Lityum Tetraborat Materyalinin Radyoluminesans ve

Termoluminesans Özellikleri

T.KARALI1, A. KELEMEN2, E. EKDAL1, M. PROKIC3

1 Ege Üniversitesi, Nükleer Bilimler Enstitüsü, Bornova, İzmir, Türkiye2Izotop Enstitüsü, HAS CRC P.O. Box 77, Budapeşte, Macaristan

3Nükleer Bilimler Enstitüsü, Vinča, Belgrad, Sırbistan

► Son yıllarda çevresel, personel ve klinik uygulamalarda kullanılmak üzere radyasyon dozimetrelerinin üretilmesi ve geliştirilmesi konusunda çok sayıda çalışma yapılmaktadır.

► Enerji depolama verimi bir TL malzemenin üretilmesi ve karakterizasyonunda en önemli konulardan biridir.

► Aktivatörün seçimi, konsantrasyonu ve konak materyalin yapısı bu verimi etkileyen temel parametrelerdir.

► Lityum tetraborat dozimetreler özellikle radyasyon dozimetrisinde, radyasyon terapisinde ve klinik uygulamalarda kullanılmaktadır. 7.3 etkin atom numarası ile doku eşdeğeri bir malzemedir. Bu özelliği dozimetreleri radyasyon tedavisinde foton enerjisinden bağımsız ölçümler için uygun kılmaktadır.

► Malzemelerin tavlama işlemlerine yanıtları, ışıma eğrisinin karakteristikleri, nemin ve sönümlenmenin etkisi, ışık duyarlılığı ve foton doz yanıtı gibi önemli özellikleri incelenmektedir.

► Mn katkılı LTB malzemeler, radyasyon dozu ölçümlerinde kullanılmak için üretilen ilk TL fosforlardandır. Fakat düşük TL duyarlılığı göstermektedir. Mn’ ın emisyonu 600nm dalgaboyunda olup bu değer çoğu PM tüpün ideal dalgaboyu bölgesinden çok uzaktır.

► TL malzemelerin hazırlanmasındaki farklı yöntemler, farklı TL karakteristiklerine (ışıma eğrisinin şekli, TL duyarlılığı, lineerlik gibi) sahip olmalarına yol açar.

► TL özellikleri iyi malzemeler üretebilmek için Cu-In; Cu-In-Ag; Cu-Ag-P gibi iki veya daha fazla katkı içeren sinterlenmiş LTB malzemeler geliştirilmektedir.

► Katkılı LTB kristaller, Li ve B içeriklerinden dolayı nötron dedeksiyonunda kullanılma potansiyele sahiptir (Li ve B nötron yakalama tesir kesiti büyük).

► Bunun yanında düşük malzeme yoğunluğu ve düşük etkin atom numalarından dolayı gama ışını dedeksiyonunda verimleri düşüktür.

► Radioluminesans spektrum çalışmaları Ag iyonlarının 280 nm, bakır iyonlarının 370 nm de emisyon verdiklerini göstermiştir. Optiksel transmisyon çalışmaları, katkısız kristaller 167nm de cut-off dalgaboyu gösterirken katkılı LTB örneklerin geçiş spektrumlarının 200nm civarında cut-off dalgaboyuna ulaştıklarını göstermiştir.

► Borat dozimetreler araştırmada ve uygulamada yıllardır kullanılmasına rağmen radyasyon dozunun ölçülmesindeki TL mekanizması henüz tam olarak bilinmemektedir.

► TL özelliklerinin geliştirilmesinde yük dengesinin sağlanması için LTB farklı iyonlarla katkılama çalışmaları yapılmaktadır.

Bir dozimetrik malzemenin TL verimi:

Bir dozimetrik malzemenin TL verimi birkaç faktör tarafından belirlenmektedir:

1. Yük tuzaklama verimi

2. Işınımlı yeniden birleşme olasılığı

3. Işınımlı olmayan süreçlerde kaybedilen enerji miktarı

İlk iki faktörün katkı çeşidi ve katkı konsantrasyon miktarı ile kontrol edildiği düşünülmektedir.

Üçüncü faktör ise kristal örgü özellikleri ile ilgilidir.

TL materyalleri ışınlama sırasında da bir ışıma yapmaktadırlar, ki bunaradyolüminesans diyoruz. RL intesitesi de yine TL verimini belirleyen 3 parametre ile belirlenmektedir.

