bir kristalin enerji-bant modeli ile açıklanabilir. Bu modelde elektronların, bant olarak adlandırılan farklı enerji seviyelerinde olduğu kabul edilir. En düşük enerji bandı değerlik bandı (valans band), en yüksek enerji bandı iletim bandı (conduction band) ve bu iki bant arasındaki boşluk yasak bant olarak adlandırılır.
Şekil 2.1 En
Kusursuz takım kris kristal ya Gözlenen (intrinsic) kusurlar, h veya herh yanlış dizi yapıya gel oluşan ku olan deşik davranır v seviyelerin radyasyon
nerji-Band Mo
bir kristal staller (kuv apılarının iç
kusurlarda ve yapısal herhangi bir hangi bir ato ilim sonucu len katkılar usurlardır. B k yakalama ve karşıt y nin oluşma n soğurması
odeli
lde bu yasa vars ve feld
çinde bir ta an en yayg
olmayan (e r atomun ol omun olma u oluşan ku r veya yaba Bir kristal k özelliğine yükü çeker.
asına neden nı gerçekleş
ak bantta h dspat gibi) b akım kusur gını nokta k
extrinsic) k lması gerek ası gereken surlardır. Y ancı bir atom kusuru eğer
sahip ise y . Bu tür k n olurlar. B
ştirirler ve b
5
hiç elektro bu ideal du rlar barındı kusurlardır.
kusur tipleri ken yerde o
yerden baş Yapısal olma mun kristal elektron v yük taşıyıcı kusurlar yas Bu yarı kar
böylece lüm
n bulunma urumu her z
ırabilirler ( . Noktasal
olarak sını lmaması so şka bir yerd ayan kusurl
yapı içeris veya onun g
bir kusur m saklı bölge rarlı enerji minesans ola
az. Ancak zaman sağl (Vandenber kusur tiple ıflandırılabi onucu oluşa de olması s lar ise dışar sine yerleşm geride bırak merkezi (tu ede yarı ka seviyeleri ayı gerçekle
doğada bir lamazlar ve ghe 2004).
eri, yapısal ilir. Yapısal an boşluklar onucu yani rıdan kristal mesi sonucu ktığı boşluk zak) olarak ararlı enerji de nükleer eşmiş olur.
r e . l l r i l u k k i r
Şekil 2.2 Kr
2.2 Termo
Herhangi seviyesind akkor teld gelebilir.
veya mol enerji sev fakat UV bu olaya “ adlandırılı
• Radyo
• Bir fo enerji
• Elektr
ristal kusurları
olüminesan
bir ışık den yüksek
deki gibi ı Bir madde lekülleri, k
iyesine dön ve IR’de
“lüminesans ır. Bu uyarm
oaktif ışınla fosfor veya
inin ışıması rik alan uyg
ı ve elektron g
ns Olayı
yayınımı, k enerji sev
sısal, ya d enin enerji kazandıkları
nerken de f olabilir) şe s” denir. Lü ma,
arla oluşuyo organik m ile oluyors gulaması ile
geçişleri
öncelikle, viyesine uy da floresan
soğurması ı bu enerji fazla enerjin
eklinde dışa üminesans,
orsa Radyolü molekülün k a Kemilümi e meydana g
6
atom ya yarılmasına tüpteki gib ıyla uyarıla iyi vererek nin bir kısm arıya verirl
ışığın açığa
üminesans, kimyasal r inesans, geliyorsa El
a da mole a bağlıdır.
