LÜMİNESANS MATERYALLER Temel Prensipler, Uygulama

LÜMİNESANS MATERYALLER

Temel Prensipler, Uygulama Alanları, Işıldama Eğrisi Özellikleri

Prof. Dr. Niyazi MERİÇ

Ankara. Üniversitesi Nükleer Bilimler Enstitüsü

Enerji seviyeleri

Pauli exclusion kuralı: 2 tane elektron yörünge içerisinde aynı yerde bulunamaz.Her bir yörünge birbirinin tersi spine sahip iki elektrona sahiptir.

Bir Na atomu 3s yörüngede bir elektrona sahiptir. 4 adet Na atomunda 4

elektron Pauli prensibine göre aynı yörüngede bulunamaz. Bu nedenle 3s

yörüngeleri arasında hafif seviye farkı vardır. Aynı zamanda delokolize olan

bu 4 elektron çok hareketlidir ve 4 farklı Na atomları tarafından paylaşılır.

Bu komşu yarı dolu 3s yörüngeleri arasındaki mesafe çok küçüktür

ve bir enerji bandı (valans bandı) oluştururlar. Bu bant içerisindeki

yüksek hareketliliğe sahip bu elektronlar valans elektronları olarak

adlandırılırlar ve elektron bulutu oluşturarak katı malzeme

içerisinde sürekli hareket edebilirler. Sonuç olarak bu yapıya sahip

olan metallerin elektrik iletkenlikleri yüksektir.

Fermi enerji seviyeleri

0

K sıcaklıkta valans bandının sahip olabileceği en yüksek enerji Fermi

seviyesi olarak adlandırılır.

Elmas gibi kovalent bağa sahip malzemelerde elektronların valans

bantından iletkenlik bantına geçmesi için yenmeleri gereken bir

enerji aralığı (Eg) söz konusudur.

Yalıtkanlar

• E

’si 5 eV dan daha büyük (cam,

tahta, porselen…) malzemelerdir.

• Bant aralığının büyüklüğü

yalıtkanlarla yarıiletkenler

arasındaki farkı belirler.

• Yalıtkanlarda termal uyarma işlemi

erime sıcaklığına gelinse dahi bir

elektronu iletkenlik bandına

transfer etmek için yetmez.

• Yine çok yüksek 𝐸 bile elektronu

iletkenlik bandına transfer edemez.

Yalıtkanlar

 0K’de alt bandı tamamen

elektronlarla dolu, üst bandı

tamamen boştur.

Yalıtkanların enerji aralığı

büyüktür( ≈ 5 −10eV ).

Oda sıcaklığındaki kT değeri

(=0,025eV) ile yalıtkanın enerji

aralığı karşılaştırıldığında

Yarıiletkenler

 Enerji aralığı 1eV

mertebesindedir.

 T=0K’de bütün

elektronlar

değerlik(valans)

bandındadır ve iletim

bandında hiç elektron

yoktur.

Metaller

• İletkenlik ve değerlik bantları arasında aralık

yoktur.

• İletkenlik bandı ile değerlik bandı bitişik ya da

içiçe geçmiş şekildedir.

Enerji Band Modeli

Yalıtkan Yarıiletken İletken Eg=3-10eV Eg=1eV Eg=0

Belli bir sıcaklıkta küçük E değerli merkez, büyük E değerli merkezden tuzak almaya daha yatkındır. Bu nedenle yeniden birleşme merkezleri yasak band aralığının

ortalarına doğru yer alırken, elektron ve hol tuzakları kıyılara daha yakındır.

Ayrıca belli bir sıcaklıkta tuzak olan merkez, düşük sıcaklıkta yeniden birleşme merkezi gibi davranabilir.

Elektron tuzakları için;

iii. Geçişinin olasılığı, iv. Geçiş olasılığından büyük ise, bu enerji seviyesine TUZAK

Lüminesans (Işıldama); kuvars, elmas, kalsit ve feldispar gibi

iletken olmayan birçok kristal yapıdaki mineralin dışarıya görünür bölgede ışık (foton) yayması olayıdır. Bu tür malzemelere lüminesans malzeme veya fosfor malzeme olarak adlandırılır.

Lüminesansın, kara cisim (fon) ışımasından temel farkı, lüminesans için mineralin öncelikle dış bir kaynaktan (örneğin radyasyondan) enerji alması ve aldığı enerjinin bir kısmını elektromanyetik ışınım olarak salması gereklidir.

• Malzeme yalıtkan veya yarıiletken olmalı, metaller lüminesans olayı göstermezler. • Malzeme iyonize radyasyon kaynağı ile ışınlanırken yeterince enerji soğurmalıdır.