N: ışınlama sırasında örnekte oluşturulan serbest yük taşıyıcılarının sayısı

nT : ışınlama sırasında tuzaklanan yüklerin sayısı

nR : ışınımlı yeniden birleşme yapan yük taşıyıcı sayısı

nNR:ışınımsız yeniden birleşme yapan yük taşıyıcı sayısı

N=nT+nR+nNR

Tuzaklama verimi Q=nT/N olarak yazılabilir.

Malzemenin ısıtılması sırasında (TL) önceden tuzaklanan tüm yüklerde ya ışınımlı yada ışınımsız olarak rekombinasyon merkezleri ile birleşecektir.

► Işınımlı ve ışınımsız yeniden birleşme sayıları; tR ve tNR olsun, yani nT= tR + tNR

► Basit TL modelde olduğu gibi termal sönümlemenin olmadığını ve ışınımlı ve ışınımsız rekombinasyon sayılarının ışınlama ve ısıtma sırasında aynı olduğunu kabul edelim

nNR=knR ve tNR=ktR

Burada k ışınımlı ve ışınımsız geçişlerin oranını karakterize eden bilinmeyen bir faktördür.

Tuzaklama verimi;

Q=(tR+tNR)/(tR+tNR+nR+nNR)= (1+k)tR/(1+k)(tR+nR)=tR/(tR+nR)

► tR lineer ısıtma sırasındaki ışınımlı geçişlerin sayısı olduğu için, örnekten yayınlanan toplam TL ile orantılı

► nR ışınlama sırasında örnekten yayınlanan toplam RL ile orantılı

► Bu şekilde T ve R yi ölçerek bir örneğin yük tuzaklama verimini (Q=T/T+R) karakterize eden bir nicelik elde ederiz.

► Q değerleri örneğin TL duyarlıllığı ile doğrudan ilgili değildir, fakat aynı konak örgü kullanıldığında yüksek tuzaklama verimine sahip materyalin daha yüksek TL şiddeti vereceğini söyleyebiliriz.

Materyal ve Yöntem

Bu çalışmada, radyasyon doz ölçümünde kullanılmak üzere geliştirilen, Cuve Cu, Ag, P ile katkılanan iki farklı malzemenin TL ve RL verimleriincelenmiştir.

Cu, Ag ve P katkılı LTB malzemeler oldukça karmaşık TL malzemelerdir.Çünkü ışıma eğrilerinin şekli ve TL şiddetleri, hazırlanma yönteminden,temel kimyasal saflığından, katılaştırma sıcaklığından etkilendiği kadaraktivatör ve coactivator konsantrasyonlarından oldukça etkilenmektedir.

Çalışmada kullanılan sinterlenmiş LTB örnekleri Belgrad’daki NükleerBilimler Enstitüsü’nde hazırlanmış ve geliştirilmiştir. 4mm çapındaki ve0.9mm kalınlığındaki tabletler, 75-200 mikrometre arasındaki tanecikboyutu kullanılarak hazırlanmıştır.

Sinterleme atmosfer basncında 850oC sıcaklıkta yapılmıştır. Yüksek nemgibi çevresel etkenlerin bu yöntemle hazırlanan katı LTB ları etkilemediğigörülmüştür. Cu, Ag ve P konsantrasyonları sırasıyla ağırlık olarak %0.03,%0.03 ve %0.8 dir.

Radyolüminesans-Termolüminesans ölçüm sistemi

► Dozimetrelerin Termolüminesans verimlerini belirlemek için Radyolüminesans-Termolüminesans ölçüm sistemi kullanılmıştır.

► Özel olarak dizayn edilmiş olan ölçüm sistemi hem ışınlama hemde foton sayım işlemlerini aynı anda yapabilmektedir.

► Işınlama ve TL ölçümleri örnek sabit tutularak yapıldığından foton deteksiyon geometrisi sabit kalmaktadır.

► Işınlamalar örnekten 5 cm uzaklığa monte edilen Sr-90 kaynağı ile yapılmıştır. Doz hızı 0.5 mGy/s.

► TL ışıma eğrileri ışınlamadan 1 dak sonra 2oC/s ısıtma hızı ile kaydedilmiştir.

► RL sonuçları için ışınlama sırasında malzemelerden yayınlanan toplam lüminesans kaydedilmiştir.

► TL sonuçları için, ışınlamayı takiben elde edilen glow piklerin integrasyonu alınmıştır.

