parçacık hızlandırıcılarının býlýme katkıları

I. ULUSAL PARÇACIK HIZLANDIRICILARI ve UYGULAMALARI KONGRESi
25-26 EKiM 2001, TAEK, ANKARA
PARÇACIK HIZLANDIRICILARININ BİLİME KATKILARI
(Çağrılı Konuşma)
Prof. Dr. D. Ali ERCAN
Savunma Sanayii Müsteşarlığı
Katot ışınları tübü olarak bilinen ilk hızlandırıcı,
elementler) dolayı 1939 Nobel Fizik Ödülü’ne layık
aralarında yüksek voltaj farkı uygulanmış katot ve
görülmüştür.
anot elektrotlarına sahip bir lambadan ibaretti. 19.
yüzyıl sonlarında geliştirilen bu aygıt sayesinde
Wilhelm Conrad Röntgen, X-ışınlarını (Röntgen
ışınları) keşfetti (1895) ve bu keşfinden dolayı, ilk
defa 1901 yılında verilen Nobel Fizik Ödülü’ne
layık görüldü. 1886’da, Joseph John Thomson, katot
ışınlarının yüklü parçacıklar (elektron) olduklarını
ve belirli bir yük-kütle oranına sahip olduklarını
keşfetti ve bu keşfinden dolayı 1906 Nobel Fizik
Ödülü’nü kazandı. Televizyon, bilgisayar ekranı vb.
gibi
günlük
hayatta
kullandığımız
cihazlar
düşünüldüğünde, katot ışınları tüpünün en yaygın
parçacık hızlandırıcısı olduğunu söyleyebiliriz.
Günümüzde
prensibiyle
çalışan
hızlandırıcılardaki voltajın salınım frekansı radyo
frekansı (rf) mertebesindedir (≈MHz). 1940’ların
ortasında, faz kararlılığı prensibinin geliştirilmesiyle
birlikte, yüklü parçacığın (elektron) sabit yörüngede
tutulduğu
sinkrotron
hızlandırıcıda,
boyunca
yapıldı.
hızlandırıcı
dizilmişlerdir.
hızlandırma
boyunca
Doğrusal
geçitler
bir
doğru
Sinkrotronda
ise,
magnetik
alan
şiddeti
arttırılmakta ve böylece parçacık sabit yörünge
içinde
hızlandırılmaktadır.
hızlandırma
olduğundan,
işlemi
bir
parçacığın
Bu hızlandırıcılarda,
dizi
tekrardan
kazandığı
ibaret
enerji,
uygulanabilecek voltajın büyüklüğünden ziyade,
uzanmaktadır.
hızlandırıcının boyutuyla sınırlı kalmaktadır. Bilinen
1920’lerde, John Douglas Cockroft ve Ernest
diğer iki parçacık hızlandırıcısı; elektron gibi hafif
Thomas
vakum teknesine
parçacıkların sabit bir yörüngede hızlandırıldığı
konulmuş iki elektrot arasına 100 keV'luk gerilim
betatron (Donald Kerst, 1939) ve siklotronda faz
uygulayarak,
parçacık
kararlılığının
yıllarda,
sinkrosiklotrondur. Bunların yanısıra, rf salınımlı
parçacıkların zamanla değişken potansiyele sahip bir
dairel tipte parçacık hızlandırıcıları arasında, benzer
dizi geçitler üzerinde hızlandırılması düşüncesi
prensiplerle
doğdu. Bu düşünce doğrultusundaki çalışmalar
hızlandırmak amacıyla tasarlanan bir siklotron gibi
neticesinde; Rolf Widereo ilk modern doğrusal
düşünülebilir) ve yüklü parçacığın kapalı yörüngede
parçacık hızlandırıcısını yaptı (1929), Ernest O.
tutulduğu depolama halkasını gösterebiliriz. 1952'de
Lawrence, magnetik alanı da kullanarak, dairesel
ise, ilk proton sinkrotronu "cosmotron" (3GeV)
tipte olan siklotronu keşfetti (1932). Ernest O.
