Parçacık Hızlandırıcılarının Uygulama Alanları
advertisement
Parçacık Hızlandırıcılarının Uygulama Alanları Prof. Dr. Ömer YAVAŞ Ankara Üniversitesi Referans: An Introduction to Particle Accelerators, Edmund WILSON, 2001. 1. Giriş z z Toplam ~10000 hızlandırıcı (2000) Tablo, 1 GeV’in üzerindeki toplam 112 hızlandırıcı.* TABLO 1.1. Dünyadaki Parçacık Hızlandırıcıları (Dearnaley 1987’den sonra) Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş z*(Scharf ve Chomicki, 1996) I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 2 1.2.Hızlandırıcı Kullanarak Yapılan Endüstriyel İşlemler zBilgisayar diskleri, motorlu araç tekerlekleri, kablolar ve plastik sıcak su pipetleri vb. pek çok malzeme elektron ışınlamalarına ihtiyaç duymaktadır. TABLO 1.2: Elektron Işınlamaları Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 3 1.2.1.Sterilizasyon z z z z z Birkaç yüz Gy’lik dozlar birçok sebze ve meyvenin sterilizasyonunda kullanılır. 200 Gy böceklerin üremesini engeller. Pişmiş gıdalar paketlenir ve birkaç yüz Gy’le ışınlanırsa oda sıcaklığında saklanabilir bu durumda yapay koruyucuların kullanımına daha az gerek duyulacaktır. Hızlandırıcılar ameliyat malzemeleri ile çamaşırlarının sterilizasyonu için bir alternatiftir. Işınlamanın diğer bir sorunsuz kullanımı işleyen bir organizmanın etrafını saran bakterilere zarar vermesidir. Patojenik mikro organizmaları öldürmek için yapılan ışınlamadan sonra bazı ürünlerde kalan lağım tortularında bile kullanılabilir (10 kGy). Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 4 1.2.2.Dozlar zTABLO 1.3: Değişik Işınım Etkileri İçin Doz Gereksinimleri (M.R. Cleland’dan sonra) Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 5 1.2.3. Yarıiletken Üretimde İyon İmplantasyonu zEndüstride genellikle iyon demetlerini düşük enerjide hızlandırmak için basit DC hızlandırıcılar kullanılır. zTipik bir yarıiletken üretim prosesi 140 operasyon içerir ki bunların 70’i yarıiletkenin kristal örgüsü içindeki iyon implantasyonudur. zAşılamanın derinliği genellikle 2 ve 600 keV arasında seçilen iyon enerjisi ile kontrol edilir. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 6 1.2.4. İyonlarla Yüzey Sertleştirme zMetallerin yüzeyini düzeltme, malzemeleri kesme ve paslanmayı engelleme gibi nedenlerle iyonlar çelik bileşenlerin yüzeyini kuvvetlendirmek için aşılanabilir (Tungsten, krom, titanyum, tantal, azot, bor vb.). zÇoğu kimyasal ve yüksek sıcaklık ocaklarında uygulanan geleneksel yüzey sertleştirme tekniklerinden farklı olarak iyon demetleri yüzeyi ısıtmaz ve fazla soğumayı beklemeyi gerektirmez. zTipik uygulamaları yapay kalça ve diz bağlantıları üretimi ve nükleer reaktörlerdeki yakıt çubuklarının üretimi ve kontrolüdür. zHızlandırıcı 50-200 keV enerji aralığında, 5-10 mA civarında akımlar üretmek zorundadır. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 7 1.2.5.Hassas Metal Kaplama ve Zar Üretimi İyon demetleri yüzeyin çapraz boyutlarına kadar derinliklere ulaşarak plastik yüzeyleri metalle kaplamada kullanılan hassas araçlar olarak kullanılır. z Şekil 1.1’de polimer bir folyodan oldukça iyi bir filtre üretmek için iyon demetlerinin nasıl kullanıldığını göstermektedir. z Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 8 z Şekil 1.1:İyonlarla Oluşturulan Bir Filtre (Courtesy of GSI photo) Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 9 Yüzey düzeltme için sıklıkla 750 keV’den daha az olan düşük e enerjiler gerekir. Bu, basit bir elektrostatik hızlandırıcı ile yapılabilir. z Lineer hızlandırıcılarda ise 20 cm kalınlığındaki bir plastikte, 5-10 MeV’lik bir elektron demet enerjisine ihtiyaç vardır. z Şekil 1.2:Yüzey Düzeltme Metodu Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 10 Demet, dik olarak hedef hacmi salınan dipolle bir kenardan diğerine doğru dik olarak tarar. Bunların tümü iyi zırhlanmış kasalarda dış dünyadan ayrılmıştır.