Kömür örneklerinden PFTNA metodu ile aktivasyon sonucu elde edilen gama spektrumlarının analizi

Bu çalışmada kömür numunelerinin gerçek zamanlı analizinin yapılması hedeflenmiştir. Kömür analizi, kömür malzemesinin kalori değeri, kükürt oranı, kül oranı ve nem oranı açısından değerlendirilmektedir. Kömürün tasniflenmesi, yandığında çevreye en az hasarı verecek şekilde olması ve daha iyi yanma özelliklerine sahip olması kriterlerine uygun olacak şekilde gerçekleştirilir. Tüm bu olumlu özelliklerin belirlenebilmesi için, kömür sınıflandırılmadan önce yakılıraka analizi yapılır. Tam bu noktada nükleer teknikler kömrün sınıflandırılmadan önce hasar almadan analizinin yapılıp değerlendirilmesini sağlar. Bu yüzden, kömür endüstrisinde nükleer teknikler büyük önem arz etmektedir. Tezde geçen deneylerin temel prensibi üretilen nötronların malzeme ile etkileşimi üzerine dayanmaktadır. Nötrona maruz kalan kömür malzemesindeki çekirdekler uyarılır ve gama fotonu salarak bozunurlar. Gözlemlenen bu gama enerji değerleri kömür iersinde bulunan elementlere ait karakteristik enerjleri vermektedir. Analiz metodu olarak darbeli hızlı termal nötron aktivasyon (PFTNAA) tekniği kullanılmaktadır. Bu metod kısa bir zaman içersinde bile daha hassas sonuçlar verebilmetedir. Kömür malzemesi nötronlarla etkileşime girdikçe termal yakalama ve nötron esnek olmayan saçılma reaksiyonları açığa çıkar. Bu reaksiyonlar bazı elementlerde baskınken bazılarında değildir. PFTNA tekniği karbon ve oksijen gibi bazı kritik elementler için bilgi vermektedir. Aktivasyon işlemi için Cf252 gibi nötron üretecinden başka kullanılan kaynaklar da mevcuttur, fakat bu kaynaklar bazı elementlerin belirlenebilmesi için yetersiz kalmaktadır. Karbon elementinin 4.44MeV'deki enerji değeri hızlı nötronların malzemeyle etkileşimi sonucu açığa çıkmaktadır. Nötron üreteci ise 14MeV enerji değerine sahip nötronlar üretmektedir ve bu yolla karbon elementi tespit edilmektedir. PFTNAA tekniği ile ikş ayrı spektrum elde edilmektedir. Bu spektrumlardaki element enerji değerlerinin bazıları hızlı nötronların indüklemesiyle açığa çıkan gama fotonlarına aitken, bir kısım enerji değerleri ise termal nötronların indüklemesiyle oluşan gama ışınlarına aittir. Bu yüzden termal ve hızlı nötron ile indüklenmiş malzemeye ait gama ışını spektrumları ayrı olarak ele alınmalıdır. Bunun için deney esnasında yapılan ölçümler ham veri olarak depolanmıştır. Ham veriler kullanılarak liste modu veri kazanım yöntemi benimsenmiştir. Bu yolla nötron üreteci kapalı ve açık konumdayken elde edilen sayımlar değerlendirilmektedir. BGO dedektörü üretecin hem açık hemde kapalı olduğu durumda sayım yapmaya devam etmektedir. Nötron üreteci açık konumdayken elde edilen gama ışını spektrumları hızlı nötronların sebep olduğu fotonları kapsarken, üreteç nötron ışımayı durdurduğunda elde edilen spektrum ise termal nötronların indüklemiş olduğu fotonlardan ibarettir. Deney sırasında kullanılan BGO dedektörünün kapı port girişi doğrudan nötron üretecine bağlanmaktadır. Bu yolla nötron üretecinin kapalı/açık durumuna göre BGO dedektörü tetiklenmektedir. Hızlı nötronların termalize olup enerjilerini kaybetmeleri için bir miktar süre nötron üretimi olmadan beklenmelidir. Bu süre zarfında hızlı nötronlar malzemeyle etkileşime girerek enerjilerini kaybeder ve termalize olurlar. Deney için gerekli süre ve görev döngüsü nötron