Radyolüminesans-Termolüminesans ölçüm sistemi

Cu ve Cu, Ag, P ile katkılanmış LTB materyalinin ışıma egrileri

Cu,Ag,P ve Cu katkılı LTB materyalerinin doz-yanıt eğrileri

0 2 4 6 8 10

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

To

pla

m T

L s

idd

eti

Doz (Gy) 0 2 4 6 8 10

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

To

pla

m T

L S

idd

eti

Doz (Gy)

Li2B4O7:Cu,Ag,P Li2B4O7:Cu

Cu ve Cu, Ag ve P katkılı LTB örneği ile Radiolüminesans

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

LTB_C

u

LTB_C

u_Ag_

P

MBO_D

y_Na

MgS

iO_T

b

CaS

O4_

Dy_

Li

LTB materyallerinin TL verimleri ve bazı TL materyaller ile karşılaştırılması

ÖRNEK RL TL1 TL2 TL=TL1+TL2 TL+RLTL/TL+

RLTL1/TL

+RLTL2/TL

+RL

Li2B4O7:Cu 2E+06 96738 1,82E+05 2,79E+05 1,93E+06 0,14 0,05 0,09

Li2B4O7:Cu,Ag,P 2E+06 1,49E+05 5,21E+05 6,70E+05 2,72E+06 0,25 0,05 0,19

Mg B4O7:Dy,Na 2E+06 0 1,98E+06 1,98E+06 4,01E+06 0,49 0,00 0,49

Mg2SiO4:Tb 7E+06 0 3,93E+07 3,93E+07 4,67E+07 0,84 0,00 0,84

CaSO4:Dy,Li 4E+06 7,56E+05 7,79E+06 8,55E+06 1,25E+07 0,68 0,06 0,62

SONUÇLAR

► TL intensitelerine bakıldığında 3 farklı iyon ile katkılanan LTB nin radyasyona daha duyarlı olduğu görülmektedir. LTB ye Cu katkısının yanında Ag ve P iyonlarının da katkılanması düşük sıcaklıktaki kararsız pikte bir farklılık yapmazken, ana dozimetrik pikin duyarlığını yaklaşık 2 kez arttırmıştır.

► Örneklerin radyasyon doz yanıtları, ölçülen doz aralığında (10 mGy-10Gy) doğrusaldır.

► Örneklerin yayınladığı RL, ışınlama sırasında sığ tuzakların aynı zamanda boşalması nedeniyle ölçüm başlangıcında bir miktar artış göstermektedir. Fakat ışınlama ile tuzakların doldurulma hızı, boşalmaya göre cok daha hızlı olduğundan kısa bıir zaman sonra RL şiddeti sabit hale gelmektedir.

► Örneklerin TL verimleri tuzaklama kapasitelerinin bir ölçüsüdür. Bu şekilde yapılan ölçümler ile yüksek duyarlılıklı bir TL dozimetresi elde edilip edilemediği kolaylıkla test edilebilir.

► Ayrıca malzemede oluşan ışınımlı ve ışınımsız geçişler konusunda da bilgi elde edilebilmektedir.

Kaynaklar

► Furetta, C., Prokic, M., Salomon, R., Prokic, V. and Kitis, G., 2001. Dosimetric characteristics of tissue equivalent thermoluminescence solid TL detectors based on lithium borate. Nuclear Instrument and Methods in Physics Research A, 456, 411-417.

► Ishii M, Kuwano Y, Asaba S, Asai T, Kawamura M, Senguttuvan N, Hayashi T, Koboyashi M, Nikl M, Hosoya S, Sakai K, Adachi T, Oku T and Shimizu H.M., 2004. Luminescence of doped lithium tetraborate single crystals and glass. Radiation Measurements, 38 (4-6), 571-574.

► Peto, A., 1996, Relative yields of radioluminescence and thermoluminescence in several TL phosphors, 65 (1-4) 123-126.

► Kitis, G., Furetta, C., Prokic, M. and Prokic, V., 2000. Kinetic parameters of some tissue equivalent thermoluminescence materials. J. Phys. D: Appl. Phys., 33, 1252-1262.

► Takenaga, M., Yamamoto, O., Yamashita, T., 1980. Preparation and characteristics of Li2B4O7:Cu phosphor. Nucl. Instr. Meth. 175, 77-78.

► Kelemen, A., Holovey V., Ignatovych M., 2008, Relative yields of radioluminescence and thermoluminescence in manganese and silver doped lithium tetraborate phosphors. Radiation Measurements, 43, 375-378.

TEŞEKKÜRLER