website is currently under development
ULUSAL METROLOJİ ENSTİTÜSÜ
Gama Yaşlandırması
Son yıllarda uzay çalışmalarına ve keşiflerine olan ilginin artması ile daha fazla sayıda araştırma ekipmanı uzayın iyonize & iyonize olmayan radyasyon, sıcaklık değişimleri gibi yıpratıcı koşullarına maruz kalmaktadır. Dolayısıyla uzay radyasyon ortamının optik bileşenler üzerindeki etkileri önemli bir araştırma konusu olmuştur. Ayrıca, gezegenlerin atmosferik ve topolojik keşifleri için kullanılan uzay lazerlerinin yaygın kullanımıyla birlikte, uzaydaki çeşitli ve şiddetli radyasyon ortamlarının optik malzemeler ve bileşenler üzerinde olumsuz etkileri olduğu tespit edilmiştir. Bu etkiler arasında kimyasal bileşim değişiklikleri, yüzey renklenmesi, geçirgenlik azalması, yüzey pürüzlülüğü artışı, yoğunluk değişiklikleri ve mekanik özelliklerin zayıflaması yer almaktadır. Uzay lazerleri için, gama ışınları ve lazerler arasındaki etkileşim önemli bir araştırma konusudur. Gama ışınlarının ince film malzemeler üzerindeki fiziksel etkileri, optik sabitlerde ve yüzey pürüzlülüğünde değişiklikler gibi çeşitli olumsuz etkilere neden olabilir. Bu çalışmada, gama radyasyonun 532 nm dalgaboyunda yüksek yansıtıcılığa sahip (HR) ince film kaplamalı optikler üzerindeki yıpratıcı etkileri ve LHED değerlerine olan etkisi sunulmuştur.
Gama Radyasyonunun Etkileri
Optik bileşen yapısındaki kusur noktalarının gama radyasyonu soğurması sebebiyle optikte kararmaya veya renkli noktaların oluşumuna sebep olabilmektedir. Kararma etkisi optik bileşenin geçirgenlik, soğurma gibi spektral özelliklerinde düşüşe sebep olmaktadır. Renkli noktaların oluşumu ise gama radyasyon ile etkileşen atomların yer değiştirmesi veya elektron-boşluk çiftlerinin oluşması ile ilişkilendirilmektedir. Ayrıca, gama radyasyonu optik bileşenin UV ve Görünür dalga boylarındaki optik geçirgenliğinde düşüşe sebep olmaktadır. Bu durum oksijen boşluklarının oluşumu, silikon atomlarının komşu atomlar ile (oksijen) bağ sayısını tamamlayamaması gibi yeni kusur noktalarının oluşumu ile açıklanmaktadır. Radyasyona maruz kalan optiğin (özellikle, lens, ayna ve filtre gibi) malzeme yoğunluğunda ve elektronik yapısındaki değişimler sebebiyle kırınım indisinde de değişimler meydana gelmektedir.
Uzun süreli gama radyasyona maruziyet yüzeyin mikro seviyede değişimine sebep olmaktadır. Bu da yüzeyden saçılımı artırarak optiğin verimliliğini azaltmaktadır. Atomik latiste de kusurlar oluşturarak optiğin mekanik dayanımını zayıflatabilmektedir. Bu da stres altında kırılmaya ve çatlamaya olan direnci düşürebilmektedir. Gama radyasyonu ile oluşan kusur noktalarının, lazeri soğurucu noktalar gibi davranarak optiğin LHED değerinde düşüşe sebep olabilmektedir.
Gama Radyasyonunun Yüksek Yansıtıcı Optiklere Uygulanması ve LHED Testleri
Yaşlandırma prosedüründe, 200000 Ci aktiviteye ve 5,27 yıl yarı ömre sahip bir 60Co radyoaktif kaynağı (Çin Bilimler Akademisi, Şanghay Uygulamalı Fizik Enstitüsü, Şanghay, Çin) gama ışını kaynağı olarak kullanılmıştır. 60Co, bir β emisyonu ile bozunarak 315 keV kinetik enerjili elektronlar ve 1,17 MeV ile 1,33 MeV enerjili iki gama ışını yayarak 60Ni'ye dönüşmektedir. Işınlama dozları 1, 50 ve 500 kGy olarak seçilmiş ve doz hızı 1 Gy/s olarak belirlenmiştir. Harici etkileri mümkün olduğunca ortadan kaldırmak için tüm numuneler, sabit sıcaklık ve nem koşullarında “Class 1000” temiz odasında saklanmış ve test edilmiştir.