bi ısısal ol an ve kara k temel ha mını ışık (g er. Işık açı a çıkmasını
eaksiyonu
lektrolümine
ekülün dü Bu uyarılm lmayan bir asız hale g ale dönmek enellikle gö ığa çıkması ı sağlayan e
sırasında a
esans,
üşük enerji ma enerjisi kaynaktan geçen atom k ister. Bu örünür ışık, ıyla oluşan etkene göre
açığa çıkan i i n m u , n e
n
7
• Biyokimyasal etkileşimlerden meydana geliyorsa Biolüminesans,
• Bir cismin yanması sırasında alev içindeki ışımayla oluyorsa Kandolüminesans,
• Yüksek frekanslı ses dalgaları veya fononlarla meydana geliyorsa Sonolüminesans,
• Katot ışınları ile oluyorsa Katodalüminesans,
• Kristallerin kırılma ve parçalanması ile oluyorsa Tribolüminesans,
• Basınç(10 ton m-2) ile oluyorsa Piezolüminesans,
• U.V., görünür ve kızıl ötesi ışık ile oluyorsa Fotolüminesans,
• Işıma uyarmayla başlayıp uyarma zamanı olan 10-8 saniye boyunca devam ederse Floresans,
• Uyarma kesildikten sonra (10-8’den sonra) lüminesans ışıma bir müddet daha devam ederse Fosforesans (Chenand McKeever 1997),
• Katıları ısıtarak uyarma yolu ile ortaya çıkan ışık yayılmasıyla oluyorsa Termolüminesans adını alır.
Bir elektronun uyarılmış bir durumdan taban durumuna geçişiyle sonuçlanan ışık emisyonuna floresasans denir. Uyarılmış durumla emisyon arasındaki gecikme, uyarılmış durumun ömrü olarak tanımlanır. Elektronun uyarılmış durumdan taban duruma geçişinin izin verilmediği durumlarda, elektron yarı-kararlı duruma geçiş yapar. Yarı kararlı durumdan taban duruma geçmek için yayılan ışığa fosforesans denir.
Fosforesansta uyarılmış ve yarı-kararlı durum arasındaki enerji farkı öylesine küçüktür ki, mutlak sıcaklıkta örgü titreşimleri ile salınım meydana gelir. Yani, dış enerji kaynağına ihtiyaç yoktur. Ancak OSL ve TL’de uyarılmış durum ve yarı- kararlı durum arasındaki enerji farkı öylesine büyüktür ki elektronların salınması için dış enerji kaynağına ihtiyaç vardır. TL’de lüminesans emisyonu termal uyarma ile OSL’de ise optik uyarma (UV, görünür bölge veya kızılötesi) ile oluşturulur.
Floresans, zaman ö soğurması lüminesan üzerindeki floresans Floresansı durumuna ile açıklan
Şekil 2.3 Flo
Fosforesan uyarıcı ka sıcaklığa elektron tu gibi (g)’d seviyesine Böylece fo
, fosforesan lçeği bakı ından sonra ns olayı o i uyarılma
olayı duru ın bitiş za a geçiş olas nabilir ve sıc
oresans olayı (
ns olayı is aynak uzakl
bağlıdır. F uzağına (ya den (e)’e d e geçerek b
osforesans o
ns ve termo ımından b a 10-8 san olarak tan a işlemi d ur. Floresa amanı, uya sılığı ile be caklığa bağ
(Fonda 1939)
e, 10-8s’ d laştırıldıkta Fosforesans arı kararlı du doğrudan bi
buradan (g olayı gerçek
olüminesans birbirinden niyeden dah nımlanabilir devam ettir ans olayını arılmış bir elirlenir (Şe
lı değildir (
en daha uz an sonrada
olayı bir urum) uyarı ir geçiş yo g) taban en kleşmiş olur
8
s olayları, ı ayrılır. F ha az bir r. Floresan rildiği sür ın bitme z
(e) enerji ekil 2.3). Fl
Fonda 1939
zun bir sür gözlemlene elektron, ( ıldığında gö oktur. Bir e nerji seviye
r.
şık yayınım Floresans,
sürede ışığ ns olayı
ece gerçek zamanı sıc
seviyesind loresans ola 9).
rede meyda ebilir. Fosfo (g) taban e özlenebilir.
elektron uy esine döner
mının meyd maddenin ğın yayıldı
ise yalnız kleşir. Aks caklıktan b
den (g) ta ayı enerji-b
ana gelir. F oresansın b
enerji duru Şekil 2.4’te yarıldığında rken bir fo
dana geldiği radyasyon ığı yerdeki zca madde si takdirde bağımsızdır.
aban enerji bant modeli
Fosforesans itiş zamanı umundan E e görüldüğü E’den (e) oton yayar.
i n i e e .