Brookhaven(N.Y.) National Laboratory'de işletime
Lawrence, siklotrunun keşfi, geliştirilmesi ve elde
açıldı.
1920’li
yıllara
kadar
Sinton Walton bir
hızlandırıcısını
ettiği
parçacık
voltaj
hızlandıcılarının
gelişimi
varolan
Değişken
ilk
yüksek
yaptılar.
bulgulardan
voltaj
Takip
(özellikle
eden
yapay
radyoaktif
korunması
çalışan
amacıyla
mikrotronu
geliştirilen
(elektron
Gelişen
teknolojinin
yeni
tasarımların
hızlandırıcıların kurulma maliyetinin birkaç milyar
birlikte,
ABD dolarını, yıllık işletim giderlerinin ise yüzlerce
maddenin temel yapısının çözümlenmesi yolundaki
milyon ABD dolarını bulmasından dolayı, ekonomik
uğraşların da etkisiyle, parçacık hızlandırıcıları,
ve
çarpıştırma
merkezlerini
gerçekleşmesine
imkan
amaçlı
sağlamasıyla
kullanılan
yüksek
enerjili
teknolojik
12
güçbirliği
ortaklaşa
yaparak,
hızlandırıcı
kurmaktadır.
1
TeV
parçacık çarpıştırıcılarını doğurmuştur. Parçacık
(1Tev=10 eV)
çarpıştırıcılarını, hadron çarpıştırıcıları ve elektron-
antiprotonların çarpıştırıldığı Tevatron’u (proton
pozitron çarpıştırıcıları olmak üzere iki grupta
collider,
toplayabiliriz.
ulaşılan sınır olarak gösterebiliriz. 2005 yılında
Çarpışma
enerjilerinin
yıllara
göre
büyümesi
incelendiğinde, yaklaşık on yılda bir hızlandırma
enerjisinin de 10 kat arttığını görmekteyiz. Bir
ülkede,
hızlandırıcıların
hızlandırma
enerjisinin
kurulması
büyüklüğü,
ve
ulaşılan
genelde
o
ülkenin ekonomik refah düzeyiyle de ilişkilidir.
Artık
bir
çok
ülke,
temel
parçacık
alanı
araştırmalarında kullanılmak üzere inşa edilen yeni
enerjiye
FERMILAB),
sahip
hızlandırma
proton
ve
enerjisinde
çalışması planlanan LHC’(Large Hadron Collider,
CERN)’ın çarpıştırma enerjisi 7 TeV olacaktır.
Elektron-pozitron çarpıştıcılarında ulaşılan sınır
olarak 210 GeV'luk LEPII (Large Electron Positron
Storage Ring, CERN) karşımıza çıkmaktadır. 500
GeV’luk LC500 (Lineer Colider, CERN) ise henüz
planlama aşamasındadır.
İnsanoğlu, maddenin temel yapısını çözmede ve
(∼104TeV)
evreni anlamada kullandığı tüm imkanlara rağmen,
ilerisindedir.
artık
teknolojinin
bulunmaktadır.
TOE
sınırlarına
(Theory
dayanmış
of
Everything)
kuramını doğrulamak için öngörülen sıcaklığa
(T>1031K)
erişilebilmesi
için
gerekli
olan
hızlandırma enerjisi 1035 eV mertebesindedir. Bu
değer, günümüzün en gelişmiş hızlandırıcılarının
(∼1TeV ) sağladığı enerjinin 1023 gibi inanılmaz bir
katıdır. Bir başka deyişle, 1035 eV enerjili bir
elektronun enerjisi, yüzlerce megawattlık (1035 eV
bile erişilebilecek olanakların çok
Evrenin, üç temel boyutu; zaman (10-26-1018 s),
uzunluk (10-18-1026 m), kütle (10-36-1052 kg) arasında
sınırlanmıştır. İnsanoğlu ve canlı alem bu üç
boyutun
sadece
küçük
bir
kesiminde
ortaya
çıkmaktadır. İnsanoğlunun, teknolojiyi kullanarak da
olsa, bu sınırlara erişmesi mümkün görünmemekle
beraber, sınırları öngörmede başarılı olduğunu
söyleyebiliriz. Başarının arkasında, doğal olarak
parçacık hızlandırıcılarının yatmaktadır. Evrenin,
≈ 500 MW·yıl) bir enerji santralının bir yılda ürettiği
temel boyutların sınırları yönünden dikkat çeken bir
enerji ile aynıdır.
