Farklı ağır oksitler ile katkılandırılmış B2O3-TeO2 cam sisteminin yapısal, optik ve radyasyon soğurma özelliklerinin incelenmesi

Bu araştırmada, radyasyon zırhlama uygulamalarında kullanılmak üzere farklı ağır oksitler ile katkılandırılmış borotellürit cam sistemi çalışıldı. Bu amaçla, öncelikle, xB2O3- (100-x) TeO2, x: molce %0, 5, 10, 15, 20, 25 ve 30; sonrasında, yBi2O3- [(100-y) ((xB2O3- (100-x) TeO2))], y: molce %0, 5, 10, 12.5, 15, 17.5, 20 ve 25; son olarak ise, (100-z) [yBi2O3- ((100-y) (xB2O3- (100-x) TeO2))]- zHMO, z: molce %5 ve HMO: Gd2O3, Ta2O5, Nb2O5, La2O3, Sm2O3, cam sistemleri ikili, üçlü ve dörtlü olarak tasarlandı. BT (BT5 ile BT30 arası), BT20-Bi (BT20-Bi0 ile BT20-Bi25 arası) ve BT20Bi10-HMO (BT20Bi10-Gd5 ile BT20Bi10-W5 arası) kodlu cam serileri, sırasıyla, tartım, karıştırma, eritiş, şekillendirme ve tavlama süreçleri neticesinde başarıyla sentezlendi. Sentezlenen cam serileri, malzeme karakterizasyonu ve radyasyon zırhlama kabiliyeti açılarından birtakım analizlere tabi tutuldu. Böylelikle de fiziksel, yapısal, ısıl, optik ve radyasyon soğurma özellikleri ortaya çıkarıldı. Fiziksel özellikler çerçevesinde, yoğunluk değerlerinin 4.6504 ile 5.5541 g.cm-3 arasında değişkenlik gösterdiği, bununla beraber, artan ağır oksit ilavesiyle yoğunluğun da artırılabilir olduğu görüldü. Yapısal özellikler bakımından, BT serilerinin tümü ile BT20Bi5, BT20Bi10, BT20-Bi12.5, BT20Bi10-Ta5 ve BT20Bi10-La5 numuneleri amorf yapı sergilerken, diğerlerinde kristal faz oluşumları tespit edildi. Ayrıca, bağ yapıları ve titreşim modları irdelenerek, temelde, B-O, B-O-B, Te-O, Te-O-Te, O-Te-O ve Bi-O bağları bulundu. Isıl özellikler açısından BT serileri özelinde yapılan çalışmalarda, camsı geçiş noktası, farklı ısıtma hızlarına bağlı olarak değişkenlik gösterirken, genel olarak 321 ile 348 ⁰C arasında değiştiği görüldü. Ek olarak, kristalizasyon kinetiği çalışmaları yapılarak Ozawa, Kissenger ve Augis-Bennet özelinde kristallenme için gerekli olan aktivasyon enerjisi ve viskoz akış için gerekli olan aktivasyon enerjisi hesaplanarak, bunların, sırasıyla, 161.5 ile 303.2 kJ/mol ve 65.7 ile 596.9 kJ/mol arasında olduğu bulundu. Optik özellikler dahilinde yapılan çalışmalara göre, soğurma eğrilerinde farklı ağır oksit ilavelere bağlı olarak azalmalar meydana geldiği, buna paralel olarak da enerji bant aralığı ve kırınım indisi değerlerinin değişim sergilediği bulundu. Enerji bant aralığının 3.50 eV değerinden düşük olduğu ve kırınım indisinin 2.30 değerinden yüksek olduğu hesaplandı. Malzeme karakterizasyon testleri sonrasında ise, BT20, BT20-Bi10 ve BT20Bi10-Ta5 camlarının en ideal sonuçları beraberinde getirdiği neticesine varıldı. Radyasyon soğurma özellikleri kapsamında, her bir cam serisi teorik açıdan Phy-X/PSD yazılımı ile değerlendirilerek, 0.015 ile 15 MeV foton enerji aralığında, LAC, HVL ve Zeff parametreleri hesaplandı. Artan foton enerjisiyle LAC, HVL ve Zeff parametrelerinin, sırasıyla, azaldığı, arttığı ve azaldığı görülürken, ağır oksit ilavelerin cam serilerine eklenmesiyle bu üç parametrenin iyileşme gösterdiği ortaya çıkarıldı. Öte yandan, ideal sonuçları sağlayan bu cam serilerine deneysel gama ışını spektroskopi testi uygulanarak deneysel radyasyon soğurma özellikleri belirlendi. Deneysel sonuçların, teorik hesaplamalar ile iyi uyum içinde bulunduğu ve bağıl hata payının %0.59 ile %2.91 arasında değiştiği görüldü. 662, 1173 ve 1332 keV foton enerji seviyelerinde yapılan deneysel ölçümler, foton zırhlama uygulamalarında BT20Bi10-Ta5 numunesinin ticari radyasyon zırhlayıcı cam malzemeler ile oldukça rekabet edebilir düzeyde olduğunu gösterdi. Öte yandan, nötron sönümleme uygulamalarında ise, BT20 numunesinin son derece üstün özellikler sergileyerek umut verici bir cam olduğu ortaya çıkarıldı. Tüm bunların neticesinde, rakipleri ile rekabet edebilir nitelikte, özgün ve yenilikçi cam kompozisyonlarına sahip ve farklı radyasyon uygulamaları için çözümler sunabilecek düzeyde borotellürit esaslı cam formülasyonları kapsamlı ve başarılı biçimde ilgili uygulama alanlarına alternatif sunmak üzere ortaya konuldu.