üretecinin sağlamış olduğu arayüz ile ayarlanabilmetedir. Voltaj ve akım değerleri de bu arayüz yardımı ile ayarlanıp deney esnasında gözlemlenebilmektedir. PFTNAA yöntemi radyasyon konusu düşünüldüğünde de daha avantajlı bir durumda görülmektedir. Radyasyon nötron üreteci açık olduğunda başlamaktadır, kararsız çekirdeklerin yayımladığı gama ışınlarında olduğu gibi kontol edilemez değildir. Bunlara ek olarak deney esnasında Wi-Fi modem kullanılarak deney düzeneğinden uzakta çalışılmıştır. Bu yolla radyasyonun zararlı etkilerinden kaçınılmış olmaktadır. Uzaktan kontrol sistemi ile hem BGO dedektörü hem de nötron üreteci kontrol edilebilmektedir. BGO dedektörü tarafından toplanan veriler iki ayrı spektrum olarak ayrıştırılmaktadır. Bunun için C++ kodlama yardımıyla dedektöre her gelen gama fotonunun 32-bit veri içersindeki bilgileri analiz edilmiştir. Bitwise işlemciler yardımıyla digiBASE-E modülünün talimatındaki bilgiler ışığında ham veriler analiz edilir. Dededktöre ulaşan her gama fotonu zaman bilgisiyle birlikte tepe enerji bilgisini 32 bitlik word veri formatında taşımaktadır. Kullanım talimatına göre nötron üreteci açıksa 31. bit 1, kapalı ise 0 vermektedir. Liste modundaki dosya analiz edildikten sonra gama fotonlarına ait veriler histogram formatından spektrum formatına çevrilir. Aynı genlik değerine sahip fotonlar toplanır ve ait oldukları kanalda depolanır. Spektrumları ayrı ayrı elde ettikten sonra kömür numunesi içersinde bulunan elementlere ait enerji foto tepeleri daha net olarak gözlemlenebilmektedir. Toplam gama spektrumunda olduğu gibi çoklu tepeler üst üste gelmemiş olurlar. Meydana gelen reaksiyonlar arasında tesir kesit değeri hangi reaksiyonda hangi enerji değeri için yüksekse o enerji değeri görülmektedir. Hızlı ve termal nötronların indüklediği gama ışınlarına ait spektrumlar ayrı ayrı değerlendirilerek element kütüphanesi oluşturulmaktadır. Bu veri tabanı elementlerin enerji – genlik tanım kümesindeki davranışlarının belirlenmesinde yardımcı olur. Elde edilen element kütüphanesi yardımıyla sistem kalibre edilir ve matris denklemlerinde yerine yazıldığında en küçük kareler yöntemi kullanılarak içeriği bilinmeyen kömür numunelerinin element yüzdelikleri belirlenmiş olur. Bu kütüphane farklı kömür numuneleri için kullanılabilir fakat örneklerin ağırlıklarının kalibre edildiği örneğin ağırlığına yakın olması gerekmektedir. En küçük kareler yöntemi kütüphanesi yöntemi kullanılarak kömür numuneleri için element konsantrasyonu kolayca bulunabilir. Veri kazanım sistemi tamamlandıktan sonra bir takım analizler yapılarak element yüzdelikleri hesaplanır. Bunun için literatürde pek çok yöntem olduğu görülmüştür. Yapılan çalışmada sentetik ve gerçek kömür numuneleri ile elde edilen deneysel veriler dikkate alınmıştır. Element kütüphanesinin oluşturmak içise temelde deneysel ve yarı – deneysel olmak üzere iki farklı yöntem kullanılmıştır. Yapılan bu hibrid çalışmalar matematiksel formulasyon alt yapısı ile de beslenmiştir. Deneysel çalışmalar ise sentetik ve gerçek kömür numunesi ile yapılan ölçümler olarak ikiye ayrılabilir. Sentetik kömür numunelerinin element yüzdelikleri bilinmektedir ve sistem bu değerler kullanılarak kalibre edilebilir. Sonrasında ise oluşturulan lineer denklem setleri kalibrasyon katsayıları kullanılarak çözülür ve içeriği bilinmeyen kömür örneği için element yüzdelikleri bulunmuş