özelliği bulunmaktadır; zaman için geçerli sınırların
Unified
Theory)
Diğer taraftan, GUT (Grand
kuramında
öngörülen
enerji
üsleri farkı (44) ile kütle ve uzunluktan hesaplanan
yoğunluğun sınırlarının üsleri farkı (44) dikkat
hızlandırıcılar
başarmıştır. Diğer taraftan, 0 K’in teorik sıcaklık
sayesinde, parçacıkları, pratikte erişilmesi mümkün
olmasına rağmen, 0,000 001 K sıcaklığa kadar
olmayan ışık hızını, sadece milyonda bir oranda bir
soğuyan sistemler geliştirebilmiştir.
çekicidir.
İnsanoğlu,
yaptığı
farkla takip eden hızlara (v=0,999 999 c) ulaştırmayı
Parçacık hızlandırıcılarının bilime katkılarının en
York), DESY (Deutches Elektronen-Sychrotron,
çarpıcı örneklerini, kazanılan Nobel ödülleriyle
Germany),
verebiliriz;
Research Organization, Japan), IHEP (Institute for
SLAC
(Stanford
Linear
Accelator
KEK
(High
Physics,
Energy
China)
Accelerator
Center, California), FERMILAB (Fermi National
High-Energy
gibi
tanınmış
Laboratory Accelator, Illinois), CERN (European
parçacık hızlandırıcılarında yapılan araştırmalarda,
Laboratory for Particle Physics, Geneva), BNL
bir çok temel parçacık (charm quark, tau lepton,
(Brookhaven National Lab, New York), CESR
bottom quark, top quark, tau neutrino, W± ve Z
(Cornell Electron-Positron Storage Ring, New
parçacıkları, gluon) keşfedilmiştir.
Parçacık hızlandırıcılarının kullanım alanlarındaki
Kullanım alanları,
1930’lu yıllardan itibaren,
çeşitlilik, bilime katkılarının ne denli geniş bir
parçacık hızlandırıcılarına paralel olarak hızla
alanda olduğunu göstermektedir. Hızlandırıcıların,
gelişmiş ve çeşitlenmiştir. Örneğin; ağır parçacık
temel araştırma alanı olan temel kuvvetler ve
terapisi, FEL (Free Electron Laser) ve global
parçacıklar üzerine çalışmaların yanısıra, endüstri,
iklimsel
tıp, arkeoloji, meteoroloji hatta planetoloji gibi
sağlayan AMS (Accelerator Mass Spectrometry)
alanlara bilimsel veriler ve ürünler sağlayan
yöntemleri çeşitliliğin boyutlarını anlatan değişik
disiplenler arası bir araç olduğunu görmekteyiz.
örneklerdir.
değişikliklerin
anlaşılmasında
bilgi
Günümüzde, yaklaşık olarak 15,000 parçacık
olduğu
hızlandırıcısı, değişik alanların hizmetinde faaliyet
kullanılan
göstermektedir. Bunlardan, çekirdek ve temel
civarındadır. Dünya nüfusuna oranladığımızda, 30
parçacık
kullanılan
milyon insan başına 1 siklotron düşmektedir.
hızlandırıcıların, sayılarının 100 civarında olması
Buradan, dünya ortalamasını tutturabilmemiz için 2
dikkat çekicidir. Radyoterapi amaçlı tasarlanmış
adet
hızlandırıcıların, 5000 adet ile en yaygın çeşit
çıkmaktadır.
fiziği
araştırmalarında
söylenebilir.
