Akademik Veri Yönetim Sistemi
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: Yıldız Teknik Üniversitesi, Fen-Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2019
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Selim AYDIN
Danışman: Erol Kam
Özet:
Yapılan tez çalışmasında, Ni-63 radyoizotopu ile güçlendirilmiş doğrudan
dönüşümlü (betavoltaik) ve Pm-147 kaynağı ile güçlendirilmiş doğrudan şarjlı
nükleer prototipleri geliştirilmiştir. Geliştirilen betavoltaik nükleer pilin açık devre
voltajı ve kısa devre akımı ölçülmüş, akım-voltaj eğrileri çizilmiş, dolum faktörü
ve verim değerleri hesaplanmıştır. Geliştirilen doğrudan şarjlı nükleer pil prototipi
üzerinde biriken toplam yük, doyum voltajı, şarj akımı ve kapasitans ölçümleri
yapılmıştır. Elde edilen ölçüm sonuçlarından pilde depolanan enerji, maksimum
güç ve verim değerleri hesaplanmıştır. Ayrıca nükleer pil protiplerinin akım-voltajgüç ölçümlerinin bilgisayar kontrollü olarak yapılması için Labview tabanlı
nükleer pil karakterizasyon yazılımı geliştirilmiştir. Geliştirilen yazılım kullanılan
radyoaktif kaynağın türüne ve aktivitesine bağlı olarak verileri analiz etmekte ve
pilin maksimum akım-voltaj, dolum faktörü, kısa devre akımı, açık devre voltajı
ve verim değerlerini otomatik olarak hesaplamaktadır.
XXIII
Tez araştırmasının birinci kısmında, Ni-63 tabanlı betavoltaik nükleer pil ve ölçüm
sistemi geliştirilmesi üzerine çalışılmıştır. Çalışmanın birinci aşamasında, GaN yarı
iletken malzemesinin karakteristik parametreleri ve aktif bölge kalınlığı
simülasyonları yapılmıştır. Yapılan Monte Carlo modellemeleri, Ni-63 beta enerji
spektrumu için, GaN tüketim bölgesi genişliğinin 450 nm ile 2.1 µm arasında
olması gerektiğini göstermiştir. GaN p bölgesinin katkılama yoğunluğu dikkate
alınarak yapılan simülasyon ve teorik hesaplamalara göre, Ni-63 kaynağından
yayımlanan ortalama 17.4 keV enerjili beta parçacık enerjisinin tamamına
yakınının, 1 µm içerisinde soğurulduğu görülmüştür. Bu sebeple yarı iletkenin
aktif bölge kalınlığının 1 µm civarında olmasının uygun olduğu anlaşılmıştır.
Ayrıca, Silvaco yarı iletken aygıt simülasyon programı ve Tracer Monte-Carlo
simülatörü ile elde edilen sonuçlar kullanılarak, aygıt tasarımı, epitaksi büyütme
ve aygıtların performansını etkileyen faktörlerden, kontak direncinin düşürülmesi
için çalışmalar yapılmıştır. Epitaksi büyütmeleri Metal-Organik Kimyasal Buhar
Biriktirme (MOCVD) sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiş ve metal kontakları
yapılarak ölçüme hazır hale getirilmiştir. Farklı özelliklerde birçok yarı iletken
aygıt geliştirilmiştir. Üretilen aygıtların karanlık akımları ölçülmüş ve morötesi
dalgaboylarında, fotonlara tepkiselliği gözlenmiştir. Çalışmanın ikinci
aşamasında, Ni-63 ve Pm-147 radyoaktif ince film üretim çalışmaları yapılmıştır.
Bunun için MCNP simülasyonu ile, optimum ince film kalınlığının ne olması
gerektiği belirlenmiştir. Elde edilen kalınlık değeri için, kaynağın kendini hangi
oranda zırhladığı ve beta enerji spektrumunun hangi oranda değiştiği
belirlenmiştir. Elde edilen sonuçlar kullanılarak, Ni-63 kaynağı elektroliz yöntemi
ile, Pm-147 kaynağı ise damlatma yöntemi ile metal üzerine kaplanmıştır. Son
aşamada hazırlanan radyoaktif ince filmler, GaN yarı iletken aygıtlar ile birebir
örtüştürülerek betavoltaik nükleer pilin üretimi tamamlanmıştır. Üretilen
prototipler, uygun bir vakum hücresi içerisine yerleştirilerek vakum altında akımvoltaj-güç ölçümleri yapılmıştır. Geliştirilen ilk betavoltaik nükleer pil prototipi
üzerinde yapılan ölçümlerde, açık devre voltajı 0.65 V, kısa devre akımı 0.1 nA ve
maksimum güç 0.016 nW olarak bulunmuştur. Pilin verimi % 0.05, dolum faktörü
(FF) 0.25 civarındadır. Geliştirilen ikinci prototip üzerinde yapılan ölçümlerde
açık devre voltajı 0.98 V, kısa devre akımı 0.4 nA ve maksimum güç 0.11 nW
XXIV
olarak elde edilmiştir. Pilin verimi %0.35 ve dolum faktörü (FF) 0.28 olarak
hesaplanmıştır. Ölçülen değerler, kaynağın toplam aktivitesinin 1 mm2
’ lik yarı
iletken eklem alanına denk gelen 0.75 mCi aktivite ile elde edilmiştir.
Tez araştırmasının ikinci kısmında, Pm-147 tabanlı doğrudan şarjlı nükleer pil
düzeneği hazırlanmış ve kurulan düzenek yüksek vakum hücresi içerisine
yerleştirilmiştir. Ölçümlerin yapılabilmesi için, nükleer pilin kontakları, vakum
bağlantı ekipmanları ile hücre dışına taşınmıştır. Deney kurulumu
tamamlandıktan sonra, ölçüm cihazları sırayla bağlanarak, pilin akım, voltaj ve
kapasitans değerleri ölçülmüştür. Ayrıca vakum hücresinin üzerine yerleştirilen
elektrostatik alan/voltaj ölçer ile, nükleer pilin plakalarında biriken toplam yük ve
voltaj değerleri temassız olarak ölçülmüştür. Toplam 100 mCi aktiviteli Pm-147
radyoizotopla güçlendirilmiş nükleer pil prototipi üzerinde yapılan ölçümlerde,
pilin doyum voltajı 421 V, şarj akımı 54 pA ve üretilen maksimum güç 22.7 nW
olarak bulunmuştur. Pilin kapasitans değeri 66.8 pF, verim değeri %0.07
civarındadır. Pilde depolanan güç değeri 6 μJ civarındadır. Bu aktivitede teorik
verim değeri % 0.21 bulunmasına rağmen deneysel verim değerinin üç kat daha
düşük bulunmuştur. Bunun nedeni, ortalama 62 keV enerjili Pm-147 beta
parçacıklarının geri saçılma etkisini azaltmak için, metal kolektörler üzerine 25
µm polimid film kaplanmasıdır. Bu kalınlıkta, Katz-Penfold yarı deneysel formül’e
göre 49 keV ve altındaki beta spektrumu kaybolmaktadır ve kaplanması gereken
polimid film kalınlığı 0.3-0.4 µm’yi geçmemelidir.