olur. Elementlerin konsantrasyonunu hesaplamak için de kullanılan element kütüphanesinin bulunması yapılan bu çalışmada iki farklı yöntemle gerçekleştirilmiştir. Birinci yöntem en küçük kareler yöntemini kullanarak oluşturulan matris sisteminin tersini alarak yapılır. Burada içeriği bilinen kömür numunesinin gama spektrumu sisteme girdi olarak verilmektedir. Oluşturulan element kütüphanesini farklı numunelerde kullanabilmek için kütüphanenin eldesinde kullanılan deney düzeneğindeki nötron emisyon süresiyle diğer çalışma koşulları içeriği bilinmeyen numunenin koşulları ile aynı olmalıdır. Gerçek kömür numuneleri ise kömürdeki bazı kritik elementlerin tanınması ve elde edilen element kütüphanesinin doğru çalışıp çalışmadığını test etmek için kullanılmaktadır. Element kütüphanesi deneysel ve bazı matematiksel algoritmalar kullanılarak da bulunmaktadır. Deneysel spektrumlarda yüksek miktarda çevresel radyasyon (Background) görülmektedir. Bu yüzden elementlerin enerji foto – tepeleri spektrumda temel bir hat (Baseline) üzerinde oturmaktadır. Bu enerji değerleri her element için karakteristiktir ve bu foto – tepelerin dağılım şekilleri de matematiksel olarak bilinmektedir. Bu bilgiler kullanılarak her elementin baskın olan enerji değerleri oluşturulan Gausyen fonksiyonunda merkez enerji değeri olarak konumlandırılmış ve temel yanıt fonksiyonları oluşturulmuştur. Kömür numunelerinden elde edilen gama spektrumu için çevresel radyasyon değeri ROOT Background algoritması kulanılarak elde edilen değerlerle toplanarak her elementin yanıt fonksiyonu bulunmuştur. Hesaplanan çevresel radyasyon için algoritma girdi olarak gerçek kömür gama spektrumunu almaktadır. Her element için ayrı ayrı yanıt fonksiyonu bulunup kütüphane elde edildikten sonra, gerçek kömür örneğinin gama spektrumuna fit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar ise kütüphanenin gerçek sonuçlara oldukça uyumlu olduğunu göstermektedir. Matris tersi ve çevresel radyasyon hesabı ile elde edilen element kütüphaneleri deneysel sonuçlaral uyum içersinde çıkmıştır. Dekonvolusyon ise bu çalışmanın bir diğer analiz kısmıdır. BGO dedektörü bazı elementleri enerji ekseninde yeterince ayrıştıramamaktadır. Bu yüzden foto – tepelerin birbirinden ayrılması için matematiksel bir algoritmaya ihtiyaç vardır. BGO dedektörünün enerji çözünürlüğü istenildiği oranda yüksek olmadığı için bazı foto – tepeler ayırt edilememektedir. Bu yüzden birbirine yakın foto – tepeleri ayırt edebilmek için ROOT Dekonvolusyon algoritması kullanılmıştır. Sistemin girdisi olarak kömür gama spektrumu ve ilgili elementin yanıt fonksiyonu kullanılmıştır. Sonuç olarak ise enerji – genlik skalasında her element için yanıt fonksiyonu bulunmaktadır. Yapılan bu çalışmada kömür örneklerinin hasarsız muayenesi gerçekleştirilmiştir. Kömürün kalori, nem, kül ve kükürt değerlerini hesaplayabilmek için bazı kritik elementler izlenmiştir. Kömürün tasniflenmesi açısından bu parametreler kömür endüstrisinde büyük önem arz etmektedir. Standart laboratuvar testleri uygulanacak olursa bu değerlerin bazıları kömürü yakarak elde edilmektedir. Bu çalışma sayesinde tez kapsamında bahsedilen yöntemler aracılığıyla kömür parametreleri hasarsız olarak bulunmakta ve bu işlem daha net sonuçlar verecek şekilde uygulanmaktadır. Yapılan tüm deneysel ve matematiksel çalışmalar ise bu amaca hizmet etmek için gerçekleştirilmiştir.