Tıbbi
siklotron
siklotron
hızlandırıcı
hızlandırıcısı
gerektiği
ortaya
üzerindeki hareketlerine hızlanarak devam ederler.
diğer taraftan bir veya daha fazla geçit içerinde rf
Parçacıklar,
salınımlı gerilim tarafından hızlandırılmaktadırlar.
geldiklerinde, buradaki biçimlendirilmiş magnetik
Geçitten
alanın da yardımıyla bir demet halinde siklotrondan
hareketlerine
perdelenir.
devam
elektrot
ederlerken
Parçacıklar,
bir
içerinde
elektrik
sonraki
alan
geçide
geldiklerinde, zamanla değişen voltajın fazı 180
derece değiştirildiğinden tekrar hızlanırlar. Bu işlem
tekrarlandıkça ve magnetik alan sabit tutulursa,
magnetik
spiral
200
tarafından dairesel yörüngede harekete zorlanmakta,
güçlü
açılan
sayısı
parçacıklar
parçacıklar,
doğru
üretiminde
Siklotronda, yüklü parçacıklar, güçlü magnetik alan
geçen
dışa
izotop
alanın
yörünge
sınırına
dışarı çıkarlar.
Siklotron, hızlandırılan bir parçacağın açısal frekansı
ω (ω=q/mB, E=mc2) kazanılan enerjiyle ters orantılı
olduğundan, 0,511 Mev’lik durgun kütle enerjisine
sahip
elektronun
hızlandırılmasında
elverişli
değildir. Protonla karşılatırıldığında, aynı kinetik
kullanılmaktadır. Standart sintigrafi yöntemleri için
enerjili bir elektron, hafif kütlesinden dolayı çok
gerekli olan bu izotoplar çok yüksek fiyatlar
daha hızlı hareket eder. Ancak, relativistik etkiden
ödenerek yurtdışından getirilmektedir. 1999 yılında
dolayı, açısal hızındaki azalma bir o kadar belirgin
ithal edilen 39,5 Ci
hale gelir. Diğer bir deyişle, birkaç Mev’lik enerjiye
için yaklaşık 2,0 Milyon $ ödenmiştir. Özellikle
sahip olan elektronun açısal frekansıyla uygulanan
111
voltajın frekansı arasında faz kayması belirgin hale
kadar yüksek fiyat ödenirse ödensin mümkün
gelir. Proton ise 938 MeV’lik bir durgun kütle
değildir; dolayısıyla bu izotopların yurt içinde
enerjisine sahiptir ve 10 MeV’lik kinetik enerjide
üretilmeleri zorunludur.
ancak %1 civarında bir faz kayması meydana gelir.
Bu yüzden, siklotronlar; proton, döteron gibi ağır
yüklü
parçacıkların
hızlandırılmasında
daha
kullanışlıdır. Yapay izotop üretimi, proton veya
döteron gibi ağır yüklü hızlı parçacıkların, siklotrona
monte edilmiş bir tepkileşim ünitesindeki hedef
üzerine düşürülmesiyle gerçekleştirilebilir.
In,
201
Tl, 4,7 Ci 67Ga ve 100 Ci
F gibi radyoizotopların ithal edilmeleri ne
Radyoizotop üretimi çekirdek tepkileşimlerini temel
alır. Genelde çekirdek tepkileşimlerinde bir hedef,
üzerine belli enerjide gönderilen parçacıklarla
tepkileşime girdiğinde bir ürün çekirdek oluşur ve
kimyasal yöntemlerle işlem görüp nükleer tıpta
kullanılacak
hale
getirilir.
SPECT
ve
PET
+
yöntemlerinde kullanılan ve EC/β bozunumu yapan
11
Siklotronlar ışın enerji bölgelerine göre 3 grupta
üretimi,
toplanmaktadır:
gerektiğinden, sadece siklotronda mümkündür.
1. Grup ( Küçük Makineler ) : 10-13 MeV – dört
15
I
18
Tıbbi izotop üretimi açısından ele alındıklarında;
18
123
13
11
C,
18
F,
Türkiye
67
Ga,
201
Tl,
123
I gibi radyoizotopların
hızlandırılmış
de
siklotron
yüklü
tipi
bir
parçacıklar
hızlandırıcının
önemli PET radyoizotopu olan F, 0 , N ve C
kurulmasıyla bu radyoizotopların üretilmesi ve
üretimi için uygundur.
bunun yanısıra temel nükleer bilimlerde deneysel
2. Grup (Orta Büyüklükte Makinalar) : 16-18 MeV-
araştırmalar yapılması mümkün olabilecektir. Çevre
dört önemli PET radyoizotopu olan 18F, 15N , 13N ve
biliminden arkeolojiye kadar geniş bir uygulama
C’nun yüksek miktarda üretimi için uygundur.
alanı olan RBS, CPAA, RNAA, PIXE ve PIGE gibi
Ayrıca bu makinalarda diğer PET radyoizotoplarının
tahribatsız analiz yöntemleri için de hızlandırılmış
11
124
( I,
76
Br,
68
Ga ,
82
Rb ve
64
Cu) yeterli miktarda
üretimi yapılabilir.
yüklü parçacıklardan istifade edilmektedir. Ayrıca
yüksek enerjili yüklü parçacıklarla yapılabilen
çekirdek tepkileşimlerinden elde edilen (yüksek
3. Grup (Büyük Makinalar): 30-32 MeV – SPECT
123
( I
radyoizotoplarının
,
201
Tl)
ve
PET
enerjili) nötronlarla ışın tedavisi (nötron ve proton
terapiler) de gittikçe önem kazanmaktadır.
67
radyoizotoplarının üretimine ek olarak, Ga üretimi.
Çok yönlü kullanım alanları olan ve uzun ömürlü bu
Dünyada olduğu gibi Türkiye’de de radyoizotopların
hızlandırıcıları
tıpta
kullanımı
edebilen ticari firmalar mevcuttur. Elektrik, su, bina
yaygınlaşmaktadır. Türkiye’de halen işler durumda
vb. altyapı gereksinimleri için yeterli düzeyde
teşhis
ve
tedavi
amaçlı
olan yaklaşık 300 gama kamereda
radyoizotoplar
vb.hastalıklarının),
(kalp-damar,
sintigrafi
201
Tl,
guatr,
67
Ga gibi
böbrek
incelemelerinde
Avrupa’da
kısa
teknoloji ülkemizde mevcuttur.
zamanda
imal
Türkiye 100-300 mikro Amp. Akılı orta enerjili (2540 MeV), siklotron tipi proton hızlandırıcısıyla
201
Tl,
çok
67
Ga ve
daha
123
I, gibi radyoizotopların üretimleri,
ucuz
ve
güvenli
olarak
gerçekleştirilebilecektir. Böyle bir hızlandırıcının 10
yıllık işletme ve tesis gideri 15 Milyon dolar
civarındadır. İşletme zamanının yaklaşık 1/3'ünün
izotop üretimine ayrılmasıyla ülke gereksinimi
izotoplar üretebilecek ve ekonomiye (yılda 2-3
Milyon dolarlık) döviz tasarrufu sağlanabilecektir.
Böyle bir hızlandırıcının işletmeye alınmasıyla
yüksek frekans, magnet, vakum teknolojileri ve
demet kinetiği konularında da deneyimli teknisyen
ve mühendislerde yetiştirilmiş olacaktır. İşletme
zamanının en az yarısı, temel bilimlerde araştırma ve
uygulamalara ayrılabilecek, üniversitelerin yüksek
lisans
ve
doktora
çalışmalarına
da
imkan
sağlanabilecektir. Böylece Türkiyede ilk defa, yüklü
parçacıklarla deneysel çekirdek fiziği çalışmaları
mümkün olabilecektir.
10
yıllık
amortisman
gözönüne
alındığında
üretilecek izotopun maliyeti ortalama 30$/mCi
olacaktır. Bugün bir kit FDG (F-18) 200 $
civarındadır.