Yüksek çözünürlüğü ve düşük belirsizliği sebebiyle LHED testlerinde Raster Scan test protokolü kullanılmıştır. Testler 45° geliş açısında, lazerin S polarizasyon durumunda, lazer darbe uzunluğu 8.6 ns olarak sabitlenerek yapılmıştır. Raster Scan protokolüne göre hasar eşiği iki durumla belirlenmektedir. İlki, herhangi görünür bir hasarın oluşmadığı en yüksek Fluence değeri iken ikincisi, çapı 100 um den büyük hasarın oluştuğu Fluence değeridir. 532 nm HR kaplama kaynaştırılmış silika ve S-BSL 7 olmak üzere iki farklı alttaş üzerine büyütülmüştür. Şekil 1(a)’da alttaşlara ait geçirgenlik grafiği, Şekil 1(b)’de kaplama yapıldıktan sonraki yansıtıcılık grafiği verilmiştir.
Şekil 1. a) alttaşlara ait geçirgenlik grafiği ve b) kapmaya ait yansıtıcılık grafiği
Şekil 2’de iki alttaşın radyasyon öncesi ve sonrası geçirgenlik grafikleri verilmiştir. Şekil 2(a)’da sadece 500 kGy radyasyona maruz kalan optiğin kaynaştırılmış silika camı 215 nm’de karakteristik bir pik sergilemiştir. Bu durum kaynaştırılmış silika camındaki düşük miktardaki kirliliklerin düşük ve orta düzeydeki radyasyonu tolere edebildiğini yüksek dozdaki radyasyonu tolere edemediğini göstermektedir. Şekil 2(c)’de kaynaştırılmış silika camlarının radyasyona bağlı renk değişimine uğramadığı görülmektedir. Şekil 2(b)’de S-NSL 7 camının radyasyon dozuna göre görünür bölgedeki geçirgenlik değişimi ve Şekil 2(d)’de renk değişimi gösterilmiştir.
Şekil 2. Alttaşların uygulanan radyasyon ile optik değişimleri
Elde edilen radyasyona maruz bırakılan kaynaştırılmış silika camlarının hasar morfolojilerilerine göre radyasyon hasar morfolojisinde değişime sebep olmamıştır. Şekil 3’te verilen X-Ray Diffraction (XRD) grafikleri radyasyona maruz bırakılan optiklerin kristal yapısında bir değişimin olmadığını göstermiştir.
Lazer-hasar testi için kullanılan bölgelerin renginde açılmalar olduğu gözlemlenmiştir. Hem lazer hem de gama radyasyonu uygulanan bölgeler ile yalnızca gama radyasyonu uygulanan bölgeler incelendiğinde, lazer uygulanan bölgelerde geçirgenlikte bir artış gözlemlenmiştir. Bu durum nanosaniye lazerin optiğe ısıl işlem uygulayarak bölgesel kusurları elimine ettiğini göstermektedir.
Şekil 3. 532 nm yüksek yansıtmalı optiklerin uygulanan radyasyona göre XRD grafikleri
LHED değerleri ölçülen 532 nm kaplamalı optiklerin deney sonuçları incelendiğinde 1, 50 ve 500 kGy radyasyon uygulanan kaplamalı kaynaştırılmış silika örnekler için LHED değerleri sırasıyla, 14 J/cm², 13 J/cm², 13 J/cm² olarak bulunmuş ve radyasyon uygulanmayan ise 18 J/cm² olarak ölçülmüştür. Bu üç doza maruz kalındığında, eşikler sırasıyla %7,1, %7,1 ve %42,9 oranında azalmıştır. Fonksiyonel hasar eşiği, radyasyon uygulanmamış örnek için 17 J/cm² iken, 1, 50 ve 500 kGy ışınlanmış örnekler için sırasıyla 17 J/cm², 15 J/cm² ve 12 J/cm² olmuştur. Bu değerler, sırasıyla %0, %11,8 ve %41,7 oranında azalma göstermiştir.
Şekil 4. 532 nm yüksek yansıtmalı optiklerin Raster Tarama LHED sonuçları