* Şekil 1.3:Cerrahi Gereçlerin Sterilizasyonu (CERN Courier Photo) z*(Drewell Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş et. al. 1996). I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 11 Şekil 1.4:Endüstriyel Bir Sterilizasyon Donanımı (CERN Courier Photo) Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 12 1.3.Tıptaki Uygulamalar 1.3.1.İzotop Üretimi zDünyadaki 200 siklotronun yaklaşık 35’i radyolojik ilaçların yaklaşık 20% ‘sini üretir.* zEnjekte edildiklerinde 5 mSv’in (0-5 rad) altında etkili dozlarda kalabilmeleri için aktiviteleri yeterince düşük olmalıdır ki bu 15-30 dakikalık gamma ışını görüntülemesi ile teşhis bilgileri verir. • (Bechtold 1996; Lewis 1996) * Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 13 1.3.2.Pozitron Yayılım Tomografisi Bu teşhis tekniği, parçacık dedekte tekniklerine dayalı görüntüleme sistemleri ile birlikte kısa ömürlü izotoplar kullanır. z Bu pozitron yayınlayıcılarının çok kısa ömürlü olması (yaklaşık 20 dak.), bunları üreten küçük siklotronların ve otomatik sentez sistemlerinin hastanın yakınındaki odalara kurulmasını gerektirmektedir. z Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 14 1.3.3.Terapi z15-20 MeV’lik elektron lineer hızlandırıcıları derin tümörlere ulaşabilmek için X ışını üretmede kullanılmaktadır.* • (Gahbauer ve Wambersie * 1996) zDemetler sağlıklı dokuyu kurtarmak için çeşitli yönlerden gelerek doku üzerinde toplanmalıdır. Zararlı hücreleri bozma ve sağlıklı dokunun kendisini yenilemesi için gerekli olan yeterince düşük doz arasındaki sınır sadece %10 yada %20‘dir. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 15 1.3.4. Proton Terapisi Protonlar enerjilerinin çoğunluğunu keskin bir “Bragg” piki içerisinde bulundurduğundan ve göreceli olarak zararsız ve tam olarak tümör bölgesinin altında çok duyarlı organlar bırakarak bağlı dokulardan ayrıldığından X ışınlarına göre daha iyi bir çözüm yoludur.* * z • (Sisteron 1996) Protonlar için 200 MeV’lik ideal enerji herhangi bir iç organa ulaşmaları için yeterlidir. Bu amaçla yapılan proton sinkrotronları Loma Linda, PSI, San Diego, USA ve Japonya’daki HIMAC’tır. z Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 16 1.3.5. İyon Terapisi İyonların hücrelerden geçişlerindeki iyonlaşma yoğunluğu üzerine son zamanlarda yapılan çalışmalar DNA’nın kendini yenileyemeyen büyük bölgelerde iyonların varlığının protonlardan daha uygun olduğunu göstermektedir. Kimyasal durumlarda bu olayı desteklemek için çalışmalar LBL, Berkeley, ve Japonya’daki HIMAC’ta yapılmaktadır. z Hafif iyon opsiyonunun içerdiği diğer sinkrotron projeleri GSI, Darmstadt, ve İtalya’daki TERA’da planlanmıştır. z Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 17 1.3.6. Demet Dağıtımı zTümöre verilecek olan dozda sıklıkla milimetrik kesinlik gerekmektedir. Demet enerjisi dönen bir diskle soğurucunun değişen kalınlığına göre ayarlanabilir ve demet biçimi sabit yada hareketli ince kolimatörlerle belirlenebilir. Daha basit sistemlerde demetin yönü bir yandan diğer yana ve aynı zamanda yukarıya da olabilir, yönlendirilerek tümöre uygun hale getirilir. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 18 1.4. Araştırma Uygulamaları 1.4.1. Yüksek Enerji Araştırmaları zParçacık fiziğinde halen yüksek enerji lepton ve hadron çarpıştırıcıları kullanılmaktadır. z Kütlenin merkezinde olduğu düşünülen Higgs parçacığı, protonların kararlılığı ve nötronların kütlesi için yapılan araştırmalar, zKozmolojik modelleri oluşturmada ve evrende kaybolan kütlenin gizemini anlamaya yardım etmesi açısından önemlidir. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 19 1.4.2. Nükleer Fizik Proton, nötron ve çekirdeklerin yoğunlaşarak maddeyi oluşturmaları için etkileşmelerinin ölçüsü üzerindeki araştırmalar, z z Çekirdek yapılarının araştırılması, Kararlı olmayan çekirdekler ve kararlı çekirdeklerin çok yüksek açısal momentumu ile aşırı deforme olmuş çekirdeklerin yapısı üzerine araştırmalar. z Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 20 1.4.3. Parçacık Demetleri ile Materyal Analizinde Uygulanan Teknikler zArkeolojik objelerin yaşının belirlenmesi (Galileo’nun el yazı örneklerinin sıralanması), zPatlayıcı maddelerin ve kaçak malzemelerinin belirlenmesi.* Prof. Dr. Yavaş * Ömer Yavaş • (Bethge 1993; 1996a, b) I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi kargo 21 1.4.4. Rutherford Gerisaçılması (RBS) zRutherford gerisaçılması Coulomb etkileşimi ile örnekten geri saçılan iyonların enerjisinin ölçüldüğü bir tekniktir. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 22 1.4.5. X- ışını Yayılımı ile İndüklenen Parçacıklar (PIXE) zBu teknikte daha çok protonlardan oluşan bir iyon demeti karakteristik X ışını yayabilecek şekilde hedef atomları tahrik etmede kullanılır. zMetot bir hacim örneği inceler fakat gelen demet birkaç mikrona kadar odaklanarak ve yüksek çözünürlük elde edilebilir ve bu yüksek çözünürlüklü haritalar maddenin yüzey kombinasyonunu incelemeyi mümkün kılar ve daha sonra elektron mikro grafikleri ile karşılaştırılabilir.* * • (Baglin et al. 1996) zTarihi sanat eserlerindeki edilmesinde kullanılmaktadır. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş anakronistik I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi kimyasalların dedekte 23 1.4.6 Nükleer Reaksiyon Analizleri (NRA) zFarklı çekirdeklerle hızlandırılan parçacıkların reaksiyon kesitindeki dar rezonansların kullanılmasını sağlar. zHızlandırıcı demetlerin çekirdek araştırmalarında kullanılması artırmıştır ve şuan en vurucu özellikleri pek çok özel içerikli çekirdeklerin belirlenmesidir. zBu, ağır metalik maddeler üzerinde çalışılan bir tekniktir ve yüksek TC süper iletkenlerin araştırılmasında kullanılır. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 24 1.4.7.Elastik Geri tepme Dedeksiyonu (ERD) zBu teknikte ağır hedef geri tepmeleri gözlemlenir. Geri tepen parçacığın uçuş süresi onun doğasına bağlı olarak belirlenebilir. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 25 1.4.8.Yüklü Parçacık Aktivasyon Analizi zKararsız izotopları pozitron yayınlayan boron, karbon, azot ve oksijen gibi elementler için çok duyarlı bir aktivasyon analiz metodudur. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 26 1.4.9.Hızlandırılmış Kütle Spekroskopisi zKontaminasyonu engellemek için göreli olarak bir demetteki hızlandırılmış numune parçacıkları içerisindeki çok miktardaki izotopları (10-14) ayıran oldukça duyarlı bir metottur. z Bu metot özellikle yaş belirlemede β bozunumu sayımı metodunun yerini alan C12, C14 ayırımı için uygundur.* •*(Jianjun et al. 1996) Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 27 1.4.10.Aşırı İnce Yapı X-Işını Soğurulması (EXAFS) zSinkrotron ışınımının dalga boyunu ayarlamakta ve bir monokromatör seçmekte kullanılan bir tekniktir. zTeknik sadece bir materyaldeki atomik ve moleküler içeriklerin analizini yapmakla kalmayıp aynı zamanda atomlar arası uzaklıkların belirlenmesinde de kullanılmaktadır. molekül yapılarının zBiyokimyadaki incelenmesinde ve katalistlerin üretim araştırmalarında yaygın oranda kullanılmaktadır. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 28 1.4.11. Kristal ve Molekül Yapıları Araştırma Teknikleri 1.4.11.1. Kırınım zKristallerin tekrarlanan yapılarının kırınım modeli ile açıklanması fizikte temel deney tekniği olan monokromatik dalgalarla materyalin aydınlatılması ile olmuştur.* •*(Mutsaers et al. 1996) z Polimerler ve diğer büyük moleküllerde tekrar eden yapılar olduğu için, proteinler ve virüsler gibi moleküller üzerinde bu yöntemle çalışılabilir. zSinkrotron ışınımı ve nötron demetleri bugün saçılma demetlerinde kullanılmaktadır. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 29 zYeni polimerlerin geliştirilmesi için uygulanan araştırmalara bir örnek, sinkrotron ışınımı ile Boeing tipi uçakların poly-eter-eter-keton reçine malzemesindeki alüminyumu camla yerdeğiştirmek, Boeing 757 tipi uçakların ağırlığının 30% azalmasına neden olmuştur. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 30 TABLO 1.4: Yapı Araştırması Alanları Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 31 1.4.12. Sinkrotron Işınımı Kaynakları zSeramik sertleştirme gibi malzeme yapısı çalışan araştırmacılar, zHIV proteininin veya tümöre neden olduğu bilinen SV4D virüsünün yapısı ile ilgilenen moleküler biyologlar, z Proteinleri değiştirerek molekül tasarlamaya yönelik, yeni ilaçların bulunması ve enzimlerin düzenlenmesi ile endüstriyel yöntemlerin ilerletilmesinde sinkrotron ışınımı kullanılarak yapılan deneylerin önemli bir rolü bulunmaktadır. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 32 zSinkrotron ışınımının diğer bir endüstriyel kullanımı X ışını litografisidir.* •*(Basrour ve arkadaşları 1996) zYarıiletken devrelerin üretilmesinde kullanılır. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 33 IBM için üretilen portatif bir sinkrotron ışınım kaynağı ve litografi prensibi şekilde görülmektedir. Şekil 1.5: Litografi Prensibi Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 34 1.4.13.Spallation (Proton Sinkrotron) Kaynakları zNötron demetleri yoğunlaştırılmış madde ve moleküler yapı çalışmaları için tamamlayıcı olan sinkrotron ışınımı üretirler. zNötronların bir avantajı zayıf etkileşmelerinin biyolojik materyallerdeki çalışmalarda çok daha az hasara neden olmasıdır. zDiğer bir avantajı ise dalga boyları bir kristal hücresinin boyutları ile uygunluk gösterdiğinde nötronların enerjileri kristal içerisindeki bu elastik modlarla karşılaştırılabilir. Bu durum sinkrotron ışınımı için geçerli değildir. Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 35 1.5. Ağır İyon Füzyonu zŞekilde RF kavitenin dört havalandırma aşamasından geçip 16 farklı iyon kaynağının 3 ayrı iyon türünden beslenen 10 GeV’lik lineer bir ağır iyon hızlandırıcısı görülmektedir. 10 GeV’lik iyonlar 12 depolama halkasında depolanmaktadır.* Şekil 1.5: Lazer indüklenmiş füzyon deneyi için bir ‘Hohlraum’ Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi •*(Prior 1998) 36 Şekil 1.6: Ağır İyon Füzyon Sürücüsü Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 37 1.6 Fazla Enerjinin Dönüşümü ve Enerji Yükselteci Enerji yükselteci* atıkları elimine edecek fakat aynı zamanda da maliyetini ve çalışma ücretini karşılayarak gücü açık tutacak bir araçtır. z Bir reaktörde hem kararlı ve daha az kritik olarak kullanılarak 1 GeV’lik proton demeti ile yaklaşık 10 mA’lik akımla nötronlar elde edilebilir. Enerji yükselteci terimi hızlandırıcıyı çalıştırmak için gereken güç çıkışı oranını ifade etmektedir. z Prof.* Dr. Ömer Yavaş Yavaş • (Rubbia 1996) I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 38 Şekil 1.7: Enerji Yükselteci Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 39 Şekil 1.8: Enerji Yükseltme Sürücüsü Prof. Dr. Ömer Yavaş Yavaş I. UPHYO 4-9.07.2005, Ankara Üniversitesi 40