• Bir TL malzemede okunduktan sonra ışınlanmadan tekrar okunursa ikinci bir kez ışık yayma olayı gözlenmez.

• TL malzemeden tekrar ışık yayılması için bu malzemenin her okunma sonrası tekrar iyonize radyasyon kaynağı ile ışınlanması gereklidir.

• TL malzemenin radyasyon enerjisini soğurma kabiliyeti onun dozimetrik uygulamalarda kullanımını belirleyen en önemli parametrelerden biridir.

• TL olayında ışıma ısı ile tetiklenir.

• Genelde yüksek sıcaklıklarda (T>400 ◦C); katı malzemeler ısıtılma esnasında kızıl ötesi ışık yaymaya başlarlar.

• Bu olay kara cisim ışıması olayı olarak bilinir ve TL olayı ile karıştırmamak gerekir.

TL olayı için

•

Denk.1

burada p birim zamanda kurtulma olasılığı, s frekans faktörü veya tuzaktan kaçmaya girişim faktörü, T sıcaklık ve E aktivasyon enerjisi (tuzak derinliği) olarak ifade edilir.

• Genelde, s sıcaklıktan bağımsız örgü titreşim frekans mertebelerinde 1012_-1014 _s−1 _bir

 Şayet tuzak derinliği E>>k T₀ ise (T₀ ışınlama sıcaklığı genelde oda sıcaklığı), tuzaklanmış bir elektron oldukça uzun süre burada kalır. Bu nedenle ışınlama sonrası elektron tuzaklarında tuzaklanmış çok sayıda elektron oluşur.

• Elektronların tuzaktan kurtulması için malzemenin sıcaklığını ışınlama sıcaklığının üstüne çıkarmak (T> T₀) gereklidir.

• Malzemenin sıcaklığı arttıkça, elektronların tuzaktan kurtulma olasılığı artacak ve tuzaklanmış elektronlar tekrar iletkenlik bandına geçeceklerdir.

• İletkenlik bandına geçmiş elektronlar, burada bir birleşme merkezindeki boşluklar ile birleşene kadar hareketlidirler.

 Birleşme merkezleri, lüminesans merkezleri olarak da adlandırılır ve lüminesans merkezlerinin uyarılmış seviyesine geçen elektronlar buradan taban seviyesine geçerek deşik ile birleşmesi sonucu dışarıya

hv gibi bir foton yani ışık yayarlar.

Şekil: Oda sıcaklığında 50 Gy doz uygulanmış doğal kuvars kristalinin ışıldama eğrisinin CGCD proğramı

TERMOLÜMİNESANS DOZİMETRE (TLD)

ÝLETKENLÝK BANDI

VALANS BAND

YASAK ENERJÝ BÖLGESÝ

( a ) ÝLETKENLÝK BANDI VALANS BAND ( b ) ELEKTRON TUZAKLARI HOL TUZAKLARI  ,x ýþýnlarý ÝLETKENLÝK BANDI VALANS BAND ( c ) TL FOTONU E

(a) Tek kristal yapıya sahip katının enerji band diyagramı. (b) Radyasyon ile uyarılan kristalde oluşan serbest elektronlar ve hollerin tuzaklanması. (c) Isıtma sonucu yeterli

TLD DOZİMETRİLERİN

DEĞERLENDİRİLMESİ

Riso TL/OSL sistemi

1 2 3 4 5

IÞI

K

Y

A

Y

IN

IM

I

( T

L

)

1. pikin yarı ömrü on dakikadır. 2. pikin yarı ömrü on saat,

3. pikin yarı ömrü altı ay 4. pikin yarı ömrü yedi yıl

TLD okuyucusunun zaman-sıcaklık

değerlerine göre davranışı

ORTAM SICAKLIÐI ÖN TAVLAMA ISITMA HIZI (10 0_C/sn) MAKSÝMUM SICAKLIK OKUMA TAVLAMA SICAKLIÐI TAVLAMA S IC A K L IK ( 0 C ) 12 sn 30 sn 3600 sn 1200 sn SOÐUMA 1000_C 3000_C 4000_C

R x-ışınları Kaynağı

TLD fosforlarının kalibrasyonu

1)

₂₎

3)

4)

5)

D

)

(

*

)

(

D

Rad

Y

nc

TL/OSL okuyucularda kullanılan filtreler

Termolüminesansın Uygulama Alanları

Termolüminesansın Uygulama Alanları

Arkeloji Jeloji

Katıhal Fiziği Radyasyon

Dozimetreleri

Bioloji Biokimya

Uzay bilimleri Spektroskopik Analizler

TL-Photography Tıp Bilimleri

Teşekkürler . . .

Prof. Dr. Niyazi MERİÇ

Ankara. Üniversitesi Nükleer Bilimler